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發(fā)表于 2012-12-22 23:29:01
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一種基于SCARA機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- \6 o: Y2 I$ b; n
摘 要：針對SCARA機(jī)器人在生產(chǎn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用,，設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、傳動精度高,、操作方便的可以實(shí)現(xiàn)用多種控制方式(PC的遠(yuǎn)程控制,，單片機(jī)的控制，開關(guān)量的控制等）控制的SCARA型機(jī)器人,。 8 m0 X7 u+ g+ `
\: v9 a& |" Y" d" t: S8 }, RSCARA機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型的機(jī)器人,，它結(jié)構(gòu)簡單!體積小,，重量輕，安裝方便!具有很好的通用性,。而且動作迅速,、定位精度高。CARA機(jī)器人一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,，控制簡單,，編程方便，廣泛應(yīng)用于電器,、泵類等裝配工作中[1],。 本文針對試驗(yàn)教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)了一種新型的SCARA機(jī)器人,。$ j( x& F) Y1 Z2 s% z0 f8 f
1 機(jī)器人機(jī)械臂的主要性能參數(shù)及計(jì)算# F }7 d4 o ^! w$ x% Y
1.1 SCARA機(jī)器人機(jī)械臂的基本性能參數(shù) x. H2 O& `% Q! \# }
根據(jù)本機(jī)器人的應(yīng)用要求,，其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)要求如下：
7 H. N$ C; ]+ b(1) 抓重：≤4kg# f/ C, {) [, j0 E2 }
(2) 自由度：4
& h2 e7 d1 }) g, v' l' `(3) 運(yùn)動參數(shù)：
* r) D3 [) ]' s6 v大臂：±90。(回轉(zhuǎn)角度),，角速度≤30,。/s/ D$ U" P- D9 F# h
小臂：±60。(回轉(zhuǎn)角度),，角速度≤15,。/s
- g) q+ N9 R( w4 ^7 e& l( w* Q$ R手腕回轉(zhuǎn)：±180。(回轉(zhuǎn)角度),，角速度≤60,。/s
2 H- |# G" R* s8 G2 v+ z手腕升降：100mm(升降距離)，線速度≤0.01m/s
, O2 V3 |. h/ k( C6 [1.2 主要參數(shù)計(jì)算: M) |; E$ v6 Q) @& F9 D! }* |
(1)第三關(guān)節(jié)采用同步齒形帶傳動,，其參數(shù)計(jì)算如下：' p& A2 t8 k) u k5 h7 U* [
設(shè) 計(jì) 功 率 Pd=KaP=0.32W(查 表 取Ka=1.6[2],；P=FV=0.2W；皮帶的線速度為0.01m/s,,，皮帶負(fù)載為20N)
# M. H: d3 m: H& Z9 T同步帶的尺寸參數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)功率和帶輪轉(zhuǎn)速及行程而定,。
1 p: D! I2 j6 _7 I# e(2)步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算, i( n, k+ ~. y; _* ~
機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)都是步進(jìn)減速電機(jī)驅(qū)動的（如圖1所示）。現(xiàn)以第三個(gè)自由度的電機(jī)為例說明電機(jī)選擇的方法,。8 E/ N8 \, ~. b6 m; p) E/ t2 }
啟動轉(zhuǎn)矩 T=2Jw+QV=0.2N·m( 角速度 ω=5.3r/s2,轉(zhuǎn)動慣量J=7.8×10－7kg·m2,負(fù)載質(zhì)量Q=2kg,同步帶及負(fù)載的線加速度ν=5.3×0.011m/s2)
# z+ }, S; N r- s3 F考慮阻力等因素選擇的步進(jìn)減速電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩為0.2N·m×2 安全系數(shù))=0.4N·m,。 所以電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)該≥0.4 N.m。
7 T( s6 x. [2 u7 T0 o" v以同樣方式計(jì)算的電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩為：
, Y; h, O+ o3 A& E% D! {底座電機(jī)》＝0.6 N.m3 e1 u4 d) e, ?4 c2 P7 C" B, j
第二關(guān)節(jié)電機(jī)≥0.5N.m
9 R* J' Z; {9 \2 K/ N0 h手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)≥0.1N.m$ x+ q2 M& Z _" n7 i6 W
2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[3]
) ~' x# s! n& m3 ~3 n2.1 總體結(jié)構(gòu)
% `0 R4 I" h' c: u本機(jī)械臂的設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)用的要求把機(jī)構(gòu)的可靠性和結(jié)構(gòu)簡單作為設(shè)計(jì)的第一位考慮,。從方案的確定,，總體的設(shè)計(jì)，元器件的選用方面都遵循了以上的原則,，確保了機(jī)械臂可靠正常的工作,，同時(shí)具備良好的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性。6 H" j0 \% O# M* s; e
根據(jù)上述設(shè)計(jì)的原則，本機(jī)械臂采用了4關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu),，即4自由度機(jī)器人.具體包括底座,、大臂、小臂,、腕部,。第一、第二和第四關(guān)節(jié)直接采用步進(jìn)減速電機(jī)做傳動設(shè)備（轉(zhuǎn)動自由度),；第三關(guān)節(jié)采用同步帶傳動的方式（升降移動自由度）,。" a' e" r n0 j* Y
機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的外形如圖1.
+ M# h0 F7 U9 ]& x- v( c+ J8 _/ }1 O9 _/ d7 Z# [! m% X
2.2 傳動方案的選擇[4]
1 g6 ]0 l- v# k% I; v根據(jù)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)原則及要求,我們初步選擇了兩種傳動方案。
& u0 t# s$ `6 L8 u（1）方案1
. U. ]% W# F6 V' f* Z/ c7 ^第一,、二,、四自由度選擇減速步進(jìn)電機(jī)傳動，它精度高,，傳動比高,，效率高，噪音小,，震動小,，傳動部分的零部件都是標(biāo)準(zhǔn)件，容易購買,，安裝方便,。
8 `* W5 }5 t& z( e) r9 y% M第三個(gè)升降自由度選擇同步帶傳動。它傳動精度高,，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定,，傳動功率大,，效率高，但安裝要求比較高,，而且負(fù)載能力有限,。$ d0 M3 A: ^: e z" m$ @5 B# w% i
（2） 方案2- V; A0 o. Q3 z. W {
第二自由度采用二級同步齒形帶傳動， 但是安裝要求高!結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜,。
7 O) x, G8 Z% A第三自由度選擇步進(jìn)減速電機(jī)直接驅(qū)動絲杠螺母傳動,，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本�運(yùn)動，傳動精度高,，而且絲杠具有自鎖的功能,；但是速度不宜太高，而且相對同步齒形帶來說重量比較重,，需要電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大,，加工要求比較高。9 b( Z$ \ s0 H9 r, w: o
其它自由度和方案1一樣,。: f4 Z7 Y7 q9 |6 Y. k, ]/ f
以上兩個(gè)方案從傳動上來看都是可以實(shí)現(xiàn)的,。方案1在結(jié)構(gòu)上是最簡單的,，所以比較容易實(shí)現(xiàn)；方案2結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,，加工和安裝都比較困難,。方案1用的標(biāo)準(zhǔn)件比較多，零部件比較少,，所以容易加工和購買,。綜合考慮，我們選擇方案1.* L, G6 X. x- t8 @+ E J9 A: \$ e
2.3 SCARA機(jī)械臂主要部分的結(jié)構(gòu)
6 I! m, K) l# Q* `) d1 o（1）底座：如圖2所示,，主要由兩部分組成（外殼和軸承套部分）,。外殼材料采用 45鋼。底座的軸承可以承受軸向和徑向的力,，這樣避免了電機(jī)過載,。電機(jī)安裝在端蓋上，結(jié)構(gòu)簡單,，加工安裝方便,，材料用質(zhì)輕強(qiáng)度好的鋁合金。位于軸承套底部的電機(jī) 7通過對軸1的驅(qū)動,，從而帶動了和軸1 固接的大臂的轉(zhuǎn)動.
, s/ K7 i% s7 W6 p& c! g' ?9 v4 I! i, t/ K
（2）關(guān)節(jié)2：如圖3所示采用鋁合金材料,，結(jié)構(gòu)簡單，外形簡潔美觀,。軸承承受彎曲負(fù)載,，保護(hù)了電機(jī)。電機(jī)輸出軸2轉(zhuǎn)動,，帶動了軸6轉(zhuǎn)動,，小臂和軸6是固接的，所以小臂也隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動二轉(zhuǎn)動,。 # M# F! y* A, |4 d
" Q, E& z- P/ _6 `1 ^
（3）關(guān)節(jié)3：如圖4所示結(jié)構(gòu)簡單緊湊,，材料也選擇比較輕的鋁合金。同步帶輪只需要采用一對軸承支撐,，這樣既減輕了重量,，結(jié)構(gòu)簡單。同時(shí)也可以滿足設(shè)計(jì)要求,。電機(jī)1驅(qū)動同步帶輪轉(zhuǎn)動,，同步帶輪帶動同步帶6以及和同步帶固接在一起的滑塊3作直線運(yùn)動，從而驅(qū)動和滑塊3固接的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動,。導(dǎo)桿2起支持滑塊3的作用,，使得滑塊和同步帶保持在同一水平面上。 9 ?6 q6 Z2 ?! W E
8 t3 g4 c3 F6 e- S* j7 O- e
3 驅(qū)動控制' V" w0 l* A; E) }
該機(jī)械臂采用步進(jìn)減速電機(jī)做驅(qū)動器件，對機(jī)械臂的運(yùn)動控制也就是對步進(jìn)減速電機(jī)的分布式控制,。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式,。閉環(huán)控制可以使機(jī)械臂的運(yùn)動和輸入的指令期望的運(yùn)動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,。開環(huán)控制方式就比
) a% C" G& A; v較簡單,，而且在滿足電機(jī)不失步的情況下，電機(jī)的定位精度很高,。因此機(jī)械臂的驅(qū)動控制可以采用開環(huán)控制,，其開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖5。
# p5 K- B5 [3 [; ^4 V/ F5 Y
- J& Y4 \9 H# |6 D, kPC主機(jī)通過RS232串口發(fā)送計(jì)時(shí)器參數(shù)和其他的控制參數(shù),，單片機(jī)控制器按照PC發(fā)送的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行,。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的控制。驅(qū)動模塊可以選用集成芯片UCN5804B[6],，它集成了包括：環(huán)形分配器,、電流控制器、保護(hù)電路,、放大驅(qū)動電路,。結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時(shí)用戶自己也可以設(shè)計(jì)各種電路對 電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動[7],。
4 @. d- d! F v9 _' R$ C/ ?, Y4 小 結(jié)! z( }' P* m4 \6 E) i# t
機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對整個(gè)控制系統(tǒng)的性能有很大的影響,， 因此其結(jié)構(gòu)的合理與精心設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)中,，還要考慮各部分的彈性變形,、摩擦、間隙和傳動誤差等問題,。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡單,，較容易控制�,？梢詰�(yīng)用在機(jī)器人控制試驗(yàn)和教學(xué)等領(lǐng)域,；加上合適的機(jī)械手爪還可以組成簡單的裝配的機(jī)械臂,。如果在系統(tǒng)中加裝反饋裝置,，還可以組成控制精度更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定的閉環(huán)機(jī)器人控制系統(tǒng),�,；诔杀炯熬鹊鹊目紤]，可選擇電位器實(shí)現(xiàn)位置的反饋[8],。 / n: |9 S2 k+ U3 W& e7 q7 _* W
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