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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)
& R$ A; k& T; L8 U4 Y摘 要：針對(duì)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(jiǎn)單、傳動(dòng)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(kāi)關(guān)量的控制等）控制的SCARA型機(jī)器人。
0 o- ]/ q9 y, ^$ H
; D3 h% S- _* ^2 t7 e, WSCARA機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型的機(jī)器人,，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單!體積小,，重量輕，安裝方便!具有很好的通用性,。而且動(dòng)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(dòng),，控制簡(jiǎn)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(duì)試驗(yàn)教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)了一種新型的SCARA機(jī)器人,。% }& |: R6 ?& ?$ i3 @
1 機(jī)器人機(jī)械臂的主要性能參數(shù)及計(jì)算
' l& ?6 q: o3 z# A4 A1.1 SCARA機(jī)器人機(jī)械臂的基本性能參數(shù)( P: F, e3 r! o; Z A0 H
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：: P: s f. {' j0 Y0 Z
(1) 抓重：≤4kg
8 G/ K- m" S3 D- k6 G(2) 自由度：4/ f6 s; n S; j+ Q) O
(3) 運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
+ | j- J/ R$ u6 j! V( h大臂：±90。(回轉(zhuǎn)角度),，角速度≤30,。/s( F% m# S! r3 q( o' S2 r. O
小臂：±60,。(回轉(zhuǎn)角度),，角速度≤15。/s7 Q5 _: p7 X. j: m# e7 _! O
手腕回轉(zhuǎn)：±180,。(回轉(zhuǎn)角度),，角速度≤60。/s$ W1 S2 y& s3 W' Z% V* }, q
手腕升降：100mm(升降距離),，線速度≤0.01m/s- l; \5 q- i8 `; ^: u
1.2 主要參數(shù)計(jì)算
" \8 e9 r. I* ^- H" f# S(1)第三關(guān)節(jié)采用同步齒形帶傳動(dòng),，其參數(shù)計(jì)算如下：
& y5 \, _. S! k# w% h8 X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) [7 U* `+ N, K3 L
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。7 i& t+ U" C9 Q% J' I" y# D+ I
(2)步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算: [0 I* Y6 |+ ]
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(dòng)的（如圖1所示）�,，F(xiàn)以第三個(gè)自由度的電機(jī)為例說(shuō)明電機(jī)選擇的方法,。( `) E! Z0 [4 H0 P
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T=2Jw+QV=0.2N·m( 角速度 ω=5.3r/s2,轉(zhuǎn)動(dòng)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)
: O ?* g" U" U& ~8 Y6 `/ s考慮阻力等因素選擇的步進(jìn)減速電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0.2N·m×2 安全系數(shù))=0.4N·m。 所以電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該≥0.4 N.m,。5 g4 I/ ?5 }7 a# j3 d' q
以同樣方式計(jì)算的電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：# y! H/ ]4 k* @- d! n
底座電機(jī)》＝0.6 N.m
5 ?7 D7 v2 d! ^; q; f# d- l第二關(guān)節(jié)電機(jī)≥0.5N.m3 K, V3 e3 C) |7 i
手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)≥0.1N.m
3 z( ^7 M" t6 e( L! P2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[3]
- p9 |, N- z7 \8 t2.1 總體結(jié)構(gòu)
6 [5 i2 n" q6 e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(jiǎn)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 Z3 w& `4 i8 H; x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(dòng)設(shè)備（轉(zhuǎn)動(dòng)自由度),；第三關(guān)節(jié)采用同步帶傳動(dòng)的方式（升降移動(dòng)自由度）。
; b1 I: B: G$ B2 [機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的外形如圖1.: @% c) G- E# p9 h8 ~7 q! X
, ?. S- z9 T/ b0 J& ?; E8 W
2.2 傳動(dòng)方案的選擇[4]/ ?# }6 H- q* Z1 _! n' J
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(dòng)方案,。; C( d' q) \! C. f' S
（1）方案1; R- n1 H# I! [( Z' G. H0 @( m
第一,、二、四自由度選擇減速步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng),，它精度高,，傳動(dòng)比高，效率高,，噪音小,，震動(dòng)小，傳動(dòng)部分的零部件都是標(biāo)準(zhǔn)件,，容易購(gòu)買(mǎi),，安裝方便。3 S$ E9 f# P3 D6 a1 x- L, N
第三個(gè)升降自由度選擇同步帶傳動(dòng),。它傳動(dòng)精度高,，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比恒定,，傳動(dòng)功率大,，效率高，但安裝要求比較高,，而且負(fù)載能力有限,。
8 \: V) S) }3 u! r% Z, {（2） 方案2
( F7 F6 T9 e9 _. \第二自由度采用二級(jí)同步齒形帶傳動(dòng)， 但是安裝要求高!結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜,。
( {# X) C) ]% R1 M+ L第三自由度選擇步進(jìn)減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng),，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本�運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)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(duì)同步齒形帶來(lái)說(shuō)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,。
0 Y$ M1 \$ O8 l% J9 f3 r其它自由度和方案1一樣。
) T; B' p3 J) y) ~1 X以上兩個(gè)方案從傳動(dòng)上來(lái)看都是可以實(shí)現(xiàn)的,。方案1在結(jié)構(gòu)上是最簡(jiǎn)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(gòu)買(mǎi),。綜合考慮，我們選擇方案1.; h" j! E& i0 a% {* J8 s% E2 M
2.3 SCARA機(jī)械臂主要部分的結(jié)構(gòu)
5 q* i& x6 i/ Z+ H' q8 p3 i（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(guò)載,。電機(jī)安裝在端蓋上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)對(duì)軸1的驅(qū)動(dòng),，從而帶動(dòng)了和軸1 固接的大臂的轉(zhuǎn)動(dòng). ' D- K ^. ]' s% g
- W( V5 L% U3 L4 B# m（2）關(guān)節(jié)2：如圖3所示采用鋁合金材料,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形簡(jiǎn)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(dòng),，帶動(dòng)了軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂和軸6是固接的,，所以小臂也隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)二轉(zhuǎn)動(dòng),。 , g) M* l( D5 Z" E
' d% @) t2 q: s# m（3）關(guān)節(jié)3：如圖4所示結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)軸承支撐,，這樣既減輕了重量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,。同時(shí)也可以滿足設(shè)計(jì)要求,。電機(jī)1驅(qū)動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶輪帶動(dòng)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(dòng),，從而驅(qū)動(dòng)和滑塊3固接的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng),。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。
6 G& \3 ^% N& b8 p/ |* V
4 q- j( a9 o3 W M5 J+ _ a1 W3 驅(qū)動(dòng)控制" j* b; W! G9 h6 w+ l. c
該機(jī)械臂采用步進(jìn)減速電機(jī)做驅(qū)動(dòng)器件,，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制也就是對(duì)步進(jìn)減速電機(jī)的分布式控制,。它可以采用開(kāi)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(dòng)和輸入的指令期望的運(yùn)動(dòng)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(duì)復(fù)雜,。開(kāi)環(huán)控制方式就比
& V [! B6 N) w" u/ s5 P9 E較簡(jiǎn)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(dòng)控制可以采用開(kāi)環(huán)控制，其開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖5,。
3 l) |5 ~7 Z0 T( ^1 ^! a N. Z0 v9 R% O) C$ R7 v1 C) i- I
PC主機(jī)通過(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的控制,。驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,，同時(shí)用戶自己也可以設(shè)計(jì)各種電路對(duì) 電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)[7],。( ^* O) Q9 n* T% d* @' t- J% R) u
4 小 結(jié)
$ p7 Q4 ~1 _; l. h+ r! J) M機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)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(dòng)誤差等問(wèn)題,。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)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]。 & J% C. M, |) S; l8 Z, S3 `! i7 V
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