SCARA机器人结构设计和运动分析.zip

1摘要摘要工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。本文设计了一个工业用 SCARA 机器人。SCARA 机器人(全称 Selectively Compliance Articulated Robot Arm)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动。它是一种工业机器人，具有四个自由度。其中，三个旋转自由度，另外一个是移动自由度。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。本文用模块化设计方法设计了 SCARA 机器人的机械结构。分析了 SCARA机器人的运动学正解和逆解，建立了机器人末端位姿误差计算模型并做了运动模拟。关键字:SCARA 位姿误差 2AbstractIndustrial robot is the most typical mechatronic digital equipment,added value and high,wide range of applications,support for advanced manufacturing technology and information society,new industries,and social development of future production will increasingly play a The more important role.This paper designs an industrial SCARA robot.SCARA robot(full name Selectively Compliance Articulated Robot Arm)is very similar to human arm movement,which includes the shoulder elbow and wrist joints to achieve horizontal and vertical movement.It is an industrial robot has four degrees of freedom.Among them,the three rotational degrees of freedom,the other is the DOF.It can achieve planar motion,with the flexibility,the whole arm in the vertical stiffness,flexibility in the horizontal direction of the large,widely used in assembly operations.This method was designed with a modular design the mechanical structure of SCARA robot.Analysis of the SCARA robot inverse kinematics,and to establish the position and orientation of robot end of the model error.Keywords:SCARA analysis 1目录摘要.1Abstract.2第一章绪论.111 引言.112 国内外机器人领域研究现状及发展趋势.11.3 SCARA 机器人简介.21.4 平面关节型装配机器人关键技术.31.4.1 操作机的机构设计与传动技术.41.4.2 机器人计算机控制技术.41.4.3 检测传感技术.51.5 项目的主要研究内容.61.5.1 项目研究的主要内容、技术方案及其意义.61.5.2 拟解决的关键问题.6第二章 SCAAR 机器人的机械结构设计.72.1 SCARA 机器人的总体设计.72.1.1 SCARA 机器人的技术参数.72.1.2 SCARA 机器人外形尺寸与工作空间.72.1.3 SCARA 机器人的总体传动方案.92.2 机器人关键零部件设计计算.102.2.1 减速机的设计计算.102.2.2 电机的设计计算.112.2.3 同步齿型带的设计计算.112.2.4 滚珠丝杠副的设计计算.132.3 大臂和小臂机械结构设计.142.4 腕部机械结构设计.162.5 小结.17第三章 SCARA 机器人的位姿误差建模.173.1 基于机构精度通用算法的机器人位姿误差建模.173.2 机构精度通用算法.183.2.2 通用机器人位姿误差模型.203.2.2 机器人位姿误差模型的建立.203.3 小结.25总结.26参考文献.27致谢.281第一章绪论第一章绪论11 引言引言机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人既具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备。目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业，它占现有机器人总数的2.89%。其次是电器制造业，约占 16.4%，而化工业则占 11.7%。此外，工业机器人在食品、制药、器械、航空航天及金属加工等方面也有较多应用。随着工业机器人的发展，其应用领域开始从制造业扩展到非制造业，同时在原制造业中也在不断的深入渗透，向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。一般来说，机器人系统可按功能分为下面四个部分川:l)机械本体和执行机构:包括机身、传动机构、操作机构、框架、机械连接等内在的支持结构。2)动力部分:包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。3)检测传感装置:包括传感器及其相应的信号检测电路。4)控制及信息处理装置:由硬件、软件构成的机器人控制系统。12 国内外机器人领域研究现状及发展趋势12 国内外机器人领域研究现状及发展趋势 (1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 2005 年的5 万美元。2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外己有模块化装配机器人产品问市。2(3)工业机器人控制系统向基于 CP 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化:器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中己有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从 1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置己成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.3 SCARA 机器人简介1.3 SCARA 机器人简介SCARA 机器人(如图 1 一 1 所示)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，在平面内进行定位和定向，是一种固定式的工业机器人。它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。3 个旋转关节，其轴线相互平行，手腕参考点的位置是由两个旋转关节的角位移 p，和 pZ，及移动关节的位移 Z 来决定的。这类机器人结构轻便、响应快，例如 Adeptl 型 SCARA 机器人的运动速度可达 10m/S，比一般的关节式机器人快数倍。它能实现平面运动，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，具有柔顺性。3图 1 一 1SCARA 机器人图 1 一 2 SCARA 机器人装配线图 1 一 3 SCARA 机器人SCARA 机器人最适用于平面定位，广泛应用于垂直方向的装配。广泛应用于需要高效率的装配、焊接、密封和搬运等众多应用领域，具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、工作空间大的优点。由于组成的部件少，因此工作更加可靠，减少维护。有地面安装和顶置安装两种安装方式，方便安装于各种空间。可以用它们直接组成为焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、搬运机器人、插件机器人等，效率高，占地小，基本免维护。1.4 平面关节型装配机器人关键技术1.4 平面关节型装配机器人关键技术41.4.1 操作机的机构设计与传动技术1.4.1 操作机的机构设计与传动技术由于机器人运行速度快，定位精度高，需要进行运动学与动力学设计计算，解决好操作机结构设计与传动链设计。包括:(l)重量轻、刚性好、惯性小的机械本体结构设计和制造技术一般采用精巧的结构设计及合理的空间布局，如把驱动电机安装在机座上，就可减少臂部惯量、增强机身刚性;在不影响使用性能的情况下，各种部件尽量采用空心结构。此外，材料的选择对整机性能也是至关重要的。(2)精确传动轴系的设计、制造及调整技术由伺服电机直接驱动，实现无间隙、无空回、少摩擦、少磨损，提高刚性、精度、可靠性;各轴承采用预紧措施以保证传动精度和稳定性。(3)传动平稳、精度高、结构紧凑且效率高的传动机构设计、制造和调整技术由于在解决机械本体结构问题时，往往会对传动机构提出更高要求，有时还存在多级传动，因此要达到上述目的，常采用的方法有:钢带传动，实现无摩擦无间隙、高精度传动;滚珠丝杠传动，可提高传动效率且传动平稳，起动和低速性能好，摩擦磨损小;采用 Rv 减速器，可缩短传动链。同时合理安排检测系统位置，进一步提高系统精度1.4.2 机器人计算机控制技术1.4.2 机器人计算机控制技术由于自动生产线和装配精度的要求及周边设备的限制，使装配机器人的控制过程非常复杂，并要求终端运动平稳、位姿轨迹精确。现阶段机器人的控制方式主要有两种:一是采用专用的控制系统，如 MOTOMAN、FANUC、NACH 工等;二是基于 PC 机的运动控制架构，如 KUKA，ABB，工 RCS 等。在控制领域常涉及的关键技术包括:(l)点位控制与轨迹控制的双重控制技术一般为装配机器人安装高级编程语言和操作系统。常用的编程方式有示教编程与离线编程。另一方面，合理选择关节驱动器功率和变速比、终端基点密度和基点插补方式，以使运动精确、轨迹光滑。(2)装配机器人柔顺运动控制技术由于机器人柔顺运动控制是一种关联的、变参数的非线性控制，能使机器人末端执行器和作业对象或环境之间的运动和状态符合给定要求。这种控制的关键在于选择一种合适的控制算法。5(3)误差建模技术在机器人运动中，机械制造误差、传动间隙、控制算法误差等会引起机器人末端位姿误差。因此有必要对机器人运动进行误差补偿，建立合理可靠的误差模型，进行公差优化分配，对系统进行误差的标定并采用合适的误差补偿环节。(4)控制软件技术将诸如减振算法、前馈控制、预测算法等先进的现代控制理论嵌入到机器人控制器内使机器人具有更精确的定位、定轮廓、更高的移动速度、更短的调整时间，即使在刚性低的机器人结构