scara机器人运动控制系统设计

《scara机器人运动控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《scara机器人运动控制系统设计（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、江西理工大学 SCARASCARA 机器人运动控制系统设计机器人运动控制系统设计 机器人控制技术结课作业 许楠许楠 6120160149 2017/6/19 1 目录目录 自述 . 3 摘要 . 4 1 引言 5 2 系统分析及算法分析 6 2.1 SCARA 机器人的结构分析 6 2.1.1 SCARA 机器人的总体结构 6 2.1.2 SCARA 机器人各关节的装配结构 7 2.1.3 SCARA 机器人腕部关节的运动 . 8 2.2 SCARA 机器人的运动学分析 .10 2.2.1 机器人位姿的数学描述 .10 2.2.2 SCARA 机器人的 D-H 坐标变换 .13 2.2.3 S

2、CARA 机器人的正运动学分析.16 2.2.4 SCARA 机器人的逆运动学分析 16 2.3 SCARA 机器人动力学分析 18 2.3.1 动力学建模方法 .18 2.3.2 Lagrange 函数 18 2.3.3 机器人拉氏动力学方程 .19 2.3.4 SCARA 机器人的动力学方程 .20 3 轨迹规划 .25 3.1 SCARA 机器人轨迹规划的方法 25 3.2 SCARA 机器人轨迹规划的生成 27 4 控制策略 .30 4.1 机器人控制系统的特点和要求 .31 4.2 机器人控制的分类 .31 4.3 基于运动控制卡和步进单元的运动控制 31 5 系统总体设计 .33

3、5.1 机械传动方案 .33 5.2 机器人关键零部件设计 33 5.3 大臂和小臂机械结构设计 .33 5.4 腕部机械结构设计 .33 5.4.1 滚珠丝杠部分 33 5.4.2 主轴部分 34 5.4.3 其它设计 34 6 硬件设计与选型 35 6.1 机器人关键零部件的选型 .35 6.1.1 步进电机的计算和选择 .35 6.1.2 同步带的选择计算.36 6.1.3 滚珠丝杠的选型设计及计算 .38 6.2 运动控制系统的硬件 .41 6.2.1 运动控制卡选择 .41 6.2.2 步进电机驱动器的选择 .41 7 软件设计及系统集成 43 2 7.1 运动控制卡的编程 .43

4、7.2 系统控制软件的设计 .43 7.2.1 控制系统主要模块 43 7.2.2 控制系统软件的 VC 实现 .43 参考文献 .45 附录 .46 3 自述自述 经过了半个学期大约八周的机器人控制课程的学习，说真心话，对自己的表现不是很满意，未能理解 机器人控制技术的精髓，甚至于说连皮毛都没有。在学期末老师布置的作业中，在有限的时间里，面对着 一个完全生疏的领域，说实话，自己是不知所措的，不知道该从哪里入手，稀里糊涂之中，下载了大量的 文献论文，质量参差不齐， 选择了一篇自己看来较为完整的学位论文， 对他的内容进行了从头到尾的阅读， 但是仍然彷徨与迷茫，很多不理解的东西，文中也并未给出解释

5、。这使得我从开始就没有起一个好头。在 这之后，为了完成作业，每天会硬着头皮在做自己研究方向至于抽出一定的时间来阅读一些关于本作业的 中文文献，但是很遗憾，在一周之后，眼看着离交作业的时间越来越近，自己又无法全身心的投入到该设 计中，在有限的精力下所读得的这一部分资料，任然连皮毛都不懂。但是没办法，只能开始写作了。仿照 着别人的写。边看边写，在模仿他人的同时，夹杂着自己的很少一部分的自身的理解。当然在这其中，也 有着诸多的错误而由于自身水平所限无法发现而已。 其实，我想老师也明白，让我们这种之前从未接触过机器人设计的学生，来写出一篇自己设计的机器 人的论文无疑是异常困难的，况且在这仅有的两周时间

6、，神乎其神。所以说我自己也不否认这篇蹩脚的低 水平的文章大多数是参考了别人来的文章，但是我认为这幸亏不是毕业论文，只是为了作业并增进对机器 人控制技术了解的必要之举。我不内疚，因为这篇文章都是我自己输入的，文章的每个角落里有哪些内容 我都异常的熟悉，哪些地方存在着我自己的理解也异常的熟知。包括其中的上百条公式，都是一手一手码 出来的，虽然没能做到对一条公式的理解，但是都有去做了解。 太多的问题来不及去表达，特此写下这篇自述讲讲自己的对这门课程的认识，相信我在之后的求学或 工作生涯中任然能够再对机器人控制这门学科进行深入的学习和研究。 说声抱歉，老师要求的软件源代码，由于自己的水平所限，以及查找

7、资料未果，没能附着一篇哪怕蹩 脚的控制源码。再次抱歉。 4 摘要摘要 本设计说明书首先对 SCARA 机器人做了一个全面的分析，从主体结构到运动学算法分析，再到机器人 的动力学分析。 运用经典的动力学和运动学方法分析了 SCARA 机器人的。 之后对 SCARA 机器人的轨迹规划 做了分析，理解了轨迹规划的具体实现步骤。 紧接着，又对机器人的控制策略及其主要遵循的机制做了一个简单的解释。应该说能够大体了解该机 器人的控制方法。之后，对整个机器人的整体控制思路做除了阐述，使我们能够清晰的了解了整体及局部 的控制是如何实现的。最后，通过现实设计需求，指定相应参数，根据实际选择合适的主要设备部件，这

8、 些主要设备部件的计算及其作用进行了详细的解释。并且在附录中给出了主要的元器件清单。虽然不太全 面，但还是能够利用其实现大概功能。文章的最后还提出了软件的实现方法，讲解了如何利用控制卡实现 对机器人的运动控制。 文章基本上 SCARA 机器人所需要的分析方面，文中均有提及，但是由于水平所限，有些不太理解的方 面无法给出详尽的解释及解决方案，希望在自己将来能够有机会继续深入研究有关机器人的相关问题。 5 1 引言引言 20 世纪中期，因为计算机自动化和原子能技术的发展，现代机器人开始在美国得到重视和研究，工业 机器人也因此不断得以应用。工业机器人的特点是能实现自动控制、能重复编程、自由度较多，经

9、常搭配 刀具或其它可装配的加工工具，从而实现搬运材料、工件等动作，完成各种作业，属于一种柔性自动化设 备。工业机器人是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。自 1962 年美国推出世界上第一 台 Un Jmation 型和 Versatran 型工业机器人以来， 工业机器人技术迅猛发展， 工业机器人技术综合了机械工 程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学 以及人工智能工程学等多门尖端学科，是感知、决策、行动和交互四大技术的综合的高新技术，具有广泛 的研究和应用价值，工业机器人应用水平代表了国家工业自动化水平。 随着工业机器人在制

10、造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来 越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向 以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念 向广义的机器人技术 RT 概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机 器人技术(RT)的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统” 。我国的机器人研 发始于上世纪 70 年代初，前 10 年处于研究单位自行开展研究状态，发展比较缓慢。1985 年后开始列人国 家有关计划，发展比较快。特别

11、是在“七五” 、 “八五” 、 “九五”机器人技术国家攻关、 “863”高技术发展 计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展，主要表现在机器人基础技术，机器人的单元技术 和基础元部件的研发，机器人控制装置的研制，机器人操作机研制和机器人的应用工程等方面。 工业机器人根据机械结构和坐标系特点可分为直角坐标型 3P、圆柱坐标型 R2P、球坐标型 2RP 和关节 坐标型(3R)的机器人，关节坐标型机器人的结构类似于人手臂，其位置和姿态完全由旋转运动实现，而平 面关节型机器人，即 SCARASelective Compliance Assembly Robot Arm 机器人可看作关节坐标型机

12、器人的特 例。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆 柱坐标型的特殊类型的工业机器人。SCARA 机器人有 3 个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位 和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。它最适用于平面定位，垂直方向 进行装配的作业。SCARA 系统在 x，y 方向上具有顺从性，而在 Z 轴方向具有良好的刚度，此特性特别适合 于装配工作， 例如将一个圆头针插入一个圆孔， 故 SCARA 系统首先大量用于装配印刷电路板和电子零部件； SCARA 的另一个特点是其串接的

13、两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬 动和取放物件，如集成电路板等。 图 1-1 SCARA 机器人 6 2 系统分析系统分析及算法分析及算法分析 2.1 SCARA 机器人的结构分析机器人的结构分析 2.1.1 SCARA 机器人的总体结构机器人的总体结构 SCARA 机器人有四个旋转自由度和一个移动自由度，各旋转关节轴线相互平行，使机器人能在平面上 定位和定向，一个移动关节实现腕部的垂直运动。以平田公司 AR-F650H 型号的 SCARA 机器人为例，如图 2-1 所示，三个旋转自由度为 A 轴、B 轴和 W 轴，移动自由度为 Z 轴。在实际使用中，需要装配与

14、其腕部 适合的手腕，以实现特定的用途。 图 2-1 AR-F650H 型号的 SCARA 机器人 各关节电机都使用伺服电机，A 轴和 B 轴的减速器选用谐波减速器，z 轴和 w 轴采用滚珠丝杠一花键 轴的一体式结构，并选用同步带减速。SCARA 机器人的传动方式如下： A 轴旋转：A 轴电机一谐波减速器一 A 轴； B 轴旋转：B 轴电机一谐波减速器一 B 轴； z轴垂直直线运动：Z 轴电机一同步带一丝杠螺母一主轴； W 轴旋转：w 轴电机一同步带一花键螺母一主轴。 伺服电机与减速器是机器人结构中的核心部件，它们对机器人的性能有着很 大的影响。目前机器人中使用的减速器主要有三种：精密行星减速器

15、、RV 减速器和谐波减速器。谐波 减速器和 RV 减速器因为具有很高的传动效率和精度，在机器人中的使用较多。RV 减速器是有两级减速的7 全封闭式摆线针轮减速器，具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大等特点，适用于负载大、速 度高和精度高的场合。谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展而来的新型减速器，也具有传动比大、传 动精度高、体积小、重量轻等优点，而且制造成本相对前者要低很多。在 SCARA 机器人中，谐波减速器的 应用更为广泛。 2.1.2 SCARA 机器人各关节的装配结构机器人各关节的装配结构 大臂（A 轴）的装配结构见图 2-2。 图 2-2 第一自由度剖面图 1.轴 2.轴承

16、套 3.轴承 4.外壳 5.拧紧螺丝 6.端盖 7.电机 小臂（B 轴）的装配结构图 2-3。 8 图 2-3 第二自由度结构图 1.底部端盖 2.套杯 3.大臂 4.旋转轴 5.小臂 6.步进电机 7.电机轴（输出轴） 8.内六角螺丝钉 9.深沟球轴承 10.小圆螺母 11.内六角螺钉 2.1.3 SCARASCARA 机器人腕部关节的运动机器人腕部关节的运动 手腕部关节结构装配图如图 2-4 9 图 2-4 第三、四自由度结构示意图 1.小臂 2.支撑架 3.筋板 4.丝杠轴 5.丝杠螺母 6.连接板 7.步进电机 8.可移动板 9.小带轮 10.同步带 11.小圆螺母 12.套筒 13.大带轮 14.直线导轨 15.滑块 16.步进电机 17.电机轴 18.电机连接板 19.连接件 20.深沟球轴承 21.套杯 22.透盖 23.主轴 24.气动夹头 10 2.2 SCARA 机器人的机器