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敏捷制造的輕型作業(yè)單元設(shè)計機械應(yīng)用
羅杰D ·奎因，格雷格三考西
機械系和航空航天工程
弗蘭克，戴維M ·薩金特，尼古拉答B(yǎng)arendt
紐曼，維爾吉利奧Velasco
電機工程學系與應(yīng)用物理系
安迪Podgurski，菊妍喬
Leon S. Sterling, Yoohwan Kim
計算機系工程與科學
凱斯西儲大學（CWRU）
美國俄亥俄州克利夫蘭，44106
摘要：本文介紹了一種靈活的設(shè)計用于制造工作單元光機電從類似的產(chǎn)品的裝配部件（即作出部分零件）。我們定義了敏捷制造能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，從裝配一個產(chǎn)品到另一個產(chǎn)品的裝配?？焖儆布D(zhuǎn)換成為可能，通過使用機器人，靈活的裝配部分，模塊化夾子機模塊化裝配硬件。依靠靈活的饋線上料皮帶和二進制計算機視覺構(gòu)成估計。這明顯的優(yōu)勢超過nonflexible如碗飼養(yǎng)的飼養(yǎng)計劃需要大量的調(diào)整從一個轉(zhuǎn)換另一部分。正在快速轉(zhuǎn)換軟件促進了一個真正的一次性使用的，面向?qū)ο筌浖h(huán)境，模塊化的軟件，圖形為離線模擬軟件的開發(fā)，以及創(chuàng)新的雙控制器結(jié)構(gòu)VME總線。這些靈活的功能允許將引進新產(chǎn)品最小的停機時間和系統(tǒng)重構(gòu)。
1．簡介
1.1什么是敏捷制造？
敏捷制造是一個長期見過增加了過去幾年中，工業(yè)使用。該“敏捷“的定義，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一個制造商的措施突然的反應(yīng)能力，不可預(yù)測的變化客戶需求的產(chǎn)品和服務(wù)，使一利潤“1。 “今天工廠正在陸續(xù)被在裁縫敏捷貨物交給客戶的要求不停產(chǎn)..
2．敏捷制造
同化物的柔性生產(chǎn)全系列技術(shù)，以吸取的教訓以及總質(zhì)量管理，'只是在時間的生產(chǎn)和'精益'生產(chǎn)“3。唯一的共同點之一各種定義是能夠制造出多種對什么可迅速為基礎(chǔ)的類似產(chǎn)品不斷變化的客戶需求。在過去，生產(chǎn)專門針對大批量單一生產(chǎn)產(chǎn)品。在今天的市場，然而，重點是對小批量移動從不斷變化的，客戶驅(qū)動的產(chǎn)品線。
圖1：敏捷作業(yè)單元
一個“敏捷“制造的定義已通過適用于光機電裝配產(chǎn)品：敏捷制造是有能力完成快速轉(zhuǎn)換之間的不同制造利用基本相同的組件工作單元。快速轉(zhuǎn)換（以小時為單位），此外，被定義為移動能力的一個產(chǎn)品，從大會
另一種產(chǎn)品裝配與最低的變化工具和軟件。快速轉(zhuǎn)換使生產(chǎn)小批量，讓'只是在時間'生產(chǎn)。我們的“敏捷“的定義的中心主題制造業(yè)是能夠迅速推出（按星期計算）為新的組件和部件系統(tǒng)。
在這個系統(tǒng)中，快速完成轉(zhuǎn)換通過可重復(fù)使用的軟件的使用，快速變化該機械手夾持器，模塊化工作表和部分饋線其中有足夠的彈性處理，而無需機械零件的幾種類型調(diào)整。這些饋線使用視覺，在硬地夾具，以確定位置和方向部分。通用，可重復(fù)使用的例程允許新的部分視力被添加到具有最低系統(tǒng)的努力。
一個實施一個靈活的測試平臺已開發(fā)生產(chǎn)工作單元（圖1）。這包括機械機器人，靈活的部分進料器，視覺系統(tǒng)（攝像機，圖像采集，并庫中的圖像處理程序），以及有限傳感器和執(zhí)行器專用所需人數(shù)完成一個給定的程序集。這樣一個核心特征工作單元是一個控制器控制每一個有能力的上述組件。
該工作單元是中央輸送系統(tǒng)，這是博世實現(xiàn)使用標準的硬件。這是負責轉(zhuǎn)移部分完成組裝機器人之間進行成品和單位一卸貨機器人的機器人安裝在基座附近輸送帶系統(tǒng)。托盤與專業(yè)部件固定裝置是用來在整個集會進行系統(tǒng)完成后，該組件將被刪除從托盤的裝卸機械。最后，安全籠包圍整個工作單元，服務(wù)保障
運營商以及提供用于安裝的結(jié)構(gòu)開銷相機。
2.1輸送系統(tǒng)
輸送機系統(tǒng)在CWRU使用工作單元是一個模型T2的博世制造。托盤在兩個主要傳閱，輸送線。這些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盤轉(zhuǎn)移這兩者之間部分由電梯傳熱單元（LTU的）的手段。這些允許各地輸送托盤流通系統(tǒng)和重新排序能力的托盤。在系統(tǒng)托盤的每個都有一個獨特的識別號碼，使系統(tǒng)跟蹤和直接的進展。止損是安裝在關(guān)鍵輸送機上的點來控制托盤的流量。這方面的一個創(chuàng)新的輸送系統(tǒng)使用的是使用短“骨刺線“。一種鞭策（圖2）是一個單純的延長輸送機，垂直為主線（類似于鐵路支線）。這允許流主輸送線，而要維持一個機器人執(zhí)行組裝在鞭策。托盤進入一個刺激注冊在機器人的世界由一個坐標系
臂安裝攝像頭，允許地方或機器人消除對托盤零件，避免犧牲機械登記
2.2裝配站
大會的幾個車站的布局進行了分析在選擇最終布局。在評估了幾個每一個布局功能，包括：展示位置相對于機器人輸送機，給料機的影響相對于機器人的位置工作信封，并機器人動作一個通用大會的必要，這是確定，在圖2最適合的布局需要的工作單元。每一個裝配機器人是由兩個包圍模塊化，可移動工作臺和兩個固定喂養(yǎng)表（圖2）。模塊化表很容易交換，允許專門組裝硬件放置在機器人的工作信封。表中包含的模塊化和氣動執(zhí)行器可連接快速電傳感器，允許任何專門工具迅速變化需要一個給定的程序集。通過設(shè)計這些表是模塊化和易于交換，不同的裝配硬件可以快速入住。為了實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，模塊化工作登記表在機器人的世界坐標在同一系統(tǒng)由于托盤的方式（即使用臂安裝攝像頭）。進料表是固定的，與水平，partsfeeding輸送機安裝到他們。
圖2：工作站布局
輸送機的一個缺點/刺激系統(tǒng)，如上所述，必須充分交流的時間托盤為一個空的。在這段時間（約15秒）的機器人將可以想象無效。一簡單的解決這個問題是一個迷你倉：一夾具是位于交換部分的工作表來保存一些完成組裝。在一個托盤互換，裝配機器人可以繼續(xù)運作而傳入的工作托盤到達時，放置在迷你倉完成組裝。后來電轉(zhuǎn)移到托盤的刺激，視覺系統(tǒng)寄存器的托盤。該機器人將當前的大會（在其爪仍）托盤上，然后所得款項將完成從組件迷你倉的托盤。
2.3喂料機柔性件
每個支線組成（圖三傳送帶3）。第一輸送機傾斜，從電梯部件散裝料斗。第二輸送機是水平的，具有半透明帶。它傳輸?shù)綑C器人零部件，呈現(xiàn)在附近的機器人underlit節(jié)。該第三輸送機返回未使用的或不利的導(dǎo)向到大型料斗部分。
正確地運作取決于饋線部分被取消的散裝料斗中quasisingulated方式。許多因素影響效益傾斜輸送機：對角輸送到水平方面，皮帶特性（如摩擦系數(shù)），對帶式（防滑，磁力，真空），以及線速度帶，例如。
圖3：靈活澆注系統(tǒng)示意圖
當不同的零件，應(yīng)美聯(lián)儲，散裝料斗清空，并與新的部件填補。如果部分是類似的幾何形狀，進料沒有變化系統(tǒng)通常是必要的。一些地區(qū)，如圓形或圓柱的（即那些將回滾下來傾斜）可能需要不同的腰帶，如表面，防滑一個或一個不同的角度傾斜。架空相機用于定位部件對水平輸送機。一種緊湊型熒光燈陣列燈是安裝在每個輸送機的水平。用半透明的這些燈一起輸送帶提供underlit領(lǐng)域，部分可向視覺系統(tǒng)。使用二進制視覺工具（目前上料機由一個熟練的視覺系統(tǒng)提供）部分皮帶進行檢查。首先，視覺系統(tǒng)會查看是否一部分是抓握（即部分承認的是，穩(wěn)定姿態(tài)（位置和方向）和足夠的間隙之間存在的一部分，它的鄰國抓住了它爪）。第二，造成了部分在機器人的世界坐標確定。這個姿勢，和動作與收購相關(guān)的部分，是檢查，以確保他們在機器人的工作信封。
2.4視覺系統(tǒng)
視覺系統(tǒng)的一個基本功能是確定靈活的組件構(gòu)成部分喂養(yǎng)。姿態(tài)估計是使用內(nèi)置該AdeptVision軟件功能，而且必須要快夠不干預(yù)裝配周期時間。一對視覺系統(tǒng)的第二功能是登記托盤和模塊化的工作表到機器人的世界坐標系統(tǒng)，避免了調(diào)整的需要硬件。還有另一種可能是使用錯誤恢復(fù)，其中，該相機可以用來檢查臨界點在系統(tǒng)中，或在進程內(nèi)組件。
該視覺系統(tǒng)使用的標準數(shù)字CCD相機，裝配件或以上的靈活饋線或在機器人手臂。由于數(shù)字相機到AdeptVision系統(tǒng)的投入是有限的四個，一個低成本，自定義視頻多路復(fù)用器的開發(fā)，利用一單片式視頻切換器集成電路。這使得多達四臺攝像機被連接到每個視頻輸入法視頻硬件。
在與快速轉(zhuǎn)換保持理念，視覺程序設(shè)可重復(fù)使用，這是一個給定的常規(guī)，可用于定位幾個不同但相似的部分（即類似計為不對稱性，拓撲結(jié)構(gòu)等）。這種方法有很多優(yōu)勢，包括盡量減少軟件的數(shù)量例程。此外，該軟件允許重復(fù)使用模塊化和“敏捷?！袄?，通過參數(shù)化特征例行搜查因為，它可以適用于部分有一個類似的個人資料但屬于不同的大小。這意味著，部分與在這些類似的幾何形狀零件庫，可添加到系統(tǒng)中，只需修改檢查程序調(diào)用這些低層次的，可重復(fù)使用的例程，
2.5引進的新零件
添加一個新的一部分，該系統(tǒng)涉及數(shù)明確任務(wù)。愿景例行這就決定了構(gòu)成的一部分，開發(fā)，利用圖書館可重復(fù)使用的視覺例程。如果新的部分似乎沒有別的地方特色，在零件圖書館，新的程序可能需要添加到軟件庫。此外，如果部分沒有被設(shè)計為使用通用零部件饋線（例如它沒有穩(wěn)定的姿勢像，缸），可能需要的饋線變更或腰帶改變傾斜角度。引人入勝還必須旨在操縱新的一部分。為了盡量減少避免了專門的硬件和工具的變化大會，手爪設(shè)計應(yīng)進行與其他部件的設(shè)計，同時為抓手聚集在一個給定的機器人。舉例來說，如果給定操作既需要一個一個小部件和組件是一個B在第一個機器人組裝，設(shè)計人員應(yīng)手爪考慮到這一點
在一般情況下，最好是設(shè)計的部件和相關(guān)的硬件同時進行。這將使最大程度地重用的軟件，以最小的變化靈活的體制和喂養(yǎng)一個強有力的裝配設(shè)計序列，將加強無人操作。這方法稱為設(shè)計制造及Assembly7，或者干脆DFMA。
3 計算機硬件/控制器設(shè)計
目前的軟件已被完全開發(fā)在V8編程語言和操作系統(tǒng)，在嫻熟的MV控制器。對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，這將是編程環(huán)境足夠的，但它缺乏動力和靈活性需要支持快速的軟件開發(fā)和轉(zhuǎn)換。這主要是因為V+缺乏特色這是標準的其他語言和操作系統(tǒng)系統(tǒng)，如用戶定義函數(shù)，標準數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和shell腳本的執(zhí)行。To circumvent these limitations, a more廣泛的控制器接口的設(shè)計工作已發(fā)展。這將允許系統(tǒng)來支持C和的C ++，并提供一個更友好，更靈活的用戶接口。此外，它將允許實時使用操作系統(tǒng)，從而簡化軟件開發(fā)和提高性能。
圖4：系統(tǒng)架構(gòu)
在這個設(shè)計中，系統(tǒng)的能力擴大了使用除第二VME總線VME總線控制器壓（圖4）。這第二個VME總線房子的I / O板和專用??單板計算機（SBC的），對其中一個實時操作系統(tǒng)執(zhí)行C和C++程序?qū)BC的運行的。負責所有高層次的控制和機器人運動（例如：輸送機控制，氣動操作，指定機器人目的地），而采用壓控制器專為低級別的機器人運動（如伺服控制和軌跡生成）和一些機視覺例程。在以后的實現(xiàn)，這是視覺處理板，也可以用在第二VME總線，從而充實了AdeptVision系統(tǒng)。兩個總線連接電纜或光纖連接。內(nèi)存所做的更改由一個反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)。這包括兩個內(nèi)存卡，各有一個總線，它可以由連接的
一板會自動反映，另一方面，從而允許指令和數(shù)據(jù)傳送之間兩個buses9。巴塞爾公約秘書處的地點可以使機器人對反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想命令。這些都是宣讀了命令組服務(wù)器上運行MV的控制器。這些服務(wù)器執(zhí)行命令并在適用時，返回相同的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)。
4 作業(yè)單元軟件
另一個軟件是一個靈活性的關(guān)鍵敏捷制造工作單元，但是，這種靈活性不來而精心設(shè)計。盡管軟件本質(zhì)上是比硬件更容易改變，結(jié)構(gòu)一個軟件系統(tǒng)可以降低，經(jīng)過反復(fù)修改，導(dǎo)致可靠性差，并增加維修費用。在設(shè)計工作單元控制軟件方面，我們聘請軟件工程方法和工具支持的設(shè)計原則改變。特別是，我們最新的設(shè)計是面向?qū)ο螅∣O）的，也就是說，它是根據(jù)物體的識別該系統(tǒng)，這是這些實體有一個國家和一個行為。物理設(shè)備，抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)整個子系統(tǒng)建模為對象，提供，明確設(shè)定服務(wù)時，其執(zhí)行封裝和隱藏。強調(diào)面向?qū)ο筌浖O(shè)計減少了工作量需要引入進入新的工作單元產(chǎn)品通過可重用的代碼。
能夠迅速引入新產(chǎn)品工作單元是至關(guān)重要的一個靈活的系統(tǒng)。對象類型或類類構(gòu)造，其中服務(wù)對應(yīng)memberfunction的定義使用C + +電話。新的類派生自現(xiàn)有通過增加的服務(wù)或通過覆蓋實現(xiàn)現(xiàn)有服務(wù)。面向?qū)ο蟊阌诰S護，因為一個實施類是可以改變的，而不會影響客戶端代碼，使用類的服務(wù)，因為派生類可以可用于任何需要它的父類即可。除了滿足我們的要求特別是制造業(yè)中的應(yīng)用，我們希望指定軟件設(shè)計的組件，可能證明有用敏捷制造各種應(yīng)用。因此，我們試圖確定敏捷設(shè)計模式制造業(yè)。設(shè)計模式是一組溝通的對象或類，兩者代表一個可重復(fù)使用的設(shè)計元素，是適用的，經(jīng)過一番專業(yè)化，一systems10品種。到目前為止，我們已經(jīng)確定用于這種活動的設(shè)計模式整個系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)之間的通信元器件，零部件和組件的規(guī)定，調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)和錯誤處理。
4.1作業(yè)系統(tǒng)
該工作單元控制的最初版本軟件實施了與V+操作系統(tǒng)和編程語言提供了善于壓控制器。雖然為V +提供了足夠的設(shè)施許多機器人應(yīng)用，我們確定一個更先進的操作系統(tǒng)和編程語言將更好地支持我們的軟件設(shè)計理念和敏捷制造的目標。一般來說，工作單元控制涉及的號碼管理實時限制并發(fā)任務(wù)。因此，一實時操作系統(tǒng)（RTOS）的足夠和任務(wù)調(diào)度，通信和可靠的設(shè)施同步是可取的。
4.2軟件體系結(jié)構(gòu)
該工作單元控制軟件被設(shè)計成一個層次結(jié)構(gòu)的服務(wù)器。在最高水平，工作單元控制器的服務(wù)請求人的經(jīng)營人包裝箱成品組件。在這樣做時，到托盤服務(wù)器沿著托盤輸送機馬刺之間。托盤服務(wù)器跟蹤運動每個托盤，但工作單元控制器負責知道托盤內(nèi)容。該工作單元控制器大會的服務(wù)器，這都與要求機器人，以填補部分或全部組件托盤。為了滿足這些要求，大會的服務(wù)器必須部分下屬與服務(wù)器進行通信以及與機器人和專用硬件。的部分反過來服務(wù)器必須與零件饋線和通信與視覺系統(tǒng)。一般來說，服務(wù)器的設(shè)計作為對整體工作單元一些假設(shè)如可能的結(jié)構(gòu)，使他們不敏感該結(jié)構(gòu)的變化。在適當情況下，服務(wù)器同時運行，例如，同時增加了一個機器人部分集會，該部分服務(wù)器嘗試設(shè)在機器人的未來預(yù)期另一部分
錯誤的處理，也是分層的。如果一臺服務(wù)器遇到一個錯誤，它首先試圖解決這個問題在當?shù)兀?，通過使更多的要求下屬服務(wù)器。如果失敗，服務(wù)器表明它的客戶端它無法提供所要求的服務(wù)?？蛻舳巳缓笤噲D解決這個錯誤條件。作為一個具體例如，考慮一個部分服務(wù)器無法找到一部分在其遠景窗口。它會一再提前給料機和拍照。如果沒有部分是內(nèi)發(fā)現(xiàn)一一定數(shù)量的重復(fù)，將報告的部分支線大會未能服務(wù)器。如果沒有多余饋線部分，它可以調(diào)用，服務(wù)器將在大會信號發(fā)生故障的工作單元控制器。在缺乏冗余服務(wù)器的組裝問題，釷控制器將問題通知，要求經(jīng)營者人為干預(yù)。魯棒，容錯軟件必要的無人值守，操作的工作單元。4.3作業(yè)單元模擬隨著軟件開發(fā)進展同時隨著硬件建設(shè)系統(tǒng)，可以明顯看出一個仿真硬件系統(tǒng)預(yù)計將是極為有益的。該決定是為了開始發(fā)展全面的仿真，將允許工作單元控制代碼被開發(fā)和測試，而不使用實際硬件。這允許控制軟件來編寫和調(diào)試沒有制止生產(chǎn)功能工作單元。它也非常有用，以顯示圖形硬件的響應(yīng)（圖5）特別是研究各種工作單元布局。，
圖5：TELEGRIP模擬
輸送系統(tǒng)已完全模擬。詳細的仿真機器人和遠見系統(tǒng)正在開發(fā)中。仿真代碼模仿的工作單元的輸入和輸出，使為模擬透明地使用。換句話說，在代碼是用來模擬控制的工作單元是相同的代碼運行在同一處理器板用于控制物理設(shè)備。這是一個功能強大的工具軟件設(shè)計中不存在任何矛盾控制與仿真代碼和實際控制代碼。這消除了移動可能移植問題從模擬到實際控制平臺
5．結(jié)論
本研究成功驗證的關(guān)鍵問題對于一個敏捷制造工作單元的設(shè)計。柔性件饋線，機器視覺，模塊化硬件，廣泛的控制器接口，在線糾錯，圖形模擬和模塊化的軟件都一個廣泛實施的重要因素。在繼續(xù)工作，該系統(tǒng)正在擴大模塊化的程序，包括視覺，一個實時的使用操作系統(tǒng)，面向?qū)ο缶幊?，廣泛的錯誤檢測和恢復(fù)。產(chǎn)品設(shè)計制造和裝配也將發(fā)揮關(guān)鍵作用在促進攝食，裝配，并造成估計。
參考文獻
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致謝
這項工作得到了克利夫蘭先進制造項目（營地）通過中心自動化和智能系統(tǒng)研究（CAISR）和學校的工程案例
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
題目 4-DOF SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動模擬
專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 學 號 078105226
學 生 姓 名 饒新龍
指 導(dǎo) 教 師 許 瑛
填 表 日 期 2011 年 6 月 1 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目： 4-DOF SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動模擬
系 別 航空工程系
專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化
班級學號 078105226
學生姓名 饒新龍
指導(dǎo)教師 許瑛
二O一一年 六 月
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：
4-DOF SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動模擬
II、畢 業(yè)設(shè)計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計技術(shù)要求：
1. 以4-DOF SCARA 機器人為研究對象，按照下列技術(shù)要求，基于三維軟件完成
4-DOF SCARA 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動模擬、
2、設(shè)計技術(shù)要求：
(1)? 抓重：≤1kg
(2)? 自由度：4
(3)? 運動參數(shù)：
大臂：±100。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤1.8rad/s
小臂：±50。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤1.8rad /s
手腕回轉(zhuǎn)：±100。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤1.8rad。/s
手腕升降：100mm(升降距離)，線速度≤0.01m/s
III、畢 業(yè)設(shè)計(論文)工作內(nèi)容及完成時間：
1）、收集資料、開題報告、外文翻譯（6000字符以上） 3.01-3.11
2）、總體方案設(shè)計 3.14-4.02
3）、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.06-4.26
4）、計算與強度校核 4.27-5.10
5）、畢業(yè)論文整理及答辯準備 5.26-6.03
Ⅳ 、主 要參考資料：
【1】孫桓，陳作模主編.機械原理.第七版.北京：高等教育出版社，2006.12；
【2】馬香峰主編.工業(yè)機器人的操作機設(shè)計.冶金工業(yè)出版社，1966；
【3】宗光華 張慧慧譯.機器人設(shè)計與控制.科學出版社，2004；
【4】吳振彪等主編.工業(yè)機器人（第二版）華中科技大學出版社，2006；
【5】于靖軍等主編.機器人結(jié)構(gòu)學的數(shù)學基礎(chǔ).機械工業(yè)出版社，2008；
【6】鄭貞平，喻德主編.UG NX 5三維設(shè)計與NC加工.機械工業(yè)出版社，2008；
【7】Y.Fujimoto and A.Kawamura. Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation
of Biped Walking Robot Including Enrironmental Force Interaction. IEEE Robotics
and Automation Magzine,1998, 5(2):33-42
機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 0781052 班
學生（簽名）：
填寫日期： 2011 年 3 月 1 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負責的部分)：
系主任（簽名）：
附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計說明書首頁。
學士學位論文原創(chuàng)性聲明
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4-DOF SCARA 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動模擬
學生姓名：饒新龍 班級：0781052
指導(dǎo)老師：許瑛
摘要：工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。
本文設(shè)計了一個工業(yè)用SCARA機器人。SCARA機器人(全稱Selectively Compliance Articulated Robot Arm)很類似人的手臂的運動，它包含肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)來實現(xiàn)水平和垂直運動。它是一種工業(yè)機器人，具有四個自由度。其中，三個旋轉(zhuǎn)自由度，另外一個是移動自由度。它能實現(xiàn)平面運動，具有柔順性，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，廣泛用于裝配作業(yè)中。
本文用模塊化設(shè)計方法設(shè)計了SCARA機器人的機械結(jié)構(gòu)。分析了SCARA機器人的運動學正解和逆解，建立了機器人末端位姿誤差計算模型并做了運動模擬。
關(guān)鍵字: SCARA 位姿誤差
指導(dǎo)老師簽名：
4-DOF SCARA robot design and motion simulation
Student name：RaoXinlong Class：0781052
Supervisor：XuYing
Abstract ：Industrial 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
Signature of supervisor:
目錄
第一章緒論 1
1．1引言 1
1．2 國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 SCARA機器人簡介 2
1.4平面關(guān)節(jié)型裝配機器人關(guān)鍵技術(shù) 4
1.4.1操作機的機構(gòu)設(shè)計與傳動技術(shù) 4
1.4.2機器人計算機控制技術(shù) 4
1.4.3檢測傳感技術(shù) 5
1.5項目的主要研究內(nèi)容 6
1.5.1項目研究的主要內(nèi)容、技術(shù)方案及其意義 6
1.5.2擬解決的關(guān)鍵問題 7
第二章SCAAR機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.1 SCARA機器人的總體設(shè)計 7
2.1.1 SCARA機器人的技術(shù)參數(shù) 7
2.1.2 SCARA機器人外形尺寸與工作空間 7
2.1.3 SCARA機器人的總體傳動方案 8
2.2機器人關(guān)鍵零部件設(shè)計計算 10
2.2.1減速機的設(shè)計計算 10
2.2.2電機的設(shè)計計算 11
2.2.3同步齒型帶的設(shè)計計算 11
2.2.4滾珠絲杠副的設(shè)計計算 13
2.3大臂和小臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
2.4腕部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
2.5小結(jié) 17
第三章SCARA機器人的位姿誤差建模 17
3.1基于機構(gòu)精度通用算法的機器人位姿誤差建模 17
3.2機構(gòu)精度通用算法 18
3.2.2通用機器人位姿誤差模型 20
3.2.2.1機構(gòu)通用精度模型與機器人位姿誤差模型的聯(lián)系 20
3.2.2機器人位姿誤差模型的建立 20
3.3 小結(jié) 25
總結(jié) 26
參考文獻 27
致謝 28
南昌航空大學科技學院學士學位論文
第一章緒論
1．1引言
機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的綜合，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。
工業(yè)機器人既具有操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動化生產(chǎn)設(shè)備。
目前機器人應(yīng)用領(lǐng)域主要還是集中在汽車工業(yè)，它占現(xiàn)有機器人總數(shù)的2.89%。其次是電器制造業(yè)，約占16.4%，而化工業(yè)則占11.7%。此外，工業(yè)機器人在食品、制藥、器械、航空航天及金屬加工等方面也有較多應(yīng)用。隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開始從制造業(yè)擴展到非制造業(yè)，同時在原制造業(yè)中也在不斷的深入滲透，向大、異、薄、軟、窄、厚等難加工領(lǐng)域深化、擴展。而新開辟的應(yīng)用領(lǐng)域有木材家具、農(nóng)林牧漁、建筑、橋梁、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公家用、教育科研及一些極限領(lǐng)域等非制造業(yè)。
一般來說，機器人系統(tǒng)可按功能分為下面四個部分川:
l)機械本體和執(zhí)行機構(gòu):包括機身、傳動機構(gòu)、操作機構(gòu)、框架、機械連接等內(nèi)在的支持結(jié)構(gòu)。
2)動力部分:包括電源、電動機等執(zhí)行元件及其驅(qū)動電路。
3)檢測傳感裝置:包括傳感器及其相應(yīng)的信號檢測電路。
4)控制及信息處理裝置:由硬件、軟件構(gòu)成的機器人控制系統(tǒng)。
1．2 國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至2005年的5萬美元。
〔2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外己有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于CP機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化:器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中己有成熟應(yīng)用。
(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用己從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
(7)機器人化機械開始興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置己成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.3 SCARA機器人簡介
SCARA機器人(如圖1一1所示)很類似人的手臂的運動，它包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)來實現(xiàn)水平和垂直運動，在平面內(nèi)進行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機器人。它具有四個自由度，其中，三個是旋轉(zhuǎn)自由度，一個是移動自由度。3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，手腕參考點的位置是由兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移p，和pZ，及移動關(guān)節(jié)的位移Z來決定的。這類機器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adeptl型SCARA機器人的運動速度可達10m/S，比一般的關(guān)節(jié)式機器人快數(shù)倍。它能實現(xiàn)平面運動，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。
圖1一1SCARA機器人
圖1一2 SCARA機器人裝配線
圖1一3 SCARA機器人
SCARA機器人最適用于平面定位，廣泛應(yīng)用于垂直方向的裝配。廣泛應(yīng)用于需要高效率的裝配、焊接、密封和搬運等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，具有高剛性、高精度、高速度、安裝空間小、工作空間大的優(yōu)點。由于組成的部件少，因此工作更加可靠，減少維護。有地面安裝和頂置安裝兩種安裝方式，方便安裝于各種空間?？梢杂盟鼈冎苯咏M成為焊接機器人、點膠機器人、光學檢測機器人、搬運機器人、插件機器人等，效率高，占地小，基本免維護。
1.4平面關(guān)節(jié)型裝配機器人關(guān)鍵技術(shù)
1.4.1操作機的機構(gòu)設(shè)計與傳動技術(shù)
由于機器人運行速度快，定位精度高，需要進行運動學與動力學設(shè)計計算，解決好操作機結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳動鏈設(shè)計。包括:
(l)重量輕、剛性好、慣性小的機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)一般采用精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合理的空間布局，如把驅(qū)動電機安裝在機座上，就可減少臂部慣量、增強機身剛性;在不影響使用性能的情況下，各種部件盡量采用空心結(jié)構(gòu)。此外，材料的選擇對整機性能也是至關(guān)重要的。
(2)精確傳動軸系的設(shè)計、制造及調(diào)整技術(shù)由伺服電機直接驅(qū)動，實現(xiàn)無間隙、無空回、少摩擦、少磨損，提高剛性、精度、可靠性; 各軸承采用預(yù)緊措施以保證傳動精度和穩(wěn)定性。
(3)傳動平穩(wěn)、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊且效率高的傳動機構(gòu)設(shè)計、制造和調(diào)整技術(shù)由于在解決機械本體結(jié)構(gòu)問題時，往往會對傳動機構(gòu)提出更高要求，有時還存在多級傳動，因此要達到上述目的，常采用的方法有:鋼帶傳動，實現(xiàn)無摩擦無間隙、高精度傳動;滾珠絲杠傳動，可提高傳動效率且傳動平穩(wěn)，起動和低速性能好，摩擦磨損小;采用Rv減速器，可縮短傳動鏈。同時合理安排檢測系統(tǒng)位置，進一步提高系統(tǒng)精度
1.4.2機器人計算機控制技術(shù)
由于自動生產(chǎn)線和裝配精度的要求及周邊設(shè)備的限制，使裝配機器人的控制過程非常復(fù)雜，并要求終端運動平穩(wěn)、位姿軌跡精確。現(xiàn)階段機器人的控制方式主要有兩種:一是采用專用的控制系統(tǒng)，如MOTOMAN、FANUC、NACH工等;二是基于PC機的運動控制架構(gòu)，如KUKA，ABB，工RCS等。在控制領(lǐng)域常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括:
(l)點位控制與軌跡控制的雙重控制技術(shù)一般為裝配機器人安裝高級編程語言和操作系統(tǒng)。常用的編程方式有示教編程與離線編程。另一方面，合理選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動器功率和變速比、終端基點密度和基點插補方式，以使運動精確、軌跡光滑。
(2)裝配機器人柔順運動控制技術(shù)
由于機器人柔順運動控制是一種關(guān)聯(lián)的、變參數(shù)的非線性控制，能使機器人末端執(zhí)行器和作業(yè)對象或環(huán)境之間的運動和狀態(tài)符合給定要求。這種控制的關(guān)鍵在于選擇一種合適的控制算法。
(3)誤差建模技術(shù)
在機器人運動中，機械制造誤差、傳動間隙、控制算法誤差等會引起機器人末端位姿誤差。因此有必要對機器人運動進行誤差補償，建立合理可靠的誤差模型，進行公差優(yōu)化分配，對系統(tǒng)進行誤差的標定并采用合適的誤差補償環(huán)節(jié)。
(4)控制軟件技術(shù)
將諸如減振算法、前饋控制、預(yù)測算法等先進的現(xiàn)代控制理論嵌入到機器人控制器內(nèi)使機器人具有更精確的定位、定輪廓、更高的移動速度、更短的調(diào)整時間，即使在剛性低的機器人結(jié)構(gòu)中也能達到無振動運動等特性，有助于提高機器人性能。
.
1.4.3檢測傳感技術(shù)
檢測傳感技術(shù)的關(guān)鍵是傳感器技術(shù)，它主要用于檢測機器人系統(tǒng)中自身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，向控制器提供信息以決定系統(tǒng)動作。傳感器精度、靈敏度和可靠性很大程度決定了系統(tǒng)性能的好壞。檢測傳感技術(shù)包含兩個方面的內(nèi)容:一是傳感器本身的研究和應(yīng)用，二是檢測裝置的研究與開發(fā)。包括:
(1)多維力覺傳感器技術(shù)
多維力覺傳感器目前在國際上也是一個熱點，涉及內(nèi)容多、難度大。它能同時檢測三維空間的全力信息，在精密裝配、雙手協(xié)調(diào)、零力示教等作業(yè)中，有廣泛應(yīng)用。它包括彈性體、傳感器頭、綜合解藕單元、數(shù)據(jù)處理單元及專用電源等。
(2)視覺技術(shù)
視覺技術(shù)與檢測傳感技術(shù)的關(guān)系類似于人的視覺與觸覺的關(guān)系，與觸覺相比，視覺需要復(fù)雜的信息處理技術(shù)與高速運算能力，成本較高，而觸覺則比較簡單，可靠且較易實現(xiàn)。但在有些情況下，視覺可完成對作業(yè)對象形狀和姿態(tài)的識別，可比較全面的獲得周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，在一些特殊裝配場合有很大優(yōu)越性，如在無定位、自主式裝配、遠程遙控裝配、無人介入裝配等情況下特別適用。因此如何采用合適的硬件系統(tǒng)對信息進行采集、傳輸，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理、識別，以得到有用信息用于控制也是一個關(guān)鍵問題。
(3)多路傳感器信息融合技術(shù)
由于裝配機器人中運用多種傳感器來采集信息，得到的信息也是多種多樣，必須用有效的手段對這些信息進行處理，才能得到有用信息。因此，信息融合技術(shù)也成為制約檢測技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
(3)檢測傳感裝置的集成化和智能化技術(shù)
檢測傳感裝置的集成化能形成復(fù)式傳感器或矩陣式傳感器，而把傳感器和測量裝置集成則能形成一體化傳感器。這些方法都能使傳感器功能增加、體積變小、并使檢測傳感系統(tǒng)性能提高，更加穩(wěn)定可靠。檢測傳感裝置的智能化則是在檢測傳感裝置中添加微型機或微處理器，使其具有自動判斷，自動處理和自動操作等功能。加快系統(tǒng)響應(yīng)速度、消除或減小環(huán)境因素影響、提高系統(tǒng)精度、延長平均無故障時間。
1.5項目的主要研究內(nèi)容
1.5.1項目研究的主要內(nèi)容、技術(shù)方案及其意義
本課題是要設(shè)計一個教學SCARA機器人。作為工業(yè)機器人的SCARA己有很多成熟的產(chǎn)品，但大多驅(qū)動裝置采用伺服電機，傳動系統(tǒng)采用RV減速機，由這些部件構(gòu)成的整機價格昂貴，不適宜于作為教學用途。而教學機器人相對而言對運動精度的要求要比工業(yè)場合用的機器人所要求的精度低，對運動速度和穩(wěn)定性的要求也不高，它只需具備機器人的基本元素，達到一定的精度即可。實際上由步進電機構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)精度已經(jīng)很高，能滿足教學用途，而且成本比伺服電機構(gòu)成的閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)低很多。諧波傳動也是精度高、傳動平穩(wěn)并且很成熟的一項傳動技術(shù)。因此自主開發(fā)低成本的教學機器人很有意義。對本機器人的研制，擬采用步進電機作為動力裝置，采用諧波減速機作為傳動鏈的主要部件，同時輔以同步齒形帶和滾珠絲杠等零部件來構(gòu)成機器人的機械本體。控制系統(tǒng)采用基于CP的運動控制架構(gòu)，研究機器人關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃算法和笛卡兒空間的直線軌跡規(guī)劃算法，利用控制卡提供的運動控制庫函數(shù)在windows環(huán)境下用visu1aC++6.0開發(fā)控制系統(tǒng)的軟件。
項目研究的總體步驟是:
選出最優(yōu)傳動方案一一關(guān)鍵零部件選型一一機械系統(tǒng)三維建模一一零部件工程圖和總裝圖一一控制系統(tǒng)設(shè)計一一運動學分析及位姿誤差建模一一控制軟件的開發(fā)以及軌跡規(guī)劃算法的研究。
1.5.2擬解決的關(guān)鍵問題
(1)抗傾覆力矩問題的解決。SCARA機器人的大臂和小臂重量大，懸伸也大，造成很大的傾覆力矩，影響機器人的性能，通過合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計來加以解決。
(2)機器人的運動學分析以及位姿誤差建模方法的研究。根據(jù)運動學參數(shù)法，建立通用機器人位姿變換方程，在位姿變換方程的基礎(chǔ)上建立機器人位姿誤差的數(shù)學模型，采用矩陣變換直接推導(dǎo)出機器人末端位姿誤差與運動學參數(shù)誤差的函數(shù)關(guān)系式。
(3)機器人軌跡規(guī)劃算法的研究。包括給定起點和終點的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃(PTP運動)算法，以及給定起點和終點的直線軌跡規(guī)劃(CP運動)算法。
第二章SCAAR機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
近年來，工業(yè)機器人有一個發(fā)展趨勢:機械結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)化。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外己有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。本章介紹模塊化的設(shè)計方法在SCARA機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。
2.1 SCARA機器人的總體設(shè)計
2.1.1 SCARA機器人的技術(shù)參數(shù)
(1)? 抓重：≤1kg
(2)? 自由度：4
(3)? 運動參數(shù)：
????? 大臂：±100。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤1.8rad/s
????? 小臂：±50。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤1.8rad /s
????? 手腕回轉(zhuǎn)：±100。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤1.8rad。/s
????? 手腕升降：100mm(升降距離)，線速度≤0.01m/s
2.1.2 SCARA機器人外形尺寸與工作空間
依據(jù)設(shè)計要求，SCARA機器人的外形尺寸如圖2一1所示，工作空間如圖2一2。
圖2一1 SCARA機器人的結(jié)構(gòu)圖
圖2一2 SCARA機器人的軸側(cè)圖
圖2一3 SCARA機器人的軸側(cè)圖
2.1.3 SCARA機器人的總體傳動方案
目前，機器人的傳動系統(tǒng)中主要是使用VR減速器或諧波減速器。VR減速器是近幾年發(fā)展起來的以兩級減速和中心圓盤支撐為主的全封閉式擺線針輪減速器，與其它減速方式相比，VR減速器具有減速比大、同軸線傳動、傳動精度高、剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，適用于重載、高速和高精度場合。諧波減速器也具有傳動比大，承載能力大，傳動精度高，傳動平穩(wěn)，傳動效率高，結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕等優(yōu)點，而且相對于VR減速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本設(shè)計中采用諧波減速機。SCARA機器人大小臂均要承受軸向壓力和傾覆力矩，所以大臂和小臂均采用諧波減速機加推力向心交叉短圓柱滾子軸承結(jié)構(gòu)。而推力向心交叉短圓柱滾子軸承剛度高，能承受軸向壓力與徑向扭矩，與諧波減速機配合正符合SCAAR機器人大小臂高剛性及高的抗傾覆力矩的要求。這樣有利于縮短傳動鏈，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計〔伙，。由于主軸處于機器人小臂末端，相對線速度大，對重量與慣量特別敏感，所以傳動方式要求同時實現(xiàn)Z軸方向直線運動和繞Z軸的回轉(zhuǎn)運動，并要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。經(jīng)過比較，選擇同步齒形帶加滾珠絲杠來實現(xiàn)Z軸上下運動，而用同步齒形帶加帶鍵的滑動軸套來實現(xiàn)Z軸旋轉(zhuǎn)運動。
大臂回轉(zhuǎn):步進電機1一>諧波減速器一>大臂
小臂回轉(zhuǎn):步進電機2一>諧波減速器一>小臂
主軸垂直直線運動:步進電機3一>同步齒形帶一>絲杠螺母一>主軸
主軸旋轉(zhuǎn):步進電機4一>同步齒形帶一>花鍵一>主軸
2.2機器人關(guān)鍵零部件設(shè)計計算
2.2.1減速機的設(shè)計計算
大臂的轉(zhuǎn)動速度為角速度≤1.8rad/s，電機初選四通步進電機，兩相混合式86BYG250B一0402。最高轉(zhuǎn)速為30OORPM，設(shè)計電機按1500RPM工作，則:
初選諧波減速器為北京中技克美諧波傳動有限責任公司的機型為60的XB3扁平
型諧波減速器，其傳動比可以是100(XB3一60系列組件的規(guī)格和額定數(shù)值見下表)
表2一2XB3一60一100的規(guī)格和額定數(shù)值表
機型
速比
最高輸入轉(zhuǎn)速rpm
輸入轉(zhuǎn)速3000rpm
半流體潤滑脂
油潤滑
輸入功率
Kg
輸出功率
kg
輸出扭矩
N.m
60
100
30000
50000
0.145
30
30
2.2.2電機的設(shè)計計算
軸(機座旋轉(zhuǎn)軸)的等效轉(zhuǎn)動慣量為
式中:初擬機座的外徑為150mm，內(nèi)徑為100mm，帶輪直徑60mm，寬40mm.
設(shè)諧波減速器轉(zhuǎn)動慣量 電機的轉(zhuǎn)子慣量86BYG250B一0402電機的轉(zhuǎn)子慣量15409.
因此自由度弓傳動系統(tǒng)上所有慣量折算到電機軸1上的等效慣量為
電機軸扭矩為T=
因為所選材料的摩擦系數(shù)f=0.002
取響應(yīng)時間△T=o.045，則
所選兩相混合式步進電機86BYG25OBN一0402電機在3O00rpm時扭矩為06N.m，滿足要求，其余幾個電機的選擇計算類似，第二自由度選擇86BYG25OAN，第三和第四自由度是兩個56BYG25OB。
表2一3步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)
序號
型號
相數(shù)
步距角
（。）
靜態(tài)相流
（A）
相電電阻
相電感
(mH)
保持轉(zhuǎn)矩
(Nm)
定位轉(zhuǎn)矩
(Nm)
重量
(Kg)
1
86BYG250BN
2
0.9/1.8
4
1.1
11
5.0
0.08
2.6
2
86BYG250BN
2
0.9/1.8
3.6
0.9
7.2
0.4
0.08
1.5
3
56BYG250B
2
0.9/1.8
2.4
0.9
2.4
0.65
0.03
0.48
2.2.3同步齒型帶的設(shè)計計算
考慮到整體結(jié)構(gòu)，選擇一對直徑60unll左右的帶輪同步齒型帶傳遞的設(shè)計功率隨載荷性質(zhì)、速度增減和張緊輪的配置而變化。令凡為考慮載荷性質(zhì)和運轉(zhuǎn)時間的工況修正系數(shù)，KZ為考慮增速的修正系數(shù)，K。為考慮張緊輪的修正系數(shù)。
設(shè)計功率為:
(2) 選擇帶型和帶輪節(jié)徑及齒數(shù)參照“同步帶選型圖”選擇帶型為L型，則選擇帶輪20L050，節(jié)
(3) 徑60.64unll，外徑5988mm，齒數(shù)為20，節(jié)距P。=9.525mm。接下來驗算帶速，同步帶傳動速度為
查表知L型帶帶速限制為Vmax=40—50m/S.所以帶輪滿足要求。
(3)同步帶的節(jié)線長度Lp，齒數(shù)Zb及傳動中心距
初選中心距
取
=89.7702
(4)確定實際嚙合齒數(shù)Zm
(5)確定實際同步帶寬度
選取同步帶的寬度為12.7mm，帶輪寬度為14+2mm
2.2.4滾珠絲杠副的設(shè)計計算
(1)最大工作載荷計算。
工作最大負載F z =15N，沿Z軸方向，即絲杠軸向。因此，滾珠絲杠的進給抗力，即最大工作載荷Fm為
設(shè)橫向工作載荷為月Fy=0.5Fz=7.5N 為導(dǎo)桿和軸套之間的摩擦系數(shù)，=0.15。
因此，絲杠最大工作載荷為
(2)最大動負載C校核滾珠絲杠最大動負載
L為工作壽命，L=60Nt/;n為絲杠轉(zhuǎn)速，
，T為額定使用壽命(h)，取T=60x3000x15000/=2700. 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊，=1.2，因此
，查表知FF1204-3的額定動負載，安全裕度為。靜載校核因工作載荷很小，肯定滿足條件。因此，對于該自由度的傳動系統(tǒng)的計算及校核可以省略。
(3)剛度驗算
絲杠的拉壓變形量為δ1=式中:L為滾珠絲杠在支撐間的受力長度，取L=1mm;E=20.6x MPa;絲杠底徑dl近似為外徑和滾珠直徑之差，即=d-，絲杠外徑d=-(0.2一0.25) ，絲杠名義直徑已知12mm，查表知滾珠直徑=2.38lmm，因此絲杠底徑為=9.5mm,A=Л，于是拉壓變形量為δ1=16.125x120/(20.6x x70.84)=1.326x 該變量可以忽略不計，因工作載荷很小，滾道接觸變形量從略。
(4)壓桿穩(wěn)定性驗算。
失穩(wěn)時的臨界載荷
采用兩端固定的支承方式，查表知支承方式系數(shù)關(guān)刃.25;I為截面慣性矩，I=Л/64=1091.18
L=12Omm。因此，F(xiàn)k=0.25xЛxЛx20.6x 1091.18/120=3.85 x N，因工作負載很小，壓桿不會失穩(wěn)。
(5)傳動效率計算
η=tg入/tg(入十Φ)
根據(jù)初選滾珠絲杠型號查表只知螺旋升角入=4o33’，摩擦角一般約為10’，則
η=tg40o33’/tg44o33’=0.96，傳動效率高。
2.3大臂和小臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖2一5大臂裝配結(jié)構(gòu)圖所示，機器人大臂10的驅(qū)動電機8和諧波減速器7直聯(lián)后安裝在機器人大臂內(nèi)部。諧波減速器7的輸出軸銑成方形插入底座14內(nèi)，底座14通過螺栓13固定在機座1上。同時推力向心交叉短圓柱滾子軸承的內(nèi)圈通過螺栓n與連接板5聯(lián)結(jié)在一起，連接板通過螺栓6聯(lián)結(jié)在大臂上，推力向心交叉短圓柱滾子軸承的外圈通過螺栓2與機座1聯(lián)結(jié)在一起。當電機軸旋轉(zhuǎn)時，受到固定限制的減速器輸出軸不能轉(zhuǎn)動，從而電機和減速器以及大臂反向旋轉(zhuǎn)。這樣機器人大臂就可以繞機座中心軸相對固定機座轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動方向與減速機輸出軸轉(zhuǎn)向相反。同時在圓周方向，固定基座應(yīng)該安裝兩個極限行程開關(guān)4和兩個限位擋塊，而運動體則要安裝壓板和行程觸發(fā)塊12，以限制大臂在規(guī)定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以免機器人小臂部分在運動空間之外與其他設(shè)備或部件碰撞【g〕。
圖2一5大臂裝配結(jié)構(gòu)圖
圖2-6小臂裝配結(jié)構(gòu)圖
采用模塊化設(shè)計方法，小臂與大臂裝配結(jié)構(gòu)類似。機器人小臂電機也安裝
在小臂內(nèi)部，這樣雖然增加了小臂慣量，但有利于簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件制造
工藝。傳動原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計與大臂類似，小臂裝配結(jié)構(gòu)圖略。由于三四關(guān)節(jié)所
有導(dǎo)線都要通過關(guān)節(jié)二外殼罩，所以在小臂與三四關(guān)節(jié)殼罩之間增加一段導(dǎo)線
管用來通三四關(guān)節(jié)導(dǎo)線171
2.4腕部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖2一7腕部裝配結(jié)構(gòu)圖
1.下端蓋 2.滑塊 3.軸承套 4.絲桿 5.導(dǎo)桿 6.步進電機 7.滾珠螺母及導(dǎo)軌滑塊 8.腕部機殼 9.步進電機 10.同步齒形帶 11.腕部上端機殼 12.制動塊 13.導(dǎo)桿 14.同步齒形帶 15.軸承套 16.密封圈 17.主軸
腕部裝配結(jié)構(gòu)圖如圖2一7所示。為了便于加工及保證精度，把安裝滾珠絲杠一端的端蓋3及支撐上端蓋的殼體(圖中未標出)設(shè)計成分離式結(jié)構(gòu)，依靠殼體兩端面與小臂及上端蓋配合面來保證絲杠與主軸平行度。由于同步齒形帶要能調(diào)整中心距及帶張緊力，因此電機6先安裝在電機連接板上，然后再把連接板及上端蓋固定在一起，上端蓋用來連接電機連接板的四個孔，螺栓在兩個帶輪中心線方向上可以進行微調(diào)。這樣在裝配時可對兩帶輪中心距及帶張緊力進行調(diào)整。對于電機13直接連接在滾珠螺母與導(dǎo)桿滑套上，這樣電機可隨著主軸一起做直線運動。由于滾珠絲杠沒有自鎖功能，Z軸方向又是負載作用力主方向，受結(jié)構(gòu)尺寸限制無法在電機6上加抱閘，因此在滾珠絲杠頂端安裝一個制動器來鎖住滾珠絲杠，斷電時自動鎖死，避免滾珠絲杠在斷電時發(fā)生滑動。滾珠絲杠兩端都選用向心推力球軸承，此類軸承存在軸向游隙，可以防止絲杠軸向跳動，提高主軸傳動精度。滾珠螺母與滾珠螺母支架相連接，主軸通過兩個推力球軸承安裝在滾珠螺母支架上，主軸頂端用兩個小圓螺母加以鎖緊。導(dǎo)柱2,是否需要還有待實驗進一步驗證。主軸升降通過限位開關(guān)控制其行程，所以在螺母支架上安裝有一擋塊，在上端相應(yīng)位置安裝有接近開關(guān)，這樣主軸離端蓋一定距離時就有信號通知運動控制器，限制該方向運動。在滾珠絲杠下端添加一個防撞的橡膠墊圈，避免滾珠螺母與小臂上表面發(fā)生剛性碰撞。
2.5小結(jié)
SCARA機器人大臂和小臂結(jié)構(gòu)相同，基本上實現(xiàn)模塊化設(shè)計，符合發(fā)展趨勢; 三個模塊相互獨立、結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于S以AR平面關(guān)節(jié)式裝配機器人設(shè)計，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機器人前端轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計。三四關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用結(jié)構(gòu)空間，能同時實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)運動與直線運動，主軸直線運動距離為100mm，而整個模塊在主軸方向高度約為4O0mm左右。同時，三四關(guān)節(jié)的電機軸與主軸不在同一直線上，也有利于結(jié)構(gòu)布局，所以該模塊也可應(yīng)用在一些對精度和結(jié)構(gòu)尺寸都有要求的組合運動結(jié)構(gòu)設(shè)計中。
第三章SCARA機器人的位姿誤差建模
設(shè)計一個開放式的機器人系統(tǒng)，其中關(guān)鍵技術(shù)之一就是對相應(yīng)的機器人本體的運動學進行分析并建立相應(yīng)的運動學模型。本章系統(tǒng)地描述了平面關(guān)節(jié)型ScARA機器人的運動學和位姿誤差模型的建立。在Denavit一Hartenberg參數(shù)法建立的機器人末端位姿變換方程的基礎(chǔ)上，利用機構(gòu)通用精度算法建立了機器人末端位姿誤差模型。通過矩陣運算，建立了機器人末端位姿誤差與各桿件運動學參數(shù)誤差之間的函數(shù)關(guān)系式。用此方法建立的誤差模型進行誤差標定和補償，可以提高機器人的定位精度。這對開發(fā)開放式機器人系統(tǒng)有重要的參考價值。
3.1基于機構(gòu)精度通用算法的機器人位姿誤差建模
機器人位姿誤差建模方法歸納為矩陣法和矢量法兩大類型，其中矢量法又分為矢量分析及螺旋變換法和攝動法，運用精度平衡方程式和回轉(zhuǎn)變換張量方法等【2】【5】機器人運動學Denvait一Hartenberg參數(shù)法坐標變換中坐標變換矩陣A，及手臂變換矩陣筍都是不考慮各運動學參數(shù)誤差的理想變換，但實際應(yīng)用中，無論機器人制造精度多高，都會由于各種原因引起機器人運動學參數(shù)誤差，影響
機構(gòu)通用精度算法是一種既不需要求導(dǎo)也不需要建立機構(gòu)傳動方程的通用算法，具有通用性廣，計算量小和精確度高等優(yōu)點，由于其算法模型與前面所建立的機器人位姿變換模型正好適合，因此，利用這種算法建立機器人位姿誤通用精度算法基本思路是:任何具有精度要求的機構(gòu)系統(tǒng)是一個有機聯(lián)系差模型。
整體，如果系統(tǒng)構(gòu)件中有原始誤差存在，必然要影響從動件運動軌跡，從而產(chǎn)生機構(gòu)位置誤差，而任何原始誤差影響均可視為構(gòu)件本身坐標系產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動或移動，至于機械系統(tǒng)精度通用數(shù)學模型可以應(yīng)用空間坐標變換原理，并通過所對應(yīng)的構(gòu)件運動變換矩陣與位置誤差矩陣連乘疊加來表達。通用精度算法的坐標變換推導(dǎo)過程完全類似于機器人坐標變換坐標推導(dǎo)過程，這里不再敘述，僅給出其結(jié)論，并將其結(jié)論進行整理變化后應(yīng)用于機器人位姿誤差計算，建立機器人位姿誤差變換模型
3.2機構(gòu)精度通用算法
設(shè)某個機構(gòu)由n個運動構(gòu)件和一個固定構(gòu)件組成，若將起始坐標系S。建立在固定構(gòu)件上，坐標系S，建立在運動構(gòu)件(ii=，2l，…n)上。運動構(gòu)件n的坐標系凡，為目標坐標系。坐標系又_，與s;間變換矩陣為A，，以向量價二x(，y，習)(與機器人齊次變換矩陣規(guī)定一樣)表示點P在坐標系s，中位置，則由坐標間位姿變換可知目標坐標系況，中某點P在各坐標系S，中的向量乙，應(yīng)有如下關(guān)系式:
(3.2)
為目標坐標系與起始坐標系之間運動變換矩陣。
對于坐標系，，…，，中的任意一個坐標系，若存在若干種誤差，則使
坐標系變成，司原點在中位置坐標為(dx，dy，dz)，其三個坐標軸相對三個坐標軸分別有偏轉(zhuǎn)角，則坐標系與的變換矩陣為 (3.2.2)
展開上式，考慮到各誤差項數(shù)值比較小。
所以取
，并忽略二階及三階
以上誤差項，可得誤差矩陣
（3.2.3）
所以點P在，中坐標向量式與關(guān)系為
式中:E一單位矩陣。
其中:
1）：相當于坐標系 繞本身軸X，Y，Z微小轉(zhuǎn)角。
2）：相當于坐標系沿本身軸X，Y，Z微小偏移量。
若各坐標系均存在誤差矩陣，則使目標坐標系中點P變成，其
在各坐標系中的坐標向量…，應(yīng)具有如下關(guān)系:
（3.2.5）
將表達式展開，并略去高階誤差項?？傻?
（3.2.6）
(3.2.7)
上式即為機構(gòu)精度通用計算公式。
3.2.2通用機器人位姿誤差模型
3.2.2.1機構(gòu)通用精度模型與機器人位姿誤差模型的聯(lián)系
上面雖推導(dǎo)出機構(gòu)精度的通用計算公式，但由于位置向量 =x(，y，z，1)只包含機構(gòu)的位置，在一般的機構(gòu)分析中并不需要姿態(tài)向量，所以包含位置向量也就夠用，但在機器人位姿表達中，除了位置外還必須包含姿態(tài).所以必須對上述通用精度計算公式進行擴展，以符合機器人位姿表達
前面介紹的坐標變換矩陣A，及手臂變換矩陣名T都是不考慮各關(guān)節(jié)運動學參數(shù)誤差的理想變換，而在實際應(yīng)用中，各運動學參數(shù)還是存在誤差，因此可以把機器人位姿誤差轉(zhuǎn)化為這些運動學參數(shù)誤差，認為機器人位姿誤差中靜態(tài)部分都是由于這些參數(shù)誤差引動。
沿用上面推導(dǎo)思想，只是不再直接用向量 =x(，y，z，1)來表示坐標系中參考點P在坐標系中位置，而是先考慮點P所在坐標系原點在坐標系中位姿，求由于桿件i運動學參數(shù)誤差所造成又原點在坐標系中位姿誤差。利用與上面相同思想推導(dǎo)出末端關(guān)節(jié)坐標系原點在基坐標系中位姿誤差.最后再乘以點P在坐標系中位姿變換(也用矩陣表示)即得到點p的誤差表達式。在建立機器人運動學誤差模型時，這個點p即為工具坐標系t的原點(設(shè)這個原點為工具作用點).
最后所得p在基坐標系中位姿誤差即為工具(末端執(zhí)行器)作用點位姿誤差。
3.2.2機器人位姿誤差模型的建立
用及分別代表連桿i的理想變換矩陣和實際變換矩陣，代表理想變換矩陣和實際變換矩陣之差，則考慮誤差影響時相鄰坐標系的真實變換矩陣為:
（3.2.8）
設(shè)沒有誤差時，桿件i坐標系變換后的坐標系為，類似公式(3.2.4)推導(dǎo)過程，由于存在若干種誤差，坐標系又進行一次變換，變成坐標系，這時坐標系相對存在位姿誤差即原點在坐標系為其三個坐標軸相對的三個坐標軸分別有偏轉(zhuǎn)角由公式(.3.22)可得坐標系相對的變換矩陣為。
而相對桿件I一1坐標系的變換矩陣應(yīng)左乘以相對，的實際變換矩陣，考慮到誤差比較小，在這里可以用來替代，所以由誤差引起的誤差變換矩陣為
（3.2.9）
把公式(3.2.9)代入(3.2.8)，則桿件i誤差模型為:
（3.2.10）
所以 （3.2.11）
式中可由公式（3.2.10)求得
（3.2.12）
機器人末端連桿相對于基礎(chǔ)坐標系的實際變換矩陣(表示實際變換矩
表示理想變換矩陣)，忽略二階及二階以上誤差項的高階項后為:
（3.2.13）
由公式(3.2.13)可得
（3.2.14）
上式只是機器人第n個關(guān)節(jié)(與末端執(zhí)行器固接)坐標系原點位姿誤差矩
陣，要計算末端執(zhí)行器位姿誤差，必須右乘一個工具坐標系t相對第n個關(guān)節(jié)
坐標系的變換矩陣，因為末端執(zhí)行器坐標系相對關(guān)節(jié)n坐標系是固定不動，
則假定變換矩陣不存在誤差，機器人末端執(zhí)行器位姿誤差矩陣為
（3.2.15）
這時與通用機構(gòu)精度計算公式就統(tǒng)一了，若假定末端執(zhí)行器坐標系相對第n
個關(guān)節(jié)坐標系的運動學參數(shù)也存在誤差，則變換矩陣存在誤差，只要把式(14)
中n改為n+1即可，這里n+1代表末端執(zhí)行器。
在式(3.2.15)中雖然有結(jié)果，但這個結(jié)果表達式太復(fù)雜，不利于理解與后
面標定時應(yīng)用，下面直接用矩陣推導(dǎo)進行計算，類似式(3.2.10)推導(dǎo)，由式
(3.2.15)可得
（3.2.16）
為的誤差矩陣，其表達式為:
（3.2.17）
其中:為機器人末端位置、姿態(tài)誤差，其具體表達式推導(dǎo)如下：
由公式
求得
（3.2.18
由得
（3.2.19）
可以認為是由微分運動矢量所組成，其中得前三個元素為位置誤差，后三個元素為姿態(tài)誤差。矢量為
（3.2.20）
用了來表示桿件的實際誤差，則上式可表示為
（3.2.21）
其中為誤差系數(shù)矩陣。
上式(3.2.21)表示由于桿件i運動學參數(shù)誤差所造成的微分變化，由于要
對機器人末端手臂工具坐標系進行實際測量。需將誤差變換到手臂末端工具
坐標系上，由于桿件i到手臂末端工具坐標系的微分變換可將式(3.2.21)誤差
變換到手臂末端工具坐標系上。若有桿件i到手臂末端工具坐標系的T變換
矩陣如下:
（3.2.22）
則有桿件i到末端工具坐標系的微分變換將e，變換到手臂末端工具坐標系:
（3.2.23）
記為: （3.2.24）
式中
表桿件i運動學參數(shù)誤差變換到手臂末端工具坐標系t上的誤差矢量。
表桿件i運動學參數(shù)誤差所造成的微分變化。
稱為桿件i到手臂末端工具坐標系t的雅可比微分變換矩陣。
其中，則有
所以
（3.2.25）
由上面各式可得機器人末端位姿總誤差。e為各桿件運動學參數(shù)誤差變換
到手臂末端工具坐標t上的誤差矢量之和，即:
（3.2.26）
式中為單位矩陣。式(3.2.26)假定工具坐標系相對末端連桿坐標
系也有運動學參數(shù)及相應(yīng)的參數(shù)誤差存在。
若直接考慮末端執(zhí)行器相對末端連桿坐標系6個相應(yīng)位姿誤差時，則式
(3.2.26)中
3.3 小結(jié)
本文所建立的機器人末端位姿誤差計算模型不需要進行求導(dǎo)，只需進行相
應(yīng)的矩陣乘法運算，采用矩陣變換直接推導(dǎo)出機器人末端位姿誤差與運動學參
數(shù)誤差的函數(shù)關(guān)系式，簡單實用。得出的結(jié)論也有利于后面進一步研究中的誤
差標定。由于位姿變換方程與位姿誤差模型都建立在坐標系變換基礎(chǔ)上，所以
該位姿變換方程與位姿誤差模型同樣適用于運動部件間存在坐標變換的復(fù)雜系
統(tǒng)，如加工中心或數(shù)控機床中加工刀具與零件之間誤差傳遞計算等。
總結(jié)
.
隨著機器人技術(shù)的進一步發(fā)展，其應(yīng)用必將越來越廣泛。機器人學這門課程必將越來越重要，實驗設(shè)備的缺口也必然越來大。研制教學機器人是很有必要的。目前本設(shè)計所完成的主要工作是:
在分析設(shè)計要求的基礎(chǔ)上提出SCARA機器人總體設(shè)計方案;用三維造型軟件完成四自由度SCARA機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成機器人整體裝配圖及主要零部件的工程圖繪制。
所設(shè)計SCARA機器人基本上實現(xiàn)模塊化設(shè)計，符合發(fā)展趨勢。三個模塊相互獨立、結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、精度高、可靠性高，不僅適用于SCARA平面關(guān)節(jié)式裝配機器人設(shè)計，其一二關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)同樣適用于其他關(guān)節(jié)式機器人前端轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)設(shè)計。采用特殊軸承和特殊的傳動結(jié)構(gòu)解決了機器人的抗傾覆問題，這種特殊結(jié)構(gòu)有益于提高系統(tǒng)機械性能。
分析了SCARA機器人的運動學正解和逆解。建立了機器人末端位姿誤差計算模型。該模型不需要進行求導(dǎo)，只需進行相應(yīng)的矩陣乘法運算。該位姿變換方程與位姿誤差模型同樣適用于運動部件間存在坐標變換的復(fù)雜系統(tǒng)。
在此很高興能有這么好的學習機會，讓我從中學會了很多新的知識。在整個設(shè)計過程中可能有欠缺的地方，望老師予以批評指正。不勝感激。
參考文獻
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致謝
本文是在尊敬的導(dǎo)師許瑛教授的精心指導(dǎo)下完成的。許老師師淵博的學識、開闊的視野、敏銳的洞察力、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、求實創(chuàng)新的工作作風，永遠是我學習的榜樣，也將始終引導(dǎo)和激勵著學生在科學技術(shù)的殿堂里探索前進。老師令人敬佩的平易近人的處世方式也為學生樹立了榜樣。學生所取得的每一點點成績和每一次的進步，無不凝聚著老師大量的心血。在此論文完成之際，謹向許老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝,和幫助，在此向桂老師表示衷心的感謝。桂老師全面活躍的思維方式、一絲不茍的治學態(tài)度和勤奮務(wù)實的工作作風給我留下了深刻的印象，并將使我受益終生。感謝我的家人。他們的支持和理解是我完成學業(yè)的前提和動力。沒有他們的支持我不可能順利完成我的學業(yè)。值此論文完成之際，向所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學和親友致以深深的謝意和美好的祝福。
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