1.4 SCARA机器人的研究意义
1.4.1 SCARA机器人的研究意义 目前，国外已有各种专用和通用的装配机器人在生产中得到应用，主要类型大致有直角坐标型、圆柱坐标型和关节型三大类。关节型装配机器人又有垂直关节型 (即空间关节型)和平面关节型 (即SCARA型)两种。拒统计资料介绍，在这些装配机器人中，平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，SCARA机器人约占3/4左右。其主要应用领域为电子电气业、家用电器业、精密机械业。从事印刷电路板上电子元器件的插入作业;家用电器及仪器仪表的组装作业:小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说，SCARA型机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。
随着社会需求的增大和技术的进步，装配机器人将会得到迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，将是推动装配机器人发展的直接动力。近年来计算机、CIMS及柔性 自动装配系统等的发展，又为装配机器人的应用和发展提供了良好的可能性。1972年我国开始研制机器人，但发展缓慢，受经济、观念等因素的制约 ，基本没有什么应用，直到 1986年，沈阳机器人研究所成立，中国的机器人才向实用阶段发展。随着国内教育和科技的发展，哈工大等高校出现了专门的机器人机构，研究水平在某些方面己达到国际先进水平。在应用方面，一汽等大型企业己开始使用机器人自动化生产线。但总体来说，国内机器人发展还是趋于落后，特别是在应用方面发展缓慢。究其原因，除了经济因素的制约外，很重要的一点是有关机器人的教育跟不上，知道机器人的人很多，但真正了解、懂机器人的人少而又少，这就使我国的机器人发展缺乏智力支持，加强机器人技术教育，缓解人才危机迫在眉睫。而研制结构简单、成本较低 SCARA 机器人用于教学可以提高教育的现代化水平，用于实际生产可以大大提高工作效率，还可以用于科学研究工作，为开发更先进的装配机器人提供有利条件，随着我国经济和科技的发展，我们有能力也有必要进行这方面的研究
1.4.2 SCARA机器人的特点
根据工作环境、工作特点等要求，本 SCARA机器人应具备以下几个特点: 1.外形美观，适于观察。
如果作为示教用机器人应该让观看者赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动作原理。故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳应采用透明材料，内部结构应简单明了，另外，机器人的动作应连续，速度适中。
2.成本低
在满足所要求功能的前提下 ，尽可能降低成本，这是设计的基本要求.如果作为教学用机器人只要求有一些示范性动作，而对实践的功能要求不高，速度等参数可在一定范围内调整，定位精度要求也不高，故机构尽可能采用规则件、标准件，驱动元件采用便宜的步进电机，而光电码盘等测试校验元件则可不用，其功能由软件部分实现补偿。这样，结构大大简化，成本也随之降低。 3.体积小 ，重量轻
SCARA机器人要求抓取重量不大，动作范围也很小，故体积很小，展开应在60x80cm2左右。要实现 SCARA机器人的四个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。重量轻是机器人研制的一个方向，在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。 4.传动原理简单
本SCARA机器人采用步进电机驱动，速度要求不高，故减速比可在一定范围内调整 ，
只要能满足转矩即可。选择减速方案可根据空间结构要求 ，跨距转大的传动可选用同步带传动力求一步到位，传动简单。 1.5本文的研究内容
SCARA机器人为平面关节型机器人，一般采用步进电机驱动，控制简单，编程方便。主要应用于电子产品中异形元件装配，小型机电产品如电机、空压机、电器、泵类等的装配工作，是一种小型经济型机器人。该机器人的突出特点是机构承载能力强，具有较好的通用性，重复定位精度高，动作速度快，应用范围广。该论文涉及计算机技术、电子、机械等多学科的知识，主要完成了以下的工作:
1. 在进行充分的课题可行性论证及详细的理论计算之后，用AutoCAD等计算机图形辅助设计软件完成了 SCARA机器人的机械本体结构设计。为了满足灵活性强、工作空间大、重量轻及结构紧凑等工作要求，将其设计为具有三个转动关节的机器人。
2．建立了SCARA机器人的运动学数学模型，得到了运动学方程的正解和反解，并在运动学分析的基础上，求得了SCARA 机器人的雅可比矩阵。
第二章 SCARA机器人结构设计 2.1 SCARA机器人传动方案的比较及确定 初步确定以下两种可行方案： 方案一：
大臂转动采用谐波减速，小臂转动采用二级同步带减速，升降轴采用丝杠螺母传动，手腕转动采用步进电机直接驱动。这种方案主要考虑了传动链的简化，结构比较简单易行。 方案二：
大臂转动采用齿轮减速，小臂转动采用二级同步带传动，升降轴采用一级齿带传动加齿轮齿条实现升降运动。 方案一具有以下特点 :
1.第一个自由度采用谐波减速器，适合结构特点，减速比大、体积小、重量轻、精度高、回差小、承载能力大、噪音小、效率高、定位安装方便，由于使用标准件，价格也不高。 2.第二个自由度采用二级同步齿形带减速，充分利用了大臂的空间，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率较高，但对安装有一定要求，需加调整装置。
3.第三个自由度采用丝杠螺母传动。电机直接驱动丝杠螺母传动的同时兼有减速的作用，一步把旋转运动转变为直线运动，传动精度较高，丝杠有自锁功能，速度不宜过高。 方案二具有以下特点:
1.第一个自由度采用齿轮减速，这是最常用的减速方法，传动比恒定，传动效率高，工作可靠，使用寿命长，结构紧凑，传递功率大，但传动精度低，噪音大，传动比小。齿轮的加工成本比较高，体积和重量都比较大。
2.第三个自由度采用了齿带加齿轮齿条传动，基本具备齿轮传动的特点，传递功率大，传动效率高，精度低，有噪音，传动比小，工作可靠，但需要平衡装置，不能自锁。
3.其它方面与方案一基本相同。
两方案相比较，在传动的实现上，二者都是可行的。方案一结构比较简单，各传动元件的定位比较容易实现;方案二结构较为复杂，各部分定位都需仔细考虑。外观上，方案二显得更好一些。传动精度方面，显然方案一比较高。成本上考虑，方案一采用标准件较多，零部件较少，且比较规则，易于加工，丝杠螺母在精度要求不高的情况下，加工成本也不是很高;方案二用了很多齿轮，需专门设备加工，且各定位部件形状不规则，加工困难，这都使成本增加。故综合考虑，选择方案一。
机器人驱动方案的对比分析及选择:
对机器人驱动装置的一般要求如下:
1.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率 (即功率/重量比)要高，效率也要高; 2.反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大; 3.动作平滑，不产生冲击;
4.控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小; 5.安全可靠;
6.操作和维护方便;
7.对环境无污染，噪声要小;
8.经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。 通常的机器人驱动方式有以下四种 :
1.步进电机:可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉;通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制;位置误差不会积累;步进电机具有自锁能力 (变磁阻式)和保持转矩 (水磁式)的能力，这对于控制系统的定位是有利的，适于传动功率不大的关节或小型机器人 。
2.直流伺服电机:直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。
3.交流伺服电机:交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管 GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用 16位 CPU+32位 DSP三环 (位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。
4.液压伺服马达: 液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。 SCARA机器人负载并不大，决定了机器人必须重量轻 (10~20Kg)，另外其作业范围也不大，所以机器人必须体积小。对此机器人，这些特点决定了它的驱动方式。又通过以上比较，由于步进电机的诸多优点，初选上述方案中的步进电机方案进行详细的计算和选择，并在此基础上参考同类机器人的驱动方案，最后确定一种适合我国国情的实施方案。
SCARA机器人两个关节均选用步进电机驱动。机器人大臂，小臂均采用了二级齿带传动，升降轴采用一级齿带加齿轮齿条实现升降运动。
2.2 各自由度步进电机的选择
本机器人前两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。下面估算一下绕机器人臂的旋转轴的转动惯量，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1,JG2,JG3根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:
J1=JG1+ m1 1 12+JG2+m2 122+ JG3 + m3l32 (2-1)
其中，m1, m2, m3分别为大臂，小臂, 腕部的质量为3kg,0.8kg,4kg 。1 1, 12, l3分别为各重心到第一关节处的距离，其值为150mm ,450mm,550mm。
在式(2-1)中，JG1≤m1 1 12，JG2< 所绕第一关节轴的转动惯量为: J1= m1 1 12+ m2122+ m3l32 =3×0.152+0.8×0.452+4×0.552 (2-2) =1.44 kg.m2 同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: J2= m2 1 42+ m3 l52 =0.8-0.12+4×0.22 =0.168kg.m2 (2-3) 式中： l4 小臂重心距第二关节轴的水平距离 mm。 l5 腕部重心距第二关节轴的水平距离 mm。 2.2.1 第一自由度步进电机的选择 设大臂速度为ω1=300/s，使机器人大臂从ω0=0到ω1=300/s所需的时间为:△t=0.ls, 则同步带应输出转矩为: （2-4） 设安全系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为:η=85% 。则电机所需输出力矩为: T=(2×T1)/i×η2=20 N m （2-5） 选择步进电机 型号： KP8M2-037 步距角：1.80 最大启动力矩:2.68 kg cm 2.2.2 第二自由度步进电机的选择: 设小臂速度为ω2=150/s, 角速度从0到ω2 所需加速度时间△t=0.2s, 则同步带应输出转矩为: T2= J2 ×ω2 = 0.22 N m （2-6） 设安全系数为2，同步带减速比i=10，同步带传动效率为:η=85% 。则电机所需输出力矩为: （2-7） 选择步进电机 型号： KP56LMS2-1 步距角：1.80 最大启动力矩:3.33 kg cm 2.2.3 第三自由度步进电机的选择 丝杠螺母传动,实现腕部的升降,设丝杠轴向承载总和为: Q=34.3N。 丝杠基本参数选择: 螺纹牙形: 梯形螺纹，β=300 螺 距 : P=2mm 公称直径: d=10mm, 中 径: d =9.5mm 摩擦系数: f=0.1 螺旋升角为: λ=arctgP/(πd2)=arctg2/(9.5π)=3.8340 (2-8) 当量摩擦角为: (2-9) 螺纹阻力矩为: T1=d2/2 Q tg(λ+ρˊ)=9.5/2 ×34.3×tg(3.8340+5.9110)=0.031N m (2-10) 螺纹所受摩擦力矩为: T2≈fc Q Dm/2 （2-11） 式中: fc ----摩擦系数，取0.1 Dm---- 支撑面平均直径,此例中取螺母内外径和的一半,即(10+40)/2= 25 mm.带入数据得: T2≈(0.1×34.3×25)/2=0.047N m （2-12） 丝杠所受力矩为阻力矩与摩擦力矩之和,即: T= T1 + T2 =0.031+0.047=0.078 N m （2-13） 安全系数取2,则电机所需最小转矩为: T3=2 T=2×0.078=0.056 N m （2-14） 选择电机型号: KP56LMS2-1 步距角：1.80 最大启动力矩:3.33 kg cm 2.3 同步齿形带传动设计 由2.2.2知,同步带输出转矩为:0.22N m , 输出转速为:ω=150/s,单级传动效率为:η=85%,传动比为:10,取安全系数为k=3,则同步带传递功率为: P=k T ω/η2 =3×0.22×(π/12)/0.852 =0.24w (2-15) 设传动比分配为:第一级传动i1=5, 第二级传动i2=2, 带轮依次为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,则： Ⅳ轮转速： n4=150/s=2.5 r/min Ⅱ、III轮转速: n2=n3=i2×n4=2×2.5=5r/min I轮转速: n1=in4=10×2.5=25r/min 设中心距: L1=100mm,L2=250mm (1)求出设计功率 Pd 由文献[12]表9.3-11查得载荷修正系数 k0=1.6，因为未使用张紧轮,又是减速运动，故文献[12]中表 9.3-11的附加修正系数均为零。则: Pd=k0P=1.6×0.24=0.384 w (2)选择带的节距 由Pd=0.384W和 n1=25r/min，从[12]图9.3-4中查得带的节距代号为XL,对应的节距为Pd=5.08mm (见表9.3-1-2[1])。 (3)确定带轮直径和带节线长 由表9.3-10[1]，带轮 I齿数最小可取 10，考虑到制造和安装等因素，取 Z1=13。则： Z2=i1Z1=5Z1=65 根据【12]表 9.3-6标准系列，取Z2=60 同理可得: Z3=17, Z4=40 重新计算传动比: i1= Z2/ Z1=60/13=4.6 i2= Z4/ Z3=40/17=2.4 i= i1l2=10.8 由表 9.3-6可得 I,II,III,Ⅳ各带轮的直径: d1=21.02mm, d2=97.02mm d3=27.49mm, d4=64.68mm 由[12]式 (15)可得带长计算公式: (2-16) 式中: L---中心距mm Lp---带长 mm