SCARA机器人的设计Word下载.doc
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1.2国内外机器人发展现状和未来的趋势 1
1.3机器人的研究方向 2
1.4SCARA机器人工作原理简介 3
1.5工业SCARA机器人一些关键性机器人简介 4
1.6本文研究的主要内容 7
1.7工业机器人的特点 8
1.8SCARA机器人的特点及意义 8
2SCAAR机器人的功能结构设计 10
2.1SCARA机器人本体的大体结构 10
2.2SCARA机器人的主要技术参数 11
2.3SCARA机器人的传动方案 12
2.4减速机的选用及计算 14
2.5关节4步进电动机的选择原理及计算 16
2.6同步齿型带的选用及计算 17
2.7滚珠丝杠副选用及计算 18
3大小臂结构总体设计 21
4机器人的腕部结构总体设计 22
5机器人的手部的总体结构设计 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
1绪论
1.1引言
机器人是一种能够自主执行各种各样的工作的机械。
因为工业机器人在如今社会运用的最为广泛，所以现在说到机器人，大多是就指的是工业机器人。
工业机器人指的是自主操控的、可以对3及以上个轴进行编程并且可重复编程的多用途的在工业自动化中使用的操作机。
它可以搬运材料、工件或者夹持工具等，完成各种各样的工作。
可重复编程指不更换机械结构或控制系统即可更改已经编程的运动或辅助功能。
在机器人总的范畴内，除了工业机器人在机械制造领域，它被广泛应用于毛胚和工件的搬运、机床上下料、刀具和其他辅具的更换，是机械制造系统特别是柔性制造系统物料运输传递的重要装备，它还广泛应用于装配、喷漆、焊接以及一些加工工作中。
工业机器人可以在极度恶劣的高危环境中进行作业，因此可以很有效的用它们代替了人类。
在一些有污染、有危险或者环境极其恶劣的地方，机器人已经在很大一部分上代替了人类。
诚然，这是个好消息，但是随着时代的变迁，更多的地方需要机器人，需求的功能也越来越多，所以这对我国的机器人也是一项严酷的考验。
如今，机器人慢慢向第三产业发展，我们不难发现在很多地方都能看到机器人的身影。
机器人在我们的日常生活中的地位已经越来越重，几乎快到了无法替代的地步。
1.2国内外机器人发展现状和未来的趋势
（1）国内的市场需求日益增长，但大多为进口。
工业机器人的需求在近些年日益增长。
特别是从2010年起至今，需求量的增长非常迅速。
但是受各方面因素的影响，我国近百分之七十的工业机器人仍然要依靠进口才能满足我们日益增长的需求。
（2）生产产业化有显著的提高，但是仍然处于初级阶段
在日益增长的需求和国家的鼓励政策的引导下，我国很多公司开始了自主研发或合作研发共同进步的步伐。
经过这些年的不断努力，如今已步入初步产业化阶段。
一些产品已经投放市场，但是由于部分关键技术难以攻克的原因，我国自制的工业机器人总是存在些许不足，例如加工的精度和生产速度，因此我国很难大规模高效率低成本的生产工业机器人。
综上，我国的工业机器人产业还需要很长时间的发展，如今只能依靠大规模的进口来满足日益增长的需求。
（3）局部领先，总体乏力
我国如今已经基本掌握了工业机器人的总体生产方式，甚至在一些方面已经达到了国际的尖端水平，开发出了例如喷漆、弧焊、搬运等机器人。
但是总体乏力，水桶效应明显，短板亦很明显，因此与国外相比，我国只处于尖端国家二十年前的水平。
（4）国内品牌乏力
我国的企业跟国外比起来市场占有率低的可怜，举个例子：
仅FANUC一家公司，在我国的市场占有率就高达令人震惊的23%，强势取得四分之一，这不得不引起我们的深思，我国除了技术方面的不足，还差些什么。
（5）关键技术方面还很不足
虽然我国现在能自主生产工业机器人，甚至开发出了一些国际尖端的机器人，但是在关键技术方面仍然受制于人，落后就要挨打这是血淋淋的事实。
特别是高性能交流伺服电机和精密减速器，我国都长期依赖于进口。
（6）产业化发展有待规范
工业机器人属于高新产业，因此我国很多公司都热衷于生产工业机器人，但是自古以来便有这个道理：
有需求就有竞争，恶性竞争导致各种资源的浪费。
而且如今很多企业盲目追求利益，固步自封，放弃了零件的加工，这导致了我国产业链的严重失衡，很难完成设计——生产——销售——售后等完整的服务体系。
相反国外各个品牌在这方面就做的很好。
因此我国的工业机器人产业还有一段很长的路要走，并且不仅仅在于技术方面。
1.3机器人的研究方向
智能机器人将是极大地扩展了机器人的应用领域，是当前研究的重点。
智能机器人本身能够认识工作环境、工作对象及它的状态，它根据人们给予的指令和自身认识外界的结果，独立地决定工作的方式，由操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。
著名机器人和人工智能专家Brady教授在他编著的“机器人科学”这本书的序言中，总结了机器人学当前面临的30个难解决的问题，这些问题涉及到的领域非常的广泛，从传感器、视觉、设计、机动性、控制、典型的操作、推理、几何推理及系统集成等九个方面进行论述了开发、使用和研究机器人的关键性的问题。
1.4SCARA机器人工作原理简介
SCARA机器人的机构包括大臂、小臂、手腕、手爪和底座等部分，它们相互协作相互配合，从而可以很好的完成机器人的运动。
关节决定了两个相邻的连杆副之间的连接关系，即可称为运动副。
有两类运动副：
一种叫做高副另一种叫做低副。
当连杆之间发生相对运动的时候，假如是面的接触则称之为低运动副机构；
假如是线接触或者是点接触，则称之为高运动副机构。
工业机器人有旋转的关节和移动的关节。
图1.1，图1.2是一些工业机器人的图例，供大家对机器人有一个大体的了解。
图1.1SCARA式教学机器人
图1.2波创4轴SCARA机器人
1.5工业SCARA机器人一些关键性机器人简介
1.5.1SCARA机器人的简介
1.手臂的工作空间形式
SCARA机器人具备三个旋转关节，以此在工作平面内进行定位和定向。
具有1个移动关节，以此在垂直平面内移动。
2.手爪的形式
手爪是用来抓物体的，而且还进行着细微的操作。
近些年来对手爪和多指的抓取物体的研究比较活跃，开发出类似人手指的机器人是他们的奋斗目标。
人类的手指拥有二十个自由度，它们可以相互配合来完成种类繁多形势复杂的动作。
以此为要求决定了手爪的结构和自由度。
手爪也称之为抓取机构，一般是由手指、传动的机构以及驱动的机构组成的，它们的设计是根据它们的抓取对象和工作条件。
它们不但要有足够的夹持力，而且还应保持恰当的精度，手指应该可以顺应被抓对象的外形。
手爪的机械结构的设计要点是手爪的大小，手爪的外形，手爪的机构和它的自由度，
目前最常用的手爪和夹持机构都非常的简单，如些：
吸盘式手爪它分为真空式吸盘和电磁式吸盘等等、承托型的叉子和悬挂式的手爪、吊钩等等。
SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）机器人是一种平面定位型机器人。
该机器人是具有四个自由度的机器人，关节1和关节2回转是给定工具的位置，关节3回转是给定工具的姿态，关节4方向直线运动是给定工具的高度。
前三个回转关节完成在工作平面内进行定位，一个的移动关节，是用来完成末垂直平面内的定位和移动。
该机器人的优点是它的机构具有高刚性，定位精度高，所需的安装空间比较小，所设计的自由度大和重力的影响比较小，还有些其他的机器人没有的特点，如该机器人可以组装成各种各样的实用型的机器人像用于进行焊接的机器人，插件机器人等等，使些动作的效率大大的提高了，如些装配，焊接，密封物体，搬运物体等些动作。
所以本论文对SCARA机器人进行了机械结构设计，使它们的结构紧凑，安装方便。
对于现在智能化的时代，更需要研究这些优越的机器人来代替人工所不能完成的工作，和提高工作的效率。
机器人的运动方案的设计，一般包括机器人的手臂自由度确定，机器人空间的形状与机械的结构类型确定，和各个关节的运动范围。
由于该论文设计的是SCARA机器人，根据该机器人的特定我们可以确定该机器人的手臂自由度数是四个，作业空间是平面作业的，只需要高度很小的一定作业范围。
1.5.2工业机器人的分类
1.工业机器人的分类：
工业机器人可以按它的控制方式、主要作业形式、动力源种类、自由度数、可搬重量和作业空间大小等多种方法分类。
表1-1中所列的是按可搬重量和作业空间大小的分类。
表1.1机器人按可搬重量和动作范围分类
Type
Weight/kg
动作范围/m
超大型机器人
>
1000
大型机器人
100~1000
>
10
中型机器人
10~100
1~10
小型机器人
0.1~10
0.1~1
超小型机器人
<
0.1
<
（1）关节组合形式：
机器人手臂是由许多个刚体杆件经过关节组合而成的，关节组合可以有串联、并联和混联这三种方式。
图1-3所示机器人是一种关节串联方式，它的手臂是由杆件-关节-杆件-关节依次的串接成的。
该机器人的特点是作业空间大、作业灵活、控制简单，缺点是机构刚性差、运动精度低。
一般工业机器人都是串联机器人。
图1.3串联工业机器人
并联的机器人的两个杆件之间可以有多个关节并联连接。
图1-4所示是一种六杆并联机器人。
该机器人的特点是机构刚性好，运动精度高，这几年受到极大关注。
它的缺点是作业空间小，存在运动耦合，控制困难。
图1.4六杆并联机器人
关节串联和关节并联的综合起来称为混联方式，图1-5所示为一种并串联机器人。
图1.5并串联机器人
（2）单自由度串联机器人的机械结构类型
单自由度串联机器人是机器人中最常见的机构形式。
根据使用的关节及它们的组合不同，可分为五种主要的机械机构类型，如表1-2所示：
直角坐标机器人，圆柱坐标机器人，极坐标机器人，关节机器人，SCARA机器人（包含水平平面关节式和垂直平面关节式）。
表1.2各种机械结构机器人的特点及相配的手部形式
直角坐标
机器人
圆柱坐标机器人
极坐标机器人
关节机器人
SCARA机器人
作业空间
运动连
特点
工作范围小，占用的空间大，控制直观方便
适用于圆弧轨迹作业
适用于扇形截面回转体空间作业
工作范围大，能够完成复杂的动作，但是直观性差
适用于在平面上作业或者装配工作，重力影响小
1.6本文研究的主要内容
如今市场上的SCARA机器人很多的都将伺服电机作为驱动装置，并且选用的减速机为RV减速机，但是成本过高是一个重要的问题。
在成本有限的基础上，我们不难发现，教学机器人对各项参数的要求不像工业上的要求那么高，所以我们选用步进电机。
步进电机不但在精度上基本能满足我们的要求，而且成本比之要低很多，经济实惠却又不影响教学。
一般机器人设计的过程可分为：
设计准备，总体的设计，具体的设计，还有完善的设计这几个阶段。
我们对机器人设计的步骤总结是，在机器人设计的过程中，需要对机器人的运动学、动力学、静力学、刚度、误差等等这些方面建模及大量的分析，计算和仿真，需要综合引用现代的微电子技术、传感技术、信息的技术以及控制技术。
项目研究的总体步骤是:
（1）研究现有的机器人产品的性能特点和研究现状，论证开发新产品的可行性。
（2）通过研究市场发展前景和机器人的工作环境分析，确定生产系统中与机器人有关的参数，提出机器人的开发与设计要求。
如：
作业种类，完成作业所要求的空间大小和形状，工作的运动轨迹、速度和加速度，工作中的负载以及需要克服的力和力矩
（3）提出机器人的性能指标，确定研制计划和时间表
（4）提出各种总体设计方案，并通过对工艺生产、技术和价值分析选择最佳方案
（5）将总体设计发难分解成部件，选择可行结构与方案。
（6）将所选的方案和结构组成不同的整体系统，计算分析个字的参数、结构及成本以确定最终设计方案并开始细节设计。
（7）绘制装配图
1.7工业机器人的特点
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。
1.8SCARA机器人的特点及意义
前三个回转关节的轴线是两两相互平行的，完成了在平面内的定位和定向。
还剩下一个的移动关节，是用来完成末端工具的升与降运动的。
2SCAAR机器人的功能结构设计
2.1SCARA机器人本体的大体结构
SCARA机器人之所以能够在平面内灵活定位,依靠的是两个轴线相互平行的旋转关节。
同理，之所以能够在垂直方向上定位是因为拥有一个移动自由度。
SCARA机器人的1个移动自由度和3个旋转自由度使其能满足要求的情况下完成一系列复杂的运动。
SCARA机器人基本结构简图如图2.1，SCARA机器人大体由大小臂，腕部，爪部和底座组成。
图2.1SCARA机器人装配图
图2.2机械手爪
2.2SCARA机器人的主要技术参数
表2.1初定SCARA机器人的各项参数
结构形式
参数
负载的能力
1.5千克
重复定位精度
±
0.2mm
每轴最大运动范围
关节1
200°
关节2
240°
关节3
100mm
关节4
360°
每轴最大运动速度
90°
/S
180°
100mm/S
300°
/s
最大展开半径
530mm
高度
391mm
本体重量
50Kg
几何尺寸
关节1（长度）
200mm
关节2（长度）
330mm
关节3（长度）
操作方式
示教再现/编程
供电电源
单相220V，50HZ
2.3SCARA机器人的传动方案
机器人驱动方式的确定
对于机器人的驱动装置的一般的要求：
（1）驱动装置的质量要尽可能的轻，但是单位质量的输出功率（功率P/质量m的比）要高，效率也要搞；
（2）反应的速度需要快些，也就是力/质量和力矩/转动惯量比直要大些；
（3）动作要平滑，不产生冲击；
（4）控制应要尽可能的灵活，位移和速度的偏差要小些；
（5）驱动装置要安全可靠；
（6）驱动装置要操作方便和它的维护也很方便；
（7）它对环境无污染或污染很少，噪音也要小；
（8）经济要便宜些，最主要的是要尽量减少它的占地面积。
液压驱动直流伺服电机驱动
驱动装置气压驱动
电气驱动交流伺服电机驱动
步进电机驱动
由于机器人的要求越来越高，运动越来越复杂，因此选用电器驱动。
表2.2是对这些驱动装置的介绍。
表2.2各种驱动装置的介绍
驱动种类
工作元件
特点
气压驱动
由气缸或摆动气缸实现
它的执行机构具有高速度，低成本，控制简单和工作空间无污染，它的功率/重量比相对较高一般应用于简单的机器人。
液压驱动
是由液压缸、摆动液压缸和液压马达执行元件完成
它的系统的压力一般为14MPa，所以它的质量/功率比最大，它可以通过使用电液伺服阀完成精确的闭环伺服控制，但是此伺服阀比较昂贵，而且要用高洁净度的油来防止伺服阀堵塞。
液压驱动工作中总有漏油的危险，需要很贵的管件和良好的维护来提高它的可靠性。
步进电动机驱动
主要有永磁式、变磁阻、混合式
它常常应用于开环控制系统中，能提供较大的低速转矩，一般可以达到5倍于相同尺寸的直流伺服电动机连续的转矩，因此可能取消减速箱，构成直接驱动系统。
可以直接的完成数字的控制，它的控制结构比较的简单，性能好，价格又便宜;
一般对位置和速度控制时不需要反馈;
而且它还有自锁与和保持转矩的能力，因此它有利于控制系统的定位，它一般适用于小型的机器人或者是传动功率不大的关节。
伺服电动机驱动
铁心式、表面绕组永磁、动圈式永磁
直流伺服电动机采用电刷换向器，它需要定期的维护，转速不能太高，功率也不能太大，功率/体积比和功率/质量比不高。
综合考虑所设计的SCARA机器人的参数和所需要完成的工作条件，所以本次设计的四个关节都选择步进电动机驱动系统。
减速器的选择
现在，在机
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