SCARA机器人

SCARA机器人结构与实验装置 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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。 本文设计了一个教学用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。 本文用模块化发计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 设计了SCARA机器人的机械结构。本文结合Pro/e三维建模分别对基座、大臂、小臂、以及腕部关节做了详细的设计，并根据实际工作情况对各关节进行受力分析，并模拟了机器人的工作状态，严格保证了该设计在工作中的安全性和可靠性，具有很好使用价值和发展前景。最后，本文还分析了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，更加证实了本设计在实际应用中的实用性和可靠性。 关键字:  SCARA，四个自由度，受力分析 DESIGN OF SCARA ROBOT STRUCTURE AND  EXPERIMENTAL  DEVICE 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. SCARA(Selectively Compliance Articulated Robot Arm)robots work in a similar Way as human’s arms．The SCARA robot，incorporating a shoulder joint，an elbow joint，and a wrist joint，is capable of operating vertically and horizontally．The SCARA robot is a kind of 4 DOF industrial robots、3 rotary DOFs and 1 linear DOF．It，featuring compliance，good Vertical rigidity，and Horizontal flexibility，is widely used in assembly. Modular-design methodology was utilized to design the mechanism．This paper combination with Pro/E 3D modeling , designed the main arm, small arm and wrist joints.And according to the actual working ,analysis each joint’s force, and simulate the working state of the robot,in order to ensure the design work in safety and reliability, and has good use value and the prospects for development.In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. Analysis of the SCARA robot inverse kinematics, and to establish the position and orientation of robot end of the model error. KEY WORDS：SCARA，four degrees of freedom，analysis 目  录 前言    1 第一章 绪论    2 §1.2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势    3 §1.3本论文的研究意义及内容    4 §1.4本论文的研究内容    9 第二章 SCARA机器人的机械结构设计    10 §2.1 SCARA器人的总体设计    10 §2.1.1机械传动 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的比较    10 §2.1.2传动零部件的初选    10 §2.1.3减速机的选择    11 §2.1.4本机器人的技术参数    11 §2.1.5机器人各个手臂长度和工作空间的确定    12 §2.2机器人总体传动方案的选择级装配图    13 §2.2.1机器人机身输出轴    13 §2.2.2机器人大臂输出轴    14 §2.2.3机器人腕部结构图    15 第三章Pro/E运动仿真    16 §3.1Pro/E运动仿真介绍    17 §3.1.1Pro/E主要功能    17 §3.1.2Pro/E主要装配关系    18 §3.2 SCARA机器人三维装配图    19 §3.3 SCARA机器人三维装配图自由度分析及仿真步骤    20 第四章SCARA机器人的运动学研究    21 §4.1工业机器人的运动学系统    21 §4.1.1数学基础(位姿描述)    21 §4.1.2工业机器人的运动方程    23 §4.2 SCARA机器人正运动学分析    25 §4.3 SCARA机器人逆运动学分析    26 §4.4 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结     28 结 论    29 参考文献    30 致 谢    31 前言 机器人是人类20世纪的重大发明之一。1984年末著名科学家钱学森指出：“所谓机器人，就是指那些有特定功能的自动机，它是机电一体化的，具有人工智能因素的80年代高技术，是新技术革命的重要内容之一。r纠”这是最有权威和精辟归纳的定义，也为20多年来的实践所证实其远见卓识。21世纪是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。而在非常规和极端制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。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Unimation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。工业机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。机器人的应用主要有两种方式：一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国内外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品[1]。 第一章 绪  论 §1.1国内外机器人领域研究现状及发展趋势 随着工业机器人在制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 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，发展比较快。特别是在“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。 目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，国内外机器人技术领域的发展趋势主要为以下几个方面： 1．结构的模块化和可重构化。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；国外已有模块化装配机器人产品问市； 2．控制技术的开放化、Pc化和网络化。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； 3．伺服驱动技术的数字化和分散化。微处理器(特别是数字信号处理器一DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展加速了伺服驱动技术的进步。 4．多传感器融合技术的实用化。工业机器人除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还应用了视觉、力觉等传感器，同时往往还采用视觉、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； 5．工作环境设计的优化和作业的柔性化。随着先进制造技术的发展，工业机器人正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成； 6．系统的网络化和智能化。如当代遥控机器人系统致力于完整的远程监控遥控操作系统的建设，而“专家系统"等智能系统的使用结合多传感器融合技术可实现工业机器人对外部环境和对象的自适应； 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，这种新型装置已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[3]。 §1.2本论文的研究意义及内容 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SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人可看作关节坐标型机器人的特例。SCARA机器人(如图1—1所示)具有四个关节，三个旋转关节轴线相互平行，实现平面内定位和定向，此外，附加一个滑动关节，实现末端件垂直运动。它最显著的特点是在水平方向上的运动具有较大的柔性，而垂直方向具有很强的刚性，这种选择性的柔I生，被广泛用于高效率的装配、焊接、密封和搬运等领域。同时，它还具有动作快、重复精度高、部件少、多种安装方式、基本免维修等优点[2]。 图1-1SCARA机器人 目前，应用于装配作业的还有六轴机器人，虽然它相比SCARA型可能更加迅速和低廉，但在动作相对简单，而又需要有高产量的环境中，SCARA机器人具有绝对优势，因为其运动轨迹为圆柱型，相对运动轨迹成球型的六轴机器人而言，它更加适应那些需要往返运动的工作环境。并且，新一代的SCARA机器人，不仅整合了智能技术，更换了流线型部件，而且它能够移动的有效载荷更大，电缆更简介，空间更节省，比如Adept公司的COBRA600机器人和EPSON最新公布的E2H853型重型机器人。 工业机器人系统，一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。其中操作机(又称执行系统)，包括末端执行器、手腕、手臂及机座；驱动单元由驱动器、减速器、检测元件等组成；控制装置包括检测(如传感器)和控制(如计算机)两部分，可用来控制驱动单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。此外，对于智能型机器人，应配置人工智能系统，一般包括感觉系统(硬件)，通过各类传感器来实现功能，和决策一规划智能系统(软件)，以实现逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。 针对工业机器人系统介绍，平面关节型机器人系统的关键技术包括： 1本体设计与传动技术 平面关节型机器人多用于装配，要求动作迅速，定位准确，因此需要运动学与动力学设计计算，从而进行操作机结构设计与传动链设计，这就包括： (1)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[4]。 2控制系统技术 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、OTC等；二是基于PC机的运动控制架构，如KUKA、ABB、NACHI等。控制领域常涉及的关键技术包括： (1)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，常用的编程方式是示教编程与离线编程。同时，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。 (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中也能达到无振动运动等特性，有助于提高机器人性能。 3检测传感技术 检测传感技术的关键是传感器技术，传感器精度、灵敏度和可靠性很大程度决定了系统性能的好坏。检测传感技术包含两方面的内容：一是传感器本身的研究和应用，二是检测装置的研究与开发。具体包括： (1)多维力觉传感器技术 多维力觉传感器目前在国际上也是一个热点，涉及内容多、难度大。它能同时检测三维空间的全力信息，在精密装配、双手协调、零力示教等作业中，有广泛应用。它包括弹性体、传感器头、综合解耦单元、数据处理单元及专用电源等。 (2)视觉技术 视觉技术与检测传感技术的关系类似于人的视觉与触觉的关系，与触觉相比，视觉需要复杂的信息处理技术与高速运算能力，成本较高，而触觉则比较简单，可靠且较易实现。但在有些情况下，视觉可完成对作业对象形状和姿态的识别，可比较全面的获得周围环境数据，在一些特殊装配场合有很大优越性，如在无定位、自主式装配、远程遥控装配、无人介入装配等情况下特别适用。因此如何采用合适的硬件系统对信息进行采集、传输，并对数据进行分析、处理、识别，以得到有用信息用于控制也是一个关键问题。 (3)多路传感器信息融合技术 由于装配机器人中运用多种传感器来采集信息，得到的信息也是多种多样,必须用有效的手段对这些信息进行处理，才能得到有用信息。因此，信息融合技术也成为制约检测技术发展的瓶颈。 (4)检测传感装置的集成化和智能化技术 检测传感装置的集成化能形成复式传感器或矩阵式传感器，而把传感器和测量装置集成则能形成一体化传感器。这些方法都能使传感器功能增加、体积变小、并使检测传感系统性能提高，更加稳定可靠。检测传感装置的智能化则是在检测传感装置中添加微型机或微处理器，使其具有自动判断，自动处理和自动操作等功能。加快系统响应速度、消除或减小环境因素影响、提高系统精度、延长平均无故障时间。 4离线编程与图形仿真技术 基于计算机图形学的机器人离线编程系统设计时应具备： (1)所编程的工作过程的知识； (2)机器人和工作环境三维实体模型； (3)建立机器人模型和其运动学模型； (4)基于图形显示的软件系统，可进行机器人运动的图形仿真； (5)轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节角超限，检测碰撞以及规划机器人在工作空间的运动轨迹等； (6)通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通信； (7)用户接口，以提供有效的人机界面，便于人工干预和进行系统操作。 离线编程系统的重要作用在于离线调试程序，从而在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，利用图形仿真技术模拟机器人的作业过程，提供一个与机器人进行交互作用的虚拟环境。计算机图形仿真是机器人离线编程系统的重要组成部分，它将机器人仿真的结果以图形的形式显示出来，直观地显示出机器人的运动状况，从而可以得到从数据曲线或数据本身难以分析出来的许多重要信息，离线编程的效果正是通过这个模块来验证的。随着计算机技术的发展，在PC的Windows平台上可以方便地进行三维图形处理，并以此为基础完成CAD，机器人任务规划和动态模拟图形仿真。一般情况下，用户在离线编程模块中为作业单元编制任务程序，经编译连接后生成仿真文件。在仿真模块中，系统解释控制执行仿真文件的代码，对任务规划和路径规划的结果进行三维图形动画仿真，模拟整个作业过程，检查发生碰撞的可能性及机器人的运动轨迹是否合理，并对计算系统的工作节拍提供参考。常用的仿真软件有ROBCAD和DELMIA等[4]。 §1.3本论文的研究内容 目前，平面关节型工业机器人的已有较多成熟的产品，根据其应用场合，它需要具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、设计自由度大等优点，而且它可以组装成焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、拿放机器人、插件机器人等，从而完成高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等动作。 根据前述的平面关节型机器人系统的关键技术，考虑目前工业机器人市场对机器人性能指标要求提高，因此本论文以设计的SCARA机器人为研究对象，对SCARA机器人结构和传动设计，运动仿真，运动学、进行研究，以期为机器人系统性能提高作进一步设计分析和控制仿真延伸，提供理论参考。 运动仿真是结构设计的一个重要内容，在pro/E的mechanism的模块中，通过对机构添加运动副，驱动器使其运动起来，来实现机构的运动仿真。在整体设计后，通过仿真可以模拟机构的运动，从而检查机构的运动是否达到设计要求，是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核，同时可以直接分析个运动副于构建在某一时刻的位置，运动量以及各运动副之间的相互运动关系以及关键部位的受力情况，反映机构的真实运动情况。    第二章 SCARA机器人的机械结构设计 §2.1 SCARA器人的总体设计 §2.1.1机械传动方案的比较 根据本项目特点，比较目前同类SCARA机器人本体设计方案参考《国内典型工业机器人图册》初步选择两种传动方案： 方案一:第一二旋转自由度均选择减速电机传动，精度高，传动比高，效率高，噪音小，振动小，传动部分的零件都是标准件，易购买，安装方便。 第三移动和第四旋转自由度选择同步带传动，传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率高，但安装要求高，负载能力有限。 方案二:第一旋转自由度选择齿轮减速传动，第二旋转自由度采用二级同步齿形带传动，但安装都要求较高，结构也较复杂。 第三移动自由度选择步进减速电机直接驱动丝杠螺母传动，变旋转运动为直线运动，但相对同步齿形带重量较大，需要电机输出转矩较大，加工要求高。第四自由度设计同方案一。 两种方案理论上均可实现，但方案一结构简单，部件少且较多标准件，较易实现；方案二结构复杂，较多使用齿轮，需专门设备加工，且定位部件形状多不规则，加工和安装均比较复杂。综合考虑，本设计初选方案一。 §2.1.2传动零部件的初选 首先，在机器人驱动电机的选用方面，目前机器人电机主要有四种： 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和保持转矩的能力，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。同时，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，价格较昂贵。随着相关技术的发展，其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。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。 结合机器人驱动装置要求，考虑SCARA机器人负载不大，要求整机重量轻，且作业范围不大，要求机器人体积小的特点，本设计中机器人四个关节均选用交流伺服驱动[7]。 §2.1.3减速机的选择 其次，在减速器选用方面，考虑到目前机器入的传动系统中主要采用RV减速器或谐波减速器。RV减速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比，RV减速器具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。而谐波减速器也具有传动比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于RV减速器，其制造成本要低很多，所以本设计中采用谐波减速机[8]。 §2.1.4本机器人的技术参数 (1)  抓重：≤3kg (2)  自由度：4 (3)  运动参数： 大臂：±140o(回转角度)，角速度≤1.8rad/s 小臂：±144o(回转角度)，角速度≤1.8rad /s 手腕回转：± (回转角度)，角速度≤1.8rad/s 手腕升降：150mm(升降距离)，线速度≤0.01m/s §2.1.5机器人各个手臂长度和工作空间的确定 如图2-1所示：机器人大臂长度238mm 机器人小比长度162mm 图2-1机器人外形图 如图2-2所示机器人工作空间： 图2-2机器人工作空间 §2.2机器人总体传动方案的选择级装配图： 各关节的传动方案最终确定如下： 大臂回转：伺服电机1→→谐波减速器→→大臂 小臂回转：伺服电机2→→谐波减速器→→小臂 主轴垂直直线运动：伺服电机3→→同步齿形带→→丝杠螺母→→主轴 主轴旋转： 伺服电机4→→同步齿形带→→花键→→主轴 如图2-3所示机器人总装图 图2-3 SCARA机器人总装图 §2.2.1机器人机身输出轴 图2-4机器人机身输出轴 如图2-4所示，机器人机身输出由电机3提供，然后动力经过谐波齿轮减速器4减速，最后带动一轴转动。 §2.2.2机器人大臂输出轴 图2-4机器人机身输出轴 如图2-4所示，机器人机身输出由电机12提供，然后动力经过谐波齿轮减速器11减速，通过小臂连接体带动小臂转动。 §2.2.3机器人腕部结构图 图2-5机器人腕部结构图 图2-5所示，机器人的腕部结构共有两个自由度，一个旋转自由度，一个移动自由度。18为一个带滚轴花键的带槽光杠，可以转动也可以移动，其移动自由度由16，17丝杠带动。可以保证最后一根轴可以上下移动。其转动自由度由带轮带动，带轮转动又4号电机带动，然后由带轮传至减速器，由减速器传至光杠。 第三章 运动仿真 §3.1Pro/E运动仿真介绍 §3.1.1Pro/E主要功能 Pro/E 是一套由设计至生产的机械自动化软件,是一个参数化、基于特征的实体造型系统, 并具有单一数据库功能。现在已经发展到Pro/Engineer Wildfire5.0 , 它赋予软件更多的增强功能。其中Pro/E-Mechanism Design  Extension ( 结构设计扩展) 是 Pro/E包含运动的一个模块, 能够对设计进行模拟仿真校验, 如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度、加速度计算等 。机构运动包括自由度的计算、各个构件位移、速度和加速度的计算以及构件会不会干涉、还有如何改变构件的尺寸来满足设计的需要等内容。 在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。Pro/ Engineer中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。PRO/E的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanism design（机械设计）和Mechanism dynamics（机械动态）两个方面的分析功能。使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟。并可以观察并记录分析，可以测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，以通过图形直观的显示这些测量量。也可创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力 和力 矩，弹 簧，阻尼等等特征。可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的。 如果单纯的研究机构的运动，而不涉及质量，重力等参数，只需要使用“机械设计”分析功能即可，即进行运动分析，如果还需要更进一步分析机构受重力，外界输入的力和力矩，阻尼等等的影响，则必须使用“机械设计”来进行静态分析，动态分析等等。 §3.1.2Pro/E主要装配关系 接头连接的类型：接头连接所用的约束都是能实现特定运动(含固定)的组合约束，包括：销钉、圆柱、滑动杆、轴承、平面、球、6DOF、常规、刚性、焊接，共10种。 销钉：由一个轴对齐约束和一个与轴垂直的平移约束组成。元件可以绕轴旋转，具有1个旋转自由度，总自由度为1。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向；平移约束可以是两个点对齐，也可以是两个平面的对齐/配对，平面对齐/配对时，可以设置偏移量。 圆柱：由一个轴对齐约束组成。比销钉约束少了一个平移约束，因此元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移，具有1个旋转自由度和1个平移自由度，总自由度为2。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向。 滑动杆：即滑块，由一个轴对齐约束和一个旋转约束(实际上就是一个与轴平行的平移约束)组成。元件可滑轴平移，具有1个平移自由度，总自由度为1。轴对齐约束可选择直边或轴线或圆柱面，可反向。旋转约束选择两个平面，偏移量根据元件所处位置自动计算，可反向。 轴承：由一个点对齐约束组成。它与机械上的“轴承”不同，它是元件（或组件）上的一个点对齐到组件（或元件）上的一条直边或轴线上，因此元件可沿轴线平移并任意方向旋转，具有1个平移自由度和3个旋转自由度，总自由度为4。 平面：由一个平面约束组成，也就是确定了元件上某平面与组件上某平面之间的距离(或重合)。元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有1个旋转自由度和2个平移自由度，总自由度为3。可指定偏移量，可反向。 球：由一个点对齐约束组成。元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接小了一个平移自由度，可以绕着对齐点任意旋转，具有3个入旋转自由度，总自由度为3。 6DOF：即6自由度，也就是对元件不作任何约束，仅用一个元件坐标系和一个组件坐标系重合来使元件与组件发生关联。元件可任意旋转和平移，具有3个旋转自由度和3个平移自由度，总自由度为6。 刚性：使用一个或多个基本约束，将元件与组件连接到一起。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度，如果刚性连接没有将自由度完全消除，则元件将在当前位置被“粘”在组件上。如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住，其原有自由度不起作用。总自由度为0。 焊接：两个坐标系对齐，元件自由度被完全消除。连接后，元件与组件成为一个主体，相互之间不再有自由度。如果将一个子组件与组件用焊接连接，子组件内各零件将参照组件坐标系发按其原有自由度的作用，总自由度为0。 §3.2 SCARA机器人三维装配图 图3-1机器人三维装配图 如图3-1所示，为机器人的三维装配图，只要在pro/E软件中给合理的自由度，他的各轴即可转动。实现运动仿真。 §3.3 SCARA机器人三维装配图自由度分析及仿真步骤 本论文中所讲的SCARA机器人有四个自由度，三个旋转自由度和一个移动自由度。所以要达到Pro/E运动仿真的效果就要对机器人的关键部位添加合理的自由度。 经过分析，电机轴一轴位置采用销钉连接，一个自由度；电机轴二轴采用销钉连接，一个自由度；机器人腕部采用圆柱连接，两个自由度。 运动仿真的操作流程如下 1.以连接方式建立 欲分析的机构； 2.组装补足相关的 运动配合条件； 3.设定初始位置； 4.加入驱动条件 ( 让机构产 生动作, 须加入动力条件) ; 5.设定分析条件并 仿真，播放，输出，分析结果[10]; 第四章SCARA机器人的运动学研究 机器人运动臂可看作一个开式运动链，其中关键技术之一就是对相应的机器人本体的运动学进行分析，并建立相应的运动学模型。本章系统地描述了平面关节型SCARA机器人的运动学模型的建立，并基于此进行轨迹规划研究。运动学研究涉及正运动学和逆运动学，正运动学是已知结构参数，计算末端执行器位姿，其解唯一，相对简单；逆运动学是已知末端位姿，求解各关节变量，求解复杂，且具有多重解，它是机器人进行轨迹规划的基础。 §4.1工业机器人的运动学系统 §4.1.1数学基础(位姿描述) 机械手是机器人系统的机械运动部分。作为自动化工具的机械手，它具有如下特点：它的执行机构是用来保证复杂空间运动的综合刚体，而且它自身也往往需要在机械加工或装配等过程中作为统一体进行运动。为了描述机器人的操作，必须建立机器人各连杆以及机器人与周围环境的运动关系，因此，我们需要一种描述刚体位置和姿态(统称为刚体的位姿)的数学方法。其描述方法较多，如齐次坐标法、矢量法、旋量法、四元数法和群论等。论文中采用齐次坐标法，其优点在于将运动、变换和映射与矩阵运算联系起来，为研究机器人运动学、动力学、控制建模等提供数学工具。研究工业机器人的运动，不仅涉及机械手本身，而且涉及各物体以及物体与机械手的关系，齐次坐标及其变换(齐次坐标变换法)就是用来表示这些关系的。此外，齐次坐标及其变换在研究空间机构动力学、机器人控制算法、计算机图形学和计算机视觉等方面也都有广泛的运用。 为了完全描述刚体B的空间的位姿，通常将刚体B标系｛B｝固接。｛B｝的坐标系原点一般选在物体B的特征点上，如质心、对称中心等。相对事先建好的直角参考系｛A｝，由位置矢量APB凡和旋转矩阵 分别描述坐标系｛B｝的原点位置和坐标轴的方位。因此，刚体B的位姿可由坐标系｛B｝来描述： 为了描述手爪的位置和姿态，规定一坐标系与手爪固接，称手爪坐标系。其中，z轴设在手指接近物体的方向，称为接近矢量以a(Approach)；Y轴设在两手的连线方向，称为方位矢量o(Orientation)；X轴则由右手法则确定：n= ，n称为法向矢量(Normal)。于是，手爪的方位由旋转矩阵R=[n，o，a]描述，而手爪的位置由位置矢量P所规定，代表手爪坐标系的原点。因此，手爪的位姿由矢量T={n，o，a，p)来描述[11]。 已知一直角坐标系中的某点坐标，那么该点在另一直角坐标系中的坐标可通过齐次坐标变换求的。 = ，其中， 的列矢量表示三维空间的点，称 为点的齐次坐标，可将公式改为矩阵形式： ,其中齐次变换矩阵 是 的矩阵： = ， 综合表示平移变换和旋转变换，也就是符合变换。 图4-1 复合变换 平移齐次变换为Trans(a，b，c)= 旋转齐次变换为Rot( )= ， ，  式中Rot表示旋转变换。 后述的SCARA机器人运动学和动力学等中都要应用变换矩阵 。注意一点的是，变换矩阵的左乘和右乘的运动解释是不同的：变换矩阵相乘的顺序“从右向左”，即左乘变换矩阵，表明运动坐标系是相对于固定坐标系运动的；变换矩阵相乘的顺序“从左到右”，即右乘变换矩阵，表明运动坐标系是相对自身运动的。对于运动坐标系中点的位置，一般都是相对于运动坐标系来描述，即用右乘变换矩阵，这种表述比较符合平常的语言习惯。 §4.1.2工业机器人的运动方程 1955年，Denavit和Harteberg提出了一种机器人的建模方法，其基本思 想是将机器人看作由一系列关节连接起来的连杆，用连杆坐标系(又称D—H坐标系)方便的描述相邻连杆之间的关系，而用齐次变换矩阵(记为A矩阵)来描述这些坐标系之间的相对位置和方向。如果将从机座到第一关节，再从第一关节到第二关节直到最后一个关节的所有齐次坐标变换结合起来，就可以得到机器人的总变换矩阵。这种D—H方法已成为表示机器人和对机器人进行建模的标准方法，可用于任何机器人构型，也可应用于雅可比矩阵的计算和力分析等[12]。 图4-2 通用关节一连杆组合的D-H表示 上图表示的为相邻连杆之间参数关系，其齐次变换矩阵计算如下： 据此扩展，可得到机器人机座与末端执行器之间的总变换： Tn= ，式中n是关节数 §4.2 SCARA机器人正运动学分析 SCARA机器人属四自由度机器人，建立如图所示的D—H坐标系： 图4-3 SCARA机器人关节坐标 表4-1 SCARA机器人D-H参数表   关节变量 第一关节 0 1 第二关节 0 0 2 第三关节 180o 0 0 3 第四关节 0 0 0 4             根据运动学系统的数学推导，其齐次变换通式为： 代入各个关节连杆参数得： 各连杆变换矩阵 相乘，得到机器人末端执行器的位资方程（正运动学方程）： §4.3 SCARA机器人逆运动学分析 运动学逆解的方法有封闭解和数值解两种：封闭解的具体步骤和最终公式，因机器人的具体构形而异，但是，计算速度快，效率高，便于实时控制；数值解不具备这些特点，它是人们寻求位姿逆解的通解而得到的方法，由于计算量大，计算时间往往不能满足实时控制的需要，在多重解的情况下，某些迭代算法不能保证求出所有解，而且非线性方程的数值解法本身还有待研究。封闭解法有代数解法和几何解法。目前已建立一种系统化的代数解法：运用左乘逆矩阵来求解腕的运动学逆解，运用臂终端位置来求臂的运动学逆解，运用臂腕分离法求整个机器入的逆解。常用的是Paul提出的反变换法(也称代数法)。 设在SCARA机器人基坐标系中，机器人末端执行器位姿矢量矩阵为 速度矢量矩阵为 其中 表示末端执行器位置矢量， 表示接近矢量： 表示方位矢量； 表示法向矢量。 对，分别左乘 。然后比较等式两端对应元素，可以得到每个位资对应逆解，包括关节变量和速度。关节变量拟解如下： 其中 ，式中 中，正负号对应两组可能解速度。 式中： §4.4小结  本章在研究了工业机器人运动学系统理论的基础上，遵循简单实用的原则，针对SCARA机器人进行了运动学的正解和反解分析。对于运动学正解问题，建立了运动学模型并推导出一组简单实用的计算公式来求解机器人的手部位姿；对于运动学反解问题，针对该种机器入的特殊结构，提出代数法和几何法结合的方式，解决运动学逆阀题，并可以得到左右手两种解。 结 论 . 随着机器人技术的进一步发展，其应用必将越来越广泛。机器人学这门课程必将越来越重要，实验设备的缺口也必然越来大。对机器人的研究也是很有必要的。目前本设计所完成的主要工作是: 在分析设计要求的基础上提出SCARA机器人总体设计方案;用三维造型软件完成四自由度SCARA机器人的机械结构设计，完成机器人整体装配图及主要零部件的工程图绘制。 所设计SCARA机器人基本上实现模块化设计，符合发展趋势。三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高，不仅适用于SCARA平面关节式装配机器人设计，其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。采用特殊轴承和特殊的传动结构解决了机器人的抗倾覆问题，这种特殊结构有益于提高系统机械性能。 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。该模型不需要进行求导，只需进行相应的矩阵乘法运算。该位姿变换方程与位姿误差模型同样适用于运动部件间存在坐标变换的复杂系统。 在此很高兴能有这么好的学习机会，让我从中学会了很多新的知识。在整个设计过程中可能有欠缺的地方，望老师予以批评指正。不胜感激。 参考文献 [1] 蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版,2009.6. 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