SCARA工业机器人设计.doc
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SCARA工业机器人设计
1设计主要内容及要求
1.1设计目的：
（1）了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术；
（2）初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统，并应用于工业机器人的设计中；
（3）掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。
1.2基本要求
（1）要求设计一个微型的三自由度的SCARA工业机器人；
（2）要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。
（3）要有控制系统硬件设计电路。
1.3发挥部分
自由发挥
2设计过程及论文的基本要求：
2.1设计过程的基本要求
（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；
（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；
（3）设计过程的资料保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。
2.2课程设计论文的基本要求
（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸；项目齐全、不许涂改，不少于3000字；图纸为A4，所有插图不允许复印。
（2）装订顺序：
封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍等）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。
3时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
讲解主要设计内容，布置任务
点名
2
搜集相关资料，检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误
打分
3
检查机械结构设计并指出错误及纠正；
打分
4
继续机械机构和传动机构设计
打分
5
进行控制系统设计
打分
6
检查控制系统原理图设计草图
打分
7
完善并确定控制系统
打分
8
指导学生进行驱动机构的选择
打分
9
进行传感器的选择和软件流程设计
打分
10
检查任务完成情况
打分
-23-
1设计任务描述
1.1设计题目
SCARA工业机器人设计
1.2设计要求
1.2.1设计目的
（1）了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术；
（2）初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统，并应用于工业机器人的设计中；
（3）掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。
1.2.2基本要求
（1）要求设计一个微型的三自由度的SCARA工业机器人；
（2）要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。
（3）要有控制系统硬件设计电路。
2设计思路
2.1机械结构的设计
2.1.1末端操作器的设计
末端操作器是机器人手部的重要执行部件，是机器人的关键部分，主要用来识别物体并抓取物体，正是因为有了它的存在，机器人才能根据电脑发出的“命令”执行相应的动作。
机器人的末端操作器不仅是一个执行命令的机构，还应具有识别功能。
机器人的末端操作器一般由方形的手掌和节状的手指组成。
机器人的末端操作器主要有夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器、仿生多指灵巧手。
夹钳式取料手手部与人手相似,是工业机器人广为应用的一种手部形式。
它一般由手指（手爪）和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成,能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。
吸附式取料手适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎、微小的物体。
机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种动作,再配上各种专用的末端操作器后，即专用操作器及转换器,就能完成各种动作。
仿生多指灵巧手是机器人手爪和手腕最完美的形式，仿生多指灵巧手有多个手指,每个手指有3个回转关节,每一个关节的自由度都是独立控制的。
因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿。
由于夹钳式取料手与人手相似且能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持，因此在设计机器人过程中选择夹钳式取料手。
2.1.2手腕的设计
机器人的手腕是连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改变工作的方位，因而它具有独立的自由度，以使机器人的末端操作器适应复杂的动作要求。
工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望姿态。
机器人手腕主要用来确定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。
设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外，还要求手腕结构简单、紧凑轻巧、避免干涉、传动灵活，在多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上，使外形整齐。
设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去，运动传入腕部后再分别实现各个动作。
2.1.3手臂的设计
机器人的手臂是急机器人执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置上。
因此一般机器人的手臂有3个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。
手臂的回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。
手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此它不仅承受被抓取工件的质量，而且末端执行器、手腕和手臂自身的重量。
手臂的结构、工作范围、灵活性、抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能。
2.1.4基座的设计
机器人的机座可分为固定式和行走式两种，一般的工业机器人为固定式的。
固定式机器人的机座可以直接连接在地面上，也可以固定在机身上。
本设计中机器人采用的是固定式。
固定式机器人的本体是固定的，它只能进行臂部可活动范围内的输送作业。
所以它作为柔性制造单元内部的搬运设备被广泛应用，虽然在输送距离上受到限制，但是，如果能自动更换手部，它不仅能输送工件，刀具、夹具等各种物料，而且可以装卸工件，具有较高的柔性。
2.1.5制动器的设计
许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变，在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。
假如齿轮链、谐波齿轮机构和滚珠丝杠等元件的质量较高，一般其摩擦力都很小，在驱动器停止工作的时候，它们是不能承受负载的。
如果不采用某种外部固定装置，如制动器、夹紧器或止挡装置等，一旦电源关闭，机器人的各个部件就会在重力的作用下滑落。
因此，为机器人设计制动装置是十分必要的。
制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要松开制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。
它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。
其缺点是在工作期间要不断通电使制动器松开。
假如需要的话，也可以采用一种省电的方法，其原理是需要各关节运动时，先接通电源，松开制动器，然后接通另一电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状态。
2.2驱动方式的选择
2.2.1液压驱动
液压驱动的特点是，液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；在液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统由于采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长。
但是，液压驱动方式也有不足之处，由于油液的粘度随着温度的变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；另外液体的泄露难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价比很高。
总之这种驱动方式的输出力和功率很大，经常用于比较大型机器人关节的驱动，而且这种驱动方式还存在着危险性，所以对于该机器人来说不适合选择液压驱动方式。
2.2.2气压驱动
气压驱动的特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低。
但是它的不足之处是若要获得较大的力，其结构就要相对的增大，而且空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要想达到准确的位置控制很困难。
另外，还有一个严重的问题是，压缩空气的排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。
此外，排气还会造成噪声污染。
总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，且其体积较大和精确度不高等缺点也使其不适合作为该机器人的驱动方式。
2.2.3电动机驱动
经过以上的分析可知，液压式和气压式都不适合作为该机器人的驱动方式，所以就选择电动式作为该机器人的驱动方式。
电动机驱动又分为直流电动机、步进电动机和伺服电动机。
下面，分别介绍这三种电动机。
步进电动机：
步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。
每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。
它的工作特点是给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。
伺服电动机：
一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器，及一块电子控制板。
其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量。
伺服电机容易与CPU连接，控制性能好，响应快，最大的优点是可以实现速度和位置的精确控制，适合于中小型机器人。
直流电动机：
直流电机由定子、转子和换向器。
定子是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。
由于直流电机驱动是开环控制，所以行进速度一般固定，精度不高，直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。
但是直流电机控制起来简单，它只有两根线，一根是电源线，一根是接地线。
要想控制直流电机的转度，只要加大加在电源线上的电压即可，加大电压的方法是通过调节脉冲的占空比来实现的。
如果要想实现电机的正反转，那么就用H桥电路，通过H桥电路就可以实现直流电机的正反转。
综上所述，我选用方案三直流电机作为该机器人的驱动电机。
2.3传感器的选择
2.3.1避障功能传感器的选择
避障可以说是各种机器人最基本的功能。
因此选择合适的测障传感器是非常重要的。
常用的避障传感器有以下几种:
接触式传感器—碰撞开关：
碰撞开关的特点是电路为常开，碰到障碍物后连通，可以用来检测机器人是否发生碰撞。
碰撞开关价格便宜，使用简单，使用范围广，对环境条件没有什么限制。
但是，它也有缺点即必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人比赛中是相当失分的。
并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工作。
超声波传感器：
采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。
经实验，使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。
而且超声波传感器价格比较昂贵。
光敏传感器：
直接根据光源的信号进行判断。
这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。
倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行,单片机控制电机绕开障碍物行驶。
红外传感器：
机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判断。
所以，使用红外线传感器就可以满足要求。
其工作原理就是发射某种射线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。
传感器由红外线发射电
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