经济SCARA机器人的工业应用设计外文翻译资料

经济SCARA机器人的工业应用设计

Design of an Economical SCARA Robot for Industrial Applications

Morteza Shariatee, Alireza Akbarzadeh, Ali Mousavi, and Salman Alimardani

Center of Excellence on Soft Computing and Intelligent Information Processing, Mechanical Engineering Department Ferdowsi University of Mashhad

Mashhad, Iran

morteza_shariatee_sc@yahoo.com, ali_akbarzadeh_t@yahoo.com, ali_musavi68@yahoo.com, alimardani_salman@yahoo.com

摘要：本文介绍了一个工业和经济的SCARA机器人机械设计的过程，这个机器人被称为FUM SCARA机器人，由伊朗马什哈德菲尔多西大学的学生团队设计。由于SCARA机器人固有的刚性和高的精度，它被广泛使用在工业领域。FUM SCARA机器人的设计过程包括关节设计、链接设计、控制器设计以及机械部件和电气部件的选择。目前在伊朗面临的主要问题是如何使用现成的组件并且能够着眼于降低成本。FUM SCARA机器人具有令人印象深刻的性能，例如重复性误差只有〜plusmn;0 . 0 1毫米，在xy平面内可以达到的最大线速度为8 .5 m / s，可以在0 . 5秒的时间内完成一个周期的拾取和放置，并且它具有灵活的控制系统，这些特征都和现有的工业机器人一样。然而，与现有的商业机器人的不同之处在于，FUM SCARA机器人中的控制架构设计为允许简单实现新的控制算法，最后，使用PID控制器，跟踪机器人在工作空间中的关键轨迹。结果表明在机器人快速运动的过程中，它具有较低的轨迹误差。

Abstract— This paper presents mechanical design process of an industrial and economical SCARA robot, called FUM SCARA, designed by a team of students at the Ferdowsi University of Mashhad, in Iran. SCARA robots are among the most widely used robots in industry due to their inherent rigidity and high accuracy. The design process included, joint design, link design, controller design as well as selection of mechanical and electrical components. The challenge was to use readily available components in Iran with an eye on keeping the costs down. The FUM SCARA robot offers impressive performance such as~plusmn;0.01 mm repeatability, maximum linear velocity of 8.5 m/s in xy plane, 0.5 seconds pick and place cycle time and a flexible control system. These specifications are in line with existing industrial robots. However, unlike the existing commercial robots, the control architecture in FUM SCARA is designed to allow for simple implementation of new control algorithms. Finally, using a PID controller, a critical trajectory in robotrsquo;s workspace is traced. Results indicate low error during the fast trajectory.

关键词：SCARA;工业机器人;机器人的机械设计;关节设计;关键轨迹

Keywords—SCARA; industrial robot; robotrsquo;s mechanical design; joint design; critical trajectory

Ⅰ.引言

由于工业机器人的广泛的应用，各种类型和具有各种形状的机器人操纵器已经成为工业领域不可否认的一部分。其中，具有3个旋转自由度和一个移动自由度的SCARA机器人已经在包装和装配线中广泛应用。这种类型的机器人由Hiroshi Makino于1979年首次引入[1]，[2]。现在有各种尺寸的商业SCARA机器人，并且可以满足不同的线速度和有效载荷。这种类型的机器人控制系统设计通常用于普通工业领域，一般不适合用来做高级的研究[3]。

相对而言，现在关于机器人设计的研究还比较少。在参考文献[4]中，作者说明了一种新的非线性直接电力传输系统，即万向节驱动，将电机从链路重新定位到机器人基座，这使得机器人动态中电机的重量得到抑制。在参考文献[5]中，铰接式机器人以实现最大减重的方式进行了优化。参考文献[6]研究了用于精密定位控制系统的反间隙齿轮系的设计。参考文献[7]提出了谐波弹性驱动对于SCARA机器人的振动的影响，在直接驱动的SCARA机器人上测试了不同的自适应控制器，并对其结果进行了测试性能比较[8]。

SCARA机器人的运动学和动力学也衍生了出来并且可以使用各种软件进行模拟[9]，[10]。在参考文献[9]中，作者将Serpent 1的实验结果与模拟结果进行了比较。特殊的SCARA机器人，包括五杆并联SCARA机器人和冗余关节SCARA机器人已经在参考文献[11] - [13]中进行了研究。另外，还有用PID构建和控制的不同的教育机器人[14]，[15]。最后在文献[16]中说明了一种新颖的星型球面并联机器人的机械设计过程。然而，由于本人知识水平有限，没有对工业SCARA机器人的设计进行研究。在本文中，提出了一种快速、准确的与其商业对应类型相当SCARA机器人的设计过程。

图1． FUM SCARA 机器人

Ⅱ. FUM SCARA机器人的设计目标

设计这种机器人的目的是使其具有类似于世界领先的商业工业机器人的特征的教育操纵器。因此，可以设计和实现创新的控制算法。

机器人的设计参数包括有效载荷、手臂伸长范围、工作空间、最大速度、精度、重复性、手臂的刚度以及成本[17]。对于FUM SCARA机器人的设计，考虑了中间尺寸以执行不同的任务。表1突出说明了FUM SCARA机器人与其他工业机器人相比具有的特点。

表Ⅰ． FUM SCARA机器人和其他知名品牌的SCARA 机器人比较

Ⅲ. FUM SCARA机器人的运动学

确定Denavit-Hartenberg参数是导出机器人运动学的第一步。根据D—H规定将坐标系附接到机器人上，如图2所示。 FUM SCARA建立的 D—H表显示在表ІIІ中。通过这个表，就能获得机器人的运动学[18]。

图2． SCARA机器人附加坐标系

第3个电动机与移动关节之间的关系如（1）所示。

d ₄( m )=（rad） (1)

通过乘法变换求解（2）中所示的矩阵就可以得到机器人的正运动学。通过等式（3）和（4），可以求解得关于x、y、z和gamma;的等式（5）。

（2）

= （3）

= ( 4 ) = ( 5 )

表Ⅱ． 各参数及其含义

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