SCARA機器人的運動控制分析與計算

劉慕雙，楊榮章，趙瑤瑤

(承德石油高等專科學校 機械工程系，河北　承德　067000)

近年來，世界工業生產進入到了智能制造時代。德國提出了工業4.0計劃， 我國為了趕上世界科技發展的步伐，制定了符合我國國情的《中國制造2025》行動綱領，計劃到2025年我國制造業邁入制造業強國的行列。智能制造要求在工業生產中廣泛使用機器人。目前我們國家在工業生產中使用機器人的比例與世界發達國家相比還比較低，主要是因為機器人控制原理復雜，造價成本較高。能否找到幾種應用范圍較廣，控制原理易于實現，造價成本低廉的機器人方案，是解決機器人在我國工業生產中使用比例低的關鍵所在。工業生產中經常要在生產線上下搬運工件，采用3～4個自由度結構簡單控制方便的SCARA機器人是解決這方面問題的較好選擇。

1　SCARA機器人的結構原理及功能分析

SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm，中文譯名是選擇順應性裝配機器手臂)是一種圓柱坐標型的結構簡單、可以廣泛應用在工業生產現場的機器人。如圖1[1]所示，SCARA機器人有3個旋轉關節，其軸線相互平行，在平面內進行定位和定向。另一個關節是移動關節，用于完成末端件在垂直于水平面的運動。

如圖2所示，手腕參考點的位置坐標(x，y，z)是由兩旋轉關節的角位移φ1和φ2及移動關節的位移z決定的[2]，根據幾何關系可以建立手腕參考點O3的坐標方程：

根據圖2表達的SCARA機器人投影圖形，可得抓取短點O3的坐標式[3]：

式中：L1、L2分別為兩個擺臂的長度；φ1、φ2分別為兩個擺臂對靜止坐標系的轉角；φ3為縱向移動絲杠對靜止坐標系的轉角；t為縱向移動絲杠的導程。

(6)

(7)

(8)

由(6)、(7)、(8)式得：

(9)

采用與上面相同處理方法可得：

(10)

考慮到減速器的減速比及伺服電機的脈沖轉角等因素，發給伺服電機的脈沖數公式可表達為：

n1=φ1*i1/Δ1

(11)

n2=(φ2-φ1)*i2/Δ2

(12)

n3=φ3*i3/Δ3

(13)

分別將(9)、(10)、(3)式代入(11)、(12)、(13)式得：

式中：i1、i2、i3分別為三個伺服電機的減速比；△1、△2、△3分別為三個伺服電機的單位脈沖轉角；n1、n2、n3分別為控制計算機發出的脈沖數。注意：n1、n2為正時，伺服電機逆時針轉動，n1、n2為負時，伺服電機順時針轉動。

這類機器人的結構輕便、響應快，SCARA機器人運動速度可達10 m/s，比一般關節式機器人快數倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業。該機器人可具有四個軸和四個運動自由度(包括沿X、Y、Z方向的平移和繞Z軸的旋轉自由度)。

SCARA系統在x、y方向上具有很強的靈活性，可以很方便地將集成電路芯片和其他器件針插入到PCB板中，故SCARA系統首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件。SCARA機器人系統在Z軸方向具有良好的剛度，特別適合于工件在機床上加工時的定位安裝及機器的零部件裝配成整機方面的工作。所以在工業自動化生產中具有十分廣泛的用途。

2　結論

1)SCARA機器人可以搬運工件，實現工件從三維空間內的一個點運送到另外一個點的操作，同時還可以實現工件在一個方向上的轉動。

2)SCARA機器人的工作范圍在水平面內的投影是一個扇形區域，區域的大小取決于兩個臂的長度參數，在鉛錘方向的工作范圍取決直線導軌的運動范圍，如圖3[4]所示。

3)SCARA機器人能夠廣泛應用于塑料工業、汽車工業、電子產品工業、藥品工業和食品工業[4]等領域。它的主要作用是搬取零件和裝配零件的工作。SCARA機器人的負重凈載重量在0.1 kg至200 kg之間。

參考文獻：

[1]左國棟，趙志勇，王冬青.SCARA機器人運動學分析及MATLAB建模仿真[D]. 青島：青島大學，2016.

[2]熊青春.四自由度教學機器人的研制[D]. 合肥：合肥工業大學，2005.

[3]劉江南.四自由度機械手軌跡規劃算法與應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學工程，2015.

[4]盧軍，鄭國穗，馬金鋒，等.SCARA機器人結構優化設計與運動分析[J].陜西科技大學學報，2014(1)： 137-141.