SCARA（斯卡拉）型機械手在書法和繪圖中的應用

西安建筑科技大學華清學院 張永昊 王朝陽

本文介紹了一種用于書法、繪畫的水平關節機械臂的設計。通過大量的實驗與分析，將步進電機應用到機械手中，步進電機易于控制且精度高可達到機械手快速、穩定書寫、繪畫的要求。就在書法和繪圖中的應用中，SCARA（斯卡拉）型機械手相對于其他關節型機械臂來說具有成本低、易控制、運動速度快等特點。

當今社會機械與工業領域日益交融，但是機械在文化方面的交融是少之又少，因此我們提出機械手和書法繪畫相結合、這不僅是藝術和技術的交融，也是中國傳統文化的延續發展，對于提高學生書寫繪畫水平具有非常積極地意義（見圖1）。

圖1 機械手示意圖

1 總體方案的設計

總體方案從結構和控制兩方面來介紹。

結構方案為三自由度SCARA結構，通過大臂、小臂的轉動來完成末端在水平面上的移動，通過Z軸的轉動，使末端在垂直方向上的移動。垂直移動和水平移動電機分明，SCARA結構善于在平面做往返運動，具有成本低、運動速度高、定位精度高等特點。

控制方案為基于PC+單片機運動控制器的控制系統。PC端的任務為規劃任務和主要的人機交互，單片機的任務為控制運動和次要的人機交互。這種方案具有投入成本低、設備普及率高、系統開發方便等特點。

2 機械結構的設計（見圖2）

圖2 結構示意圖

就以上圖紙我們進行結構介紹：

（1）基座：基座由上下兩個鋼板、周圍四塊亞克力板、四塊鋁型材構成，其作用在于固定。

（2）Z軸（豎直）結構：此結構由光杠、絲杠、光杠固定座、直線軸承、電機1、構成，并與基座鏈接。可通過電機1使絲杠轉動，用來帶動連桿進行垂直運動。

（3）X、Y軸（水平）結構：此結構由連桿1、電機2、連桿2構成，并通過四個直線軸承和與Z軸鏈接。電機3轉動，并通過減速裝置使Z軸轉動，連桿1和連桿2也會隨之轉動。

經過以上裝置聯動，末端執行器即可以在X、Y、Z軸限位內的空間內移動。

3 運動學分析

本文主要建立在SCARA機械手坐標系的基礎上，運用數學圖解方法創建運動學模型并且進行正逆運動學分析。

正運動學分析：

已知：θ1，θ2求關節末端坐標（X－L1，Y－L1）與（X－L，Y－L）

即第一關節末端坐標為：

最終末端坐標為：

逆運動學分析：

化簡后得：

經上述計算，關節角度和末端位置便有了明確的關系，若出現了多個解，則需要取各軸移動距離最少的最優解（見圖3）。

圖3 姿態-坐標關系圖

運動學的分析主要解決的是關節和末端執行器位置和姿態的問題。對現代機械手的運動學特征進行了理論分析，有正向機械運動學的理論分析，反向機械運動學的理論分析，前者是一直各關節的參數通過算法來推出末端位置和姿態，而后者是已知末端的姿態通過算法來反推各個關節的姿態。

4 軟件設計（見圖4）

圖4 運動控制圖

5 控制系統

本機械臂的驅動器件為步進電機，控制系統通過對步進電機的控制來達到控制機械臂的目的。因本SCARA機械手結構簡單、用于書法，負載相對來說較小，發生丟步的可能性極小。故控制系統采用開環控制（見圖5）。

圖5 系統關系圖

整個系統主要部分可分為上位機（PC端）、下位機（單片機）、驅動模塊、驅動器件（步進電機）四部分構成。PC主機主要為發送位置代碼和其他控制參數，單片機負責接收數據以及按照PC端所發送的參數進行解析驅動步進電機的運行，進而可實現PC端對機械臂的控制。

結束語：隨著科學技術的不斷發展，機械臂產業已經成為本世紀的朝陽產業。本文將三自由度的SCARA（斯卡拉）型機械手作為主要研究對象，根據書法的所需軟硬件的需求，設計了三自由度的SCARA（斯卡拉）型機械手本體機構，制定了其總體方案，并且針對運動學的分析、軌跡規劃以及其控制系統等問題進行了相關的研究，滿足了在一般的書法繪畫要求。機械在文化方面上的發展有待完善。