一種新型平面機器人設計及仿真分析

劉凱 程 斌 劉亞如

（埃夫特智能裝備股份有限公司，蕪湖 241000）

選擇順應性裝配機器手臂（Selective Compliance Assembly Robot Arm，SCARA）又被稱為水平多關節機器人，是一種平面運動的機器人構型，具備高速、高精度的特點，主要應用于3C 行業、新能源行業、食品行業等[1]。傳統的SCARA 機器人，其第三關節沿Z方向的上下平移運動，由于上下運動的關節布置在末端，工作域為扇形面，且受限于絲桿的長度和底座的高度，只適用于小范圍上下運動的場景。

針對傳動SCARA 的缺點，進一步研究和優化SCARA 的構型。張良安等針對傳統SCARA 的不足，額外增加2 個自由度，以提升機構的靈活度，擴大其工作空間，實現其在更多領域的應用[2]。朱偉等基于并聯機構剛度好、承載能力強的特點，設計了一種可實現SCARA 運動的新型四自由度高速并聯機器人機構[3]。王海峰等對SCARA 機器人的機械系統進行機構設計和分析，驗證了SCARA 機器人傳動方案與機械結構設計的可行性[4]。趙春等從SCARA 機器人構型原理出發，從驅動布置方式、零部件優化及動力學分析等角度，闡述SCARA 機器人本體的研究現狀[5]。

文章針對傳統SCARA 機器人存在的上下行程運動空間不足的問題，設計了一種新型平面機器人結構。在傳統SCARA 機器人構型的基礎上進行優化，通過將用于上下平移的第三關節移動到第一關節處，實現機器人第一關節到第三關節整體的上下平移，具備更大的三維運動空間，滿足更多領域的應用要求。同時，對機器人關鍵部位的結構進行詳細的方案設計和傳動設計，并進行電機、減速機的初步選型。通過動力學仿真分析各軸的受力情況，根據仿真的力矩曲線驗證機器人選型和設計的合理性。

1 機器人設計

1.1 總體設計

本設計中的新型平面機器人由基座、第一關節部、第二關節部、第三關節部、第四關節部組成。其中，第一關節部由滾珠絲桿、2 個對稱布置的支撐柱、拖鏈系統等組成。機器人的總體結構如圖1 所示。

圖1 新型平面機器人總體結構

新型平面機器人基座的作用是固定和搬運平面機器人。在基座內設置驅控系統并接入動力電源，即可實現機器人的運動。第一關節部的電機安裝在基座內，通過電機驅動滾珠絲桿實現第二到第四關節部整體的升降運動。第一關節部內2 個對稱布置的支撐柱用于提升整體的剛性，實現平穩的升降運動。拖鏈系統固定端位于基座上，活動端安裝在第二關節部，起到保護電纜的作用。第三關節部安裝在第二關節部上，第四關節部安裝在第三關節部上。新型平面機器人的主要技術參數如表1 所示。

表1 新型平面機器人的主要設計參數

新型平面機器人將傳統SCARA 機器人末端滾珠花鍵的結構形式，由第三關節調整到第一關節部，使機器人第二到第四關節部能夠整體升降，這樣能大幅擴大機器人的上下運動空間，可以在更大空間內實現抓取和搬運動作[6]。同時，對稱布置的支撐柱可以有效提升運行剛性，保證整體運動的平穩性。

1.2 關鍵部位結構設計

根據平面機器人的功能要求，將第一關節部設計為具備上下運動的升降結構。該結構作為整個結構調整中最關鍵的部位，需要進一步對其進行設計。新型平面機器人第二關節部結構，如圖2 所示。第二關節部由電機、固定板、輸入帶輪、同步帶、輸出帶輪、減速機、連接軸以及密封蓋組成。

圖2 新型平面機器人第二關節部結構

由于滾珠絲桿和支撐柱要貫穿于第二關節部，減速機要采用中空型減速機。中空結構的諧波減速機，其電機與減速機之間采用同步帶傳動，能夠實現高速、高精度的力矩傳遞，同時便于結構方案的設計。減速機和電機均安裝在固定板上，固定板前端通過連接軸安裝在滾珠絲桿上，后端兩側通過滑動軸承安裝在支撐柱上。在電機上端設計有密封蓋，既可以避免灰塵進入傳動系統，也方便帶輪的安裝和維護。

1.3 機器人各關節傳動形式設計

新型平面機器人各個關節的傳動如下：第一關節部（上下運動）→伺服電機→滾珠絲桿；第二關節部（回轉關節）→伺服電機→帶傳動→中空諧波減速機；第三關節部（回轉關節）→伺服電機→諧波減速機；第四關節部（回轉關節）→伺服電機→諧波減速機。

根據傳動形式，選擇機器人各關節的電機和減速機。初步確定的電機、減速機，電機功率和減速機型號如表2 所示。減速機選擇諧波減速機，品牌為綠的諧波，絲桿品牌選擇THK。

表2 新型平面機器人部件選型

2 機器人動力學仿真分析

2.1 機器人動力學建模

在SolidWorks Motion 仿真軟件中建立機器人的三維模型，同時在末端加6 kg 負載，對J2、J3、J4關節的最大速度和負載下的力矩進行仿真分析。仿真模型如圖3 所示。

圖3 動力學仿真三維模型

2.2 機器人動力學仿真分析

根據機器人的節拍要求，在軟件中設置機器人速度和加速度的仿真時間，如圖4 所示。圖4 中，機器人在0～0.3 s 加速運行，速度最大達到380 °·s-1，在0.3～0.6 s 減速運行，速度從380 °·s-1降到0 °·s-1。

圖4 第二關節軸的速度曲線圖

根據速度曲線圖中的參數運行，采集第二關節軸的關節力矩，如圖5 所示。第二關節軸的最大力矩為175 N·m。采用同樣的方法依次對第三關節軸和第四關節軸進行仿真分析，仿真數據如表3 所示。

表3 第二、第三、第四關節仿真數據

圖5 第二關節軸運動力矩圖

分析仿真結果可知，第二關節軸的推薦功率為652 W，輸出端最大力矩為175 N·m，額定轉矩為114 N·m。根據電機和減速機選型要求，仿真的最大功率要大于選型的最大功率，因此初步選型的600 W電機無法滿足需求，需要調整為750 W。額定轉矩和加減速轉矩分別對應減速機的額定轉矩和啟停轉矩，根據減速機的使用要求，它們要分別小于相應的值。通過查詢減速機樣冊可知，第二關節軸所選擇的LHSG-25-100 減速機的額定轉矩為84 N·m，啟停轉矩為194 N·m，滿足設計要求。采用上述方法，校核和調整第三關節軸和第四關節軸電機的選型。

3 結語

針對傳統SCARA 機器人運動空間不足的缺點進行改進，將第三關節上下運動的絲桿傳動設置在第一關節處，實現機器人整體的上下運動，擴大運動空間。對新型平面機器人的傳動結構進行詳細設計，在方案上確保其工藝的合理性，初步選擇電機和減速機型號，通過動力學仿真驗證選擇的電機和減速機型號是否合理，為后續樣機的制作和生產提供依據。