0490-4-DOF SCARA机器人结构设计与运动模拟【CAD图+说明书】
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4-DOF SCARA 机器人结构设计与运动模拟
摘要：工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。
本文设计了一个工业用SCARA机器人。SCARA机器人(全称Selectively Compliance Articulated Robot Arm)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动。它是一种工业机器人，具有四个自由度。其中，三个旋转自由度，另外一个是移动自由度。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。
本文用模块化设计方法设计了SCARA机器人的机械结构。分析了SCARA机器人的运动学正解和逆解，建立了机器人末端位姿误差计算模型并做了运动模拟。
关键字: SCARA 位姿误差
- 内容简介：
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to be in of 996 216of . . . . . . . . 44106a of We as to to of a as to to is by of a to be is a in is is “ of a to to . “on at to a .”2. “of . to a on be In of a In s an : to is to of in is as to of to to be in of 996 216of a of of A of is to in is of of in of to be to a of of an )a of as as a of a of is a of of an on a of is of a of is in of is is to be a of an a as as V An is It to he on to by a to as as a in is a 2 on to by s). of to of in is to at on to of of is of A ) is of to to a of to be a an at a in s by to on of of to of to a it of is by ). to be s to be in of 996 216be of a be be To s as an to : of is to a an be to is a is on of to a a in is to on to to of is is It to at an or to of on in a of of to of of of : to be is If of a no to as a as or a of to on An of is of a an in be by on to is is in a its to it of in s is to of of is of is of be to of is to to a s be to be in of 996 216be to or a of or on of to is to a to be to to is a be to . of In a it be to a of a to in to by a to a A of is If in to be to if it no a or in of A to In to be to at a if a a B to at it is to of to of a is or +8s MV it is + in as a is It to C , a In it of a V : s by a in to ). (s), on a + on BCs V is In a be on by a of on be or a to to be in of 996 216on to be BCs on a of V is to of a to In we of In is O), it a as of O of to to is to an or +to by or by of of s a to of we to in of to A is a or a is to a of So we acti 敏捷制造的轻型作业单元设计机械应用 罗杰 D 奎因，格雷格三考西 机械系和航空航天工程 弗兰克，戴维 M 萨金特，尼古拉答 曼，维尔吉利奥 电机工程学系与应用物理系 安迪 妍乔 . 算机系工程与科学 凯斯西储大学（ 美国俄亥俄州克利夫兰， 44106 摘要 ： 本文介绍了一种灵活的设计用于制造工作单元光机电从类似的产品的装配部件（即作出部分 零件 ）。我们定义了敏捷制造能够实现快速转换，从 装配 一个产品到另一个产品的装配。快速硬件转换成为可能，通过使用 机 器人，灵活的 装配 部分，模块化夹子机模块化装配硬件。依靠灵活的馈线上料皮带和二进制计算机视觉构成估计。这明显的优势超过 碗饲养的饲养计划需要大量的调整从一个转换另一部分。正在快速转换软件促进了一个真正的一次性使用的，面向对象软件环境，模块化的软件，图形为离线模拟软件的开发，以及创新的双控制器结构 线。这些灵活的功能允许将引进新产品最小的停机时间和系统重构。 1 简介 么是敏捷制造？ 敏捷 制造是一个长期见过增加了过去几年中，工业使用。该“敏捷“的定义，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一个制造商的措施突然的反应能力，不可预测的变化客户需求的产品和服务，使一利润“ 1。 “今天工厂正在陆续被在裁缝敏捷货物交给客户的要求不停产 . 2 敏捷制造 同化物的柔性生产全系列技术，以吸取的教训以及总质量管理， 只是在时间的生产和 精益 生产“ 3。唯一的共同点之一各种定义是能够制造出多种对什么可迅速为基础的类似产品不断变化的客户需求。在过去，生产专门针对大批量单一生产产品。在今天的市场，然而，重点是对 小批量移动从不断变化的，客户驱动的产品线。 图 1：敏捷作业单元 一个“敏捷“制造的定义已通过适用于光机电装配产品：敏捷制造是有能力完成快速转换之间的不同制造利用基本相同的组件工作单元。快速转换（以小时为单位），此外，被定义为移动能力的一个产品，从大会 另一种产品装配与最低的变化工具和软件。快速转换使生产小批量，让 只是在时间 生产。我们的“敏捷“的定义的中心主题制造业是能够迅速推出（按星期计算）为新的组件和部件系统。 在这个系统中，快速完成转换通过可重复使用的软件的使用，快速变化该机械手夹持器 ，模块化工作表和部分馈线其中有足够的弹性处理，而无需机械零件的几种类型调整。这些馈线使用视觉，在硬地夹具，以确定位置和方向部分。通用，可重复使用的例程允许新的部分视力被添加到具有最低系统的努力。 一个实施一个灵活的测试平台已开发生产工作单元（图 1）。这包括机械机器人，灵活的部分进料器，视觉系统（摄像机，图像采集，并库中的图像处理程序），以及有限传感器和执行器专用所需人数完成一个给定的程序集。这样一个核心特征工作单元是一个控制器控制每一个有能力的上述组件。 该工作单元是中央输送系统，这是博世实现使用标准的硬件 。这是负责转移部分完成组装机器人之间进行成品和单位一卸货机器人的机器人安装在基座附近输送带系统。托盘与专业部件固定装置是用来在整个集会进行系统完成后，该组件将被删除从托盘的装卸机械。最后，安全笼包围整个工作单元，服务保障 运营商以及提供用于安装的结构开销相机。 送系统 输送机系统在 用工作单元是一个模型 博世制造。托盘在两个主要传阅，输送线。这些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盘转移这两者之间部分由电梯传热单元（ ）的手段。这些允许各地输送托盘流通系统和重新排序能力的托盘。在系 统托盘的每个都有一个独特的识别号码，使系统跟踪和直接的进展。止损是安装在关键输送机上的点来控制托盘的流量。这方面的一个创新的输送系统使用的是使用短“骨刺线“。一种鞭策（图 2）是一个单纯的延长输送机，垂直为主线（类似于铁路支线）。这允许流主输送线，而要维持一个机器人执行组装在鞭策。托盘进入一个刺激注册在机器人的世界由一个坐标系 臂安装摄像头，允许地方或机器人消除对托盘零件，避免牺牲机械登记 配站 大会的几个车站的布局进行了分析在选择最终布局。在评估了几个每一个布局功能，包括：展示位置相对于机器人输送 机，给料机的影响相对于机器人的位置工作信封，并机器人动作一个通用大会的必要，这是确定，在图 2 最适合的布局需要的工作单元。每一个装配机器人是由两个包围模块化，可移动工作台和两个固定喂养表（图 2）。模块化表很容易交换，允许专门组装硬件放置在机器人的工作信封。表中包含的模块化和气动执行器可连接快速电传感器，允许任何专门工具迅速变化需要一个给定的程序集。通过设计这些表是模块化和易于交换，不同的装配硬件可以快速入住。为了实现快速转换，模块化工作登记表在机器人的世界坐标在同一系统由于托盘的方式（即使用臂安装摄像头）。进 料表是固定的，与水平， 送机安装到他们。 图 2：工作站布局 输送机的一个缺点 /刺激系统，如上所述，必须充分交流的时间托盘为一个空的。在这段时间（约 15 秒）的机器人将可以想象无效。一简单的解决这个问题是一个迷你仓：一夹具是位于交换部分的工作表来保存一些完成组装。在一个托盘互换，装配机器人可以继续运作而传入的工作托盘到达时，放置在迷你仓完成组装。后来电转移到托盘的刺激，视觉系统寄存器的托盘。该机器人将当前的大会（在其爪仍）托盘上，然后所得款项将完成从组件迷你仓的托盘。 料机 柔性件 每个支线组成（图三传送带 3）。第一输送机倾斜，从电梯部件散装料斗。第二输送机是水平的，具有半透明带。它传输到机器人零部件，呈现在附近的机器人 。该第三输送机返回未使用的或不利的导向到大型料斗部分。 正确地运作取决于馈线部分被取消的散装料斗中 式。许多因素影响效益倾斜输送机：对角输送到水平方面，皮带特性（如摩擦系数），对带式（防滑，磁力，真空），以及线速度带，例如。 图 3：灵活浇注系统示意图 当不同的零件，应美联储，散装料斗清空，并与新的 部件填补。如果部分是类似的几何形状，进料没有变化系统通常是必要的。一些地区，如圆形或圆柱的（即那些将回滚下来倾斜）可能需要不同的腰带，如表面，防滑一个或一个不同的角度倾斜。架空相机用于定位部件对水平输送机。一种紧凑型荧光灯阵列灯是安装在每个输送机的水平。用半透明的这些灯一起输送带提供 分可向视觉系统。使用二进制视觉工具（目前上料机由一个熟练的视觉系统提供）部分皮带进行检查。首先，视觉系统会查看是否一部分是抓握（即部分承认的是，稳定姿态（位置和方向）和足够的间隙之间存在的一部分，它的邻国 抓住了它爪）。第二，造成了部分在机器人的世界坐标确定。这个姿势，和动作与收购相关的部分，是检查，以确保他们在机器人的工作信封。 觉系统 视觉系统的一个基本功能是确定灵活的组件构成部分喂养。姿态估计是使用内置该 件功能，而且必须要快够不干预装配周期时间。一对视觉系统的第二功能是登记托盘和模块化的工作表到机器人的世界坐标系统，避免了调整的需要硬件。还有另一种可能是使用错误恢复，其中，该相机可以用来检查临界点在系统中，或在进程内组件。 该视觉系统使用的标准数字 机， 装配件或以上的灵活馈线或在机器人手臂。由于数字相机到 统的投入是有限的四个，一个低成本，自定义视频多路复用器的开发，利用一单片式视频切换器集成电路。这使得多达四台摄像机被连接到每个视频输入法视频硬件。 在与快速转换保持理念，视觉程序设可重复使用，这是一个给定的常规，可用于定位几个不同但相似的部分（即类似计为不对称性，拓扑结构等）。这种方法有很多优势，包括尽量减少软件的数量例程。此外，该软件允许重复使用模块化和“敏捷。“例如，通过参数化特征例行搜查因为，它可以适用于部分有一个类似的个人资 料但属于不同的大小。这意味着，部分与在这些类似的几何形状零件库，可添加到系统中，只需修改检查程序调用这些低层次的，可重复使用的例程， 进的新零件 添加一个新的一部分，该系统涉及数明确任务。 愿景例行这就决定了构成的一部分，开发，利用图书馆可重复使用的视觉例程。如果新的部分似乎没有别的地方特色，在零件图书馆，新的程序可能需要添加到软件库。此外，如果部分没有被设计为使用通用零部件馈线（例如它没有稳定的姿势像，缸），可能需要的馈线变更或腰带改变倾斜角度。引人入胜还必须旨在操纵新的一部分。为了尽量减少避免了专门的硬件和工具的变化大会，手爪设计应进行与其他部件的设计，同时为抓手聚集在一个给定的机器人。举例来说，如果给定操作既需要一个一个小部件和组件是一个 B 在第一个机器人组装，设计人员应手爪考虑到这一点 在一般情况下，最好是设计的部件和相关的硬件同时进行。这将使最大程度地重用的软件，以最小的变化灵活的体制和喂养一个强有力的装配设计序列，将加强无人操作。这方法称为设计制造及 者干脆 3 计算机硬件 /控制器 设计 目前的软件已被完全开发在 程语言和操作系统，在娴熟的 制器。对于大多数工业应用中，这将是编程环境足够的，但它缺乏动力和灵活性需要支持快速的软件开发和转换。这主要是因为 V+缺乏特色这是标准的其他语言和操作系统系统，如用户定义函数，标准数据结构和 执行。 To a 泛的控制器接口的设计工作已发展。这将允许系统来支持 C 和的 C +，并提供一个更友好，更灵活的用户接口。此外，它将允许实时使用操作系统，从而简化软件开发和提高性能。 图 4：系统架构 在这个设计中，系统的能力扩大了使用除第二 4）。这第二个 线房子的 I / O 板和专用 单板计算 机（ ），对其中一个实时操作系统执行 C 和 C+程序对 运行的。负责所有高层次的控制和机器人 运动（例如：输送机控制，气动操作，指定机器人目的地），而采用压控制器专为低级别的机器人运动（如伺服控制和轨迹生成）和一些机视觉例程。在以后的实现，这是视觉处理板，也可以用在第二 线，从而充实了统。两个总线连接电缆或光纤连接。内存所做的更改由一个反射内存网络。这包括两个内存卡，各有一个总线，它可以由连接的 一板会自动反映，另一方面，从而允许指令和数据传送之间两个 塞尔公约秘书处的地点可以使机器人对反射内存网络的构想命令。这些都是宣读了命令组服务器上运行 控制器。 这些服务器执行命令并在适用时，返回相同的结果通过网络。 4 作业单元软件 另一个软件是一个灵活性的关键敏捷制造工作单元，但是，这种灵活性不来而精心设计。尽管软件本质上是比硬件更容易改变，结构一个软件系统可以降低，经过反复修改，导致可靠性差，并增加维修费用。在设计工作单元控制软件方面，我们聘请软件工程方法和工具支持的设计原则改变。特别是，我们最新的设计是面向对象（ ，也就是说，它是根据物体的识别该系统，这是这些实体有一个国家和一个行为。物理设备，抽象数据结构整个子系统建模为对象，提供，明确设定服务时， 其执行封装和隐藏。强调面向对象软件设计减少了工作量需要引入进入新的工作单元产品通过可重用的代码。 能够迅速引入新产品工作单元是至关重要的一个灵活的系统。对象类型或类类构造，其中服务对应 定义使用 C + +电话。新的类派生自现有通过增加的服务或通过覆盖实现现有服务。面向对象便于维护，因为一个实施类是可以改变的，而不会影响客户端代码，使用类的服务，因为派生类可以可用于任何需要它的父类即可。除了满足我们的要求特别是制造业中的应用，我们希望指定 软件设计的组件，可能证明有用 敏捷制造各种应用 。因此，我们试图确定敏捷设计模式制造业。设计模式是一组沟通的对象或类，两者代表一个可重复使用的设计元素，是适用的，经过一番专业化，一 种。到目前为止，我们已经确定用于这种活动的设计模式整个系统的控制，系统之间的通信元器件，零部件和组件的规定，调度系统任务和错误处理。 业系统 该工作单元控制的最初版本 软件实施了与 V+操作系统 和编程语言提供了善于压控制器。虽然为 V +提供了足够的设施许多机器人应用，我们确定一个更先进的操作系统和编程语言将更好地支持我们的软件设计理念和敏捷制造的目标。一般来说，工作单元控制涉及的号码管理实时限制并发任务。因此，一实时操作系统（ 足够和任务调度，通信和可靠的设施同步是可取的。 件体系结构 该工作单元控制软件被设计成一个层次结构的服务器。在最高水平，工作单元控制器的服务请求人的经营人包装箱成品组件。在这样做时，到托盘服务器沿着托盘输送机马刺之间。托盘服务器跟踪运动每个托盘，但工作单元控制器负责知道托盘内容。该工作单元控制器 大会的服务器，这都与要求机器人，以填补部分或全部组件托盘。为了满足这些要求，大会的服务器必须部分下属与服务器进行通信以 及与机器人和专用硬件。的部分反过来服务器必须与零件馈线和通信与视觉系统。一般来说，服务器的设计作为对整体工作单元一些假设如可能的结构，使他们不敏感该结构的变化。在适当情况下，服务器同时运行，例如，同时增加了一个机器人部分集会，该部分服务器尝试设在机器人的未来预期另一部分 错误的处理，也是分层的。如果一台服务器遇到一个错误，它首先试图解决这个问题在当地，例如，通过使更多的要求下属服务器。如果失败，服务器表明它的客户端它无法提供所要求的服务。客户端然后试图解决这个错误条件。作为一个具体例如，考虑一个部分服务器无 法找到一部分在其远景窗口。它会一再提前给料机和拍照。如果没有部分是内发现一一定数量的重复，将报告的部分支线大会未能服务器。如果没有多余馈线部分，它可以调用，服务器将在大会信号发生故障的工作单元控制器。在缺乏冗余服务器的组装问题，钍控制器将问题通知，要求经营者人为干预。鲁棒，容错软件必要的无人值守，操作的工作单元。 以明显看出一个仿真硬件系统预计将是极为有益的。该决定是为了开始发展全面的仿真，将允许工作单元控制代码被开发和测试，而不使用实际硬件。这允许控 制软件来编写和调试没有制止生产功能工作单元。它也非常有用，以显示图形硬件的响应（图 5） 特别是研究各种工作单元布局。 ， 图 5： 拟 输送系统已完全模拟。详细的仿真机器人和远见系统正在开发中。仿真代码模仿的工作单元的输入和输出，使为模拟透明地使用。换句话说，在代码是用来模拟控制的工作单元是相同的代码运行在同一处理器板用于控制物理设备。这是一个功能强大的工具软件设计中不存在任何矛盾控制与仿真代码和实际控制代码。这消除了移动可能移植问题从模拟到实际控制平台 5 结论 本研究成功验证的关键问题 对于一个敏捷制造工作单元的设计。柔性件馈线，机器视觉，模块化硬件，广泛的控制器接口，在线纠错，图形模拟和模块化的软件都一个广泛实施的重要因素。在继续工作，该系统正在扩大模块化的程序，包括视觉，一个实时的使用操作系统，面向对象编程，广泛的错误检测和恢复。产品设计制造和装配也将发挥关键作用在促进摄食，装配，并造成估计。 参考文献 1捷制造的搜索。制造工程， 30:281993。 2活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993. 3理，技术和敏捷性：一个新时代的出现制造业。国际科技杂志管理， 8（ 1/ 2）， 1993 4活的工厂：案例研究。电机及电子学工程师联合会频谱，30:281993。 5活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993。 6个计算机框架视力敏捷制造。硕士论文，案例西储大学， 1996。 7. 布思罗伊德杜赫斯特公司产品装配设计， 1991 年 3 月 8 +语言参考指南， ， 1993 年 6 月 787月。 9 线系统， 9（ 3）， 1992。 10头盔，河约翰逊和 J. 计模式，可复用面向对象软件。艾迪生韦斯利，读，硕士， 1994。 致谢 这项工作得到了克利夫兰先进制造项目（营地）通过中心自动化和智能系统研究（ 学校的工程案例 开题报告 题目 4器人结构设计与运动模拟 一、 选题的依据 ： 机器人技术涵盖了机械技术与信息技术，水平多关节机器人 （ 制造行业中应用非常广泛。随着全球化的流行，中国未来的发展受到严峻的考验。市场竞争的不断加剧，为尽快将我国的装配机器人产业化， 器人是设计和生产单位急需对这种机器人的结构和性能进行充分的理论分析和优化。对 器人进行 结构设计与运动模拟的目的就在于使中国对工业机器人领域有更多的应用。因此，研究机器人的结构对生产制造有着很重要的意义。 二、 国内外研 究概况及发展趋势（含文献综述）： 1. 国内 研究概况及发展趋势 我国从上世纪 80 年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近20 年来取得不少的科研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。近 10 年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，特别是我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我 国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。 中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。 从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开 放化、 和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 图 1 图 2 图 1 是喷涂机器人，可以代替工人进行喷涂作业效率高。图 2 是焊接机器人，正在 焊接零部件。 图 3 图 4 图 3 是装配机器人， 在组装汽车。 图 4、图 5、图 6、图 7 都是捡面包机器人它们的工作效率人是无法达到 的，在生产面包时几台机器人就可以替代几百人的劳动力。 2 国外工业机器人研究概况及发展趋势 工业机器人的发展现状 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会和国际机器人联合会的统计，世界机器人市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 20 世纪 90 年代 ，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10左右。 2004年增长率达到创记录的 20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达 43%。 图 5 图 6 图 7 图 8 图 8、图 9、图 10 机器人在装配汽车，在装配生产线上各种机器人组成生产线来代替人工的生产线，给更多的时间让人去做创造性的事情。这对推动科学的发展、社会的发展有很大的意义。 图 9 图 10 图 11 图 12 工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的 本的 国的 国的 大利 司。为其所在地区的支柱性产业。 目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、 下、 二越、川崎等公司的产 品。欧系中主要有德国的 典的 大利的 奥地利的 司。工业机器人已成为柔性制造系统（ 工厂自动化（ 计算机集成制造系统（ 自动工具。 三 研究内容及实验方案： 研究内容 ： 1 4器人结构设计； 3 机器人的动力分析； 设计方案： 1、收集有关资料、写开题报告； 2、翻译外文资料； 3、结构设计； 4、运用 制零件图及装配图； 5、机器人的运动模拟； 6、 撰写 毕业设计论文。 四、目标、主要特色及工作进度 1、 目标： 利用 器人的结构设计及运动模拟。 2、主要特色 ： 采用 计机器人能提高设计的效率，为产品开发缩短时间。 3、工作进度： 1）、收集资料、开题报告、外文翻译（ 6000 字符以上） ）、总体方案设计 3）、零部件的结构设计 ）、计算与强度校核 ） 、毕业论文整理及答辩准备 、参考文献 【 1】 孙桓，陈作模主编 第七版 等教育出版社， 【 2】 马香峰主编 冶金工业出版社， 1966； 【 3】 宗光华 张慧慧译 科学出版社， 2004； 【 4】 吴振彪等主编 二版）华中科技大学出版社， 2006； 【 5】 于靖军等主编 机械工业出版社， 2008； 【 6】 郑贞平，喻德主编 X 5 三维设计与 工 2008； 【 7】 D 998, 5(2):334器人结构设计与运动模拟 摘要 ： 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。 本文设计了一个工业用 器人。 器人 (全称 类似人的手臂的运动，它包含肩关节肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动。它是一种工业机器人，具有四个自由度。其中，三个旋转自由度，另外一 个是移动自由度。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。 本文用模块化设计方法设计了 器人的机械结构。分析了 器人的运动学正解和逆解，建立了机器人末端位姿误差计算模型 并做了运动模拟。 关键字 : 位姿误差 4 is of of a an is to to It is an of of is It in in of in a of to of of 目录 第一章绪论 . 1 1 1 引言 . 1 1 2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势 . 1 器人简介 . 2 面关节型装配机器人关键技术 . 4 作机的机构设计与传动技术 . 4 器人计算机控制技术 . 4 测传感技术 . 5 目的主要研究内容 . 6 目研究的主要内容、技术方案及其意义 . 6 解决的关键问题 . 7 第二章 器人的机械结构设计 . 7 器人的总体设计 . 7 器人的技术参数 . 7 器人外形尺寸与工作空间 . 7 器人的总体传动方案 . 8 器人关键零部件设计计算 . 10 速机的设计计算 . 10 机的设计计算 . 11 步齿型带的设计计算 . 11 珠丝杠副的设计计算 . 13 臂和小臂机械结构设计 . 14 部机械结构设计 . 16 结 . 17 第三章 器人的位姿误差建模 . 17 于机构精度通用算法的机器人位姿误差建模 . 17 构精度通用算法 . 18 用机器人位姿误差模型 . 20 构通用精度模型与机器人位姿误差模型的联系 . 20 器人位姿误差模型的建立 . 20 结 . 25 总结 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 28 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 4器人结构设计与运动模拟 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 1. 以 4器人为研究对象，按照下列技术要求，基于三维软件完成 4器人的结构设计及运动模拟、 2、设计技术要求： (1) 抓重： 12) 自由度： 4 (3) 运动参数： 大臂： 100。 (回转角度 )，角速度 s 小臂： 50。 (回转角度 )，角速度 s 手腕回转： 100。 (回转角度 )，角速度 ： 100降距离 )，线速度 s 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1）、收集资料、开题报告、外文翻译（ 6000 字符以上） ）、总体方案设计 ）、零部件的结构设计 ）、计算与强度校核 ）、毕业论文整理及答辩准备 、主 要参考资料： 【 1】 孙桓，陈作模主编 第七版 等教育出版社， 【 2】马香峰主编 冶金工业出版社， 1966； 【 3】宗光华 张慧慧译 科学出版社， 2004； 【 4】吴振彪等主编 二版）华中科技大学出版社， 2006； 【 5】于靖军等主编 机械工业出版社， 2008； 【 6】 郑贞平，喻德主编 X 5 三维设计与 工 2008； 【 7】 D 998, 5(2):33械设计制造及其自动化 专业 0781052 班 学生（签名）： 填写日期： 2011 年 3 月 1 日 指导教师（签名）： 助理指 导教师 (并指出所负责的部分 )： 系主任（签名）： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 1 第一章绪论 1 1 引言 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。 工业机器人既具有操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备。 目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业，其次是电器制造业， 约占 而化工业则占 此外，工业机器人在食品、制药、器械、航空航天及金属加工等方面也有较多应用。随着工业机器人的发展，其应用领域开始从制造业扩展到非制造业，同时在原制造业中也在不断的深入渗透，向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。 一般来说，机器人系统可按功能分为下面四个部分川 : l)机械本体和执行机构 :包括机身、传动机构、操作机构、框架、机械连接等内在的支持结构。 2)动力 部分 :包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。 3)检测传感装置 :包括传感器及其相应的信号检测电路。 4)控制及信息处理装置 :由硬件、软件构成的机器人控制系统。 1 2 国内外机器人领域研究现状及发展趋势 (1)工业机器人性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 美元降至 2005 年的 5 万美元。 2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 ;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机 ;国 外己 2 有模块化装配机器人产品问市。 (3)工业机器人控制系统向基于 于标准化、网络化 :器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 ;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 ;多传感器融合配置技术在产品化系统中己有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真 、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。从 1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置己成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 器人简介 器人 (如图 1 一 1 所示 )很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，在平面内进行定位和定向，是一种固定式的工业机器人。它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。 3个旋转关节，其轴线相互平行，手腕参考点的位置是由两个旋转关节的角位移 p，和 移动关节的位移 类机器人结构轻便、响应快，例如 器人的运动速度可达 10m/S，比一般的关节式机器人快数倍。它能实现平面运动，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性 大，具有柔顺性。 3 图 1一 1图 1一 2 图 1一 3 泛应用于垂直方向的装配。广泛应用于需要高效率的装配、焊接、密封和搬运等众多应用领域，具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、工作空间大的优点。由于组成的部件少，因此工作更加可靠，减少维护。有地面 安装和顶置安装两种安装方式，方便安装于各种空间。可 4 以用它们直接组成为焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、搬运机器人、插件机器人等，效率高，占地小，基本免维护。 面关节型装配机器人关键技术 由于机器人运行速度快，定位精度高，需要进行运动学与动力学设计计算，解决好操作机结构设计与传动链设计。包括 : (l)重量轻、刚性好、惯性小的机械本体结构设计和制造技术一般采用精巧的结构设计及合理的空间布局，如把驱动电机安装在机座上，就可减少臂部惯量、增强机身刚性 ;在不影响 使用性能的情况下，各种部件尽量采用空心结构。此外，材料的选择对整机性能也是至关重要的。 (2)精确传动轴系的设计、制造及调整技术由伺服电机直接驱动，实现无间隙、无空回、少摩擦、少磨损，提高刚性、精度、可靠性 ; 各轴承采用预紧措施以保证传动精度和稳定性。 (3)传动平稳、精度高、结构紧凑且效率高的传动机构设计、制造和调整技术由于在解决机械本体结构问题时，往往会对传动机构提出更高要求，有时还存在多级传动，因此要达到上述目的，常采用的方法有 :钢带传动，实现无摩擦无间隙、高精度传动 ;滚珠丝杠传动，可提高 传动效率且传动平稳，起动和低速性能好，摩擦磨损小 ;采用 缩短传动链。同时合理安排检测系统位置，进一步提高系统精度 由于自动生产线和装配精度的要求及周边设备的限制，使装配机器人的控制过程非常复杂，并要求终端运动平稳、位姿轨迹精确。现阶段机器人的控制方式主要有两种 :一是采用专用的控制系统，如 等 ;二是基于 的运动控制架构，如 。在控制领域常涉及的关键技术包括 : (l)点位控制与轨迹控制的双重控制技术一般 为装配机器人安装高级编程语言和操作系统。常用的编程方式有示教编程与离线编程。另一方面，合理选择关节驱动器功率和变速比、终端基点密度和基点插补方式，以使运动精确、轨迹光滑。 5 (2)装配机器人柔顺运动控制技术 由于机器人柔顺运动控制是一种关联的、变参数的非线性控制，能使机器人末端执行器和作业对象或环境之间的运动和状态符合给定要求。这种控制的关键在于选择一种合适的控制算法。 (3)误差建模技术 在机器人运动中，机械制造误差、传动间隙、控制算法误差等会引起机器人末端位姿误差。因此有必要对机器人运动进行误差补偿，建立 合理可靠的误差模型，进行公差优化分配，对系统进行误差的标定并采用合适的误差补偿环节。 (4)控制软件技术 将诸如减振算法、前馈控制、预测算法等先进的现代控制理论嵌入到机器人控制器内使机器人具有更精确的定位、定轮廓、更高的移动速度、更短的调整时间，即使在刚性低的机器人结构中也能达到无振动运动等特性，有助于提高机器人性能。 . 检测传感技术的关键是传感器技术，它主要用于检测机器人系统中自身与作业对象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统动作。传感器精度、灵敏度和可靠性很大程度决定了 系统性能的好坏。检测传感技术包含两个方面的内容 :一是传感器本身的研究和应用，二是检测装置的研究与开发。包括 : (1)多维力觉传感器技术 多维力觉传感器目前在国际上也是一个热点，涉及内容多、难度大。它能同时检测三维空间的全力信息，在精密装配、双手协调、零力示教等作业中，有广泛应用。它包括弹性体、传感器头、综合解藕单元、数据处理单元及专用电源等。 (2)视觉技术 视觉技术与检测传感技术的关系类似于人的视觉与触觉的关系，与触觉相比，视觉需要复杂的信息处理技术与高速运算能力，成本较高，而触觉则比较简 单，可靠且较易实现。但在有些情况下，视觉可完成对作业对象形状和姿态的识别，可比较全面的获得周围环境数据，在一些特殊装配场合有很大优越性，如在无定位、自主式装配、远程遥控装配、无人介入装配等情况下特别适用。因此如何采用合适的硬件系统对信息进行采集、传输，并对数据进行分析、处理、识别，以得到有用信息用于控制也是一个关键问题。 6 (3)多路传感器信息融合技术 由于装配机器人中运用多种传感器来采集信息，得到的信息也是多种多样，必须用有效的手段对这些信息进行处理，才能得到有用信息。因此，信息融合技术也成为制约检 测技术发展的瓶颈。 (3)检测传感装置的集成化和智能化技术 检测传感装置的集成化能形成复式传感器或矩阵式传感器，而把传感器和测量装置集成则能形成一体化传感器。这些方法都能使传感器功能增加、体积变小、并使检测传感系统性能提高，更加稳定可靠。检测传感装置的智能化则是在检测传感装置中添加微型机或微处理器，使其具有自动判断，自动处理和自动操作等功能。加快系统响应速度、消除或减小环境因素影响、提高系统精度、延长平均无故障时间。 目的主要研究内容 术方案及其意义 本课题是要设计 一个教学 为工业机器人的 大多驱动装置采用伺服电机，传动系统采用 速机，由这些部件构成的整机价格昂贵，不适宜于作为教学用途。而教学机器人相对而言对运动精度的要求要比工业场合用的机器人所要求的精度低，对运动速度和稳定性的要求也不高，它只需具备机器人的基本元素，达到一定的精度即可。实际上由步进电机构成的开环系统精度已经很高，能满足教学用途，而且成本比伺服电机构成的闭环、半闭环系统低很多。谐波传动也是精度高、传动平稳并且很成熟的一项传动技术。因此自主开发低成本的 教学机器人很有意义。对本机器人的研制，拟采用步进电机作为动力装置，采用谐波减速机作为传动链的主要部件，同时辅以同步齿形带和滚珠丝杠等零部件来构成机器人的机械本体。控制系统采用基于运动控制架构，研究机器人关节空间的轨迹规划算法和笛卡儿空间的直线轨迹规划算法，利用控制卡提供的运动控制库函数在 境下用 项目研究的总体步骤是 : 选出最优传动方案一一关键零部件选型一一机械系统三维建模一一零部件工程图和总装图一一控制系统设计一一运动学分析及位姿误差建模一一 控制软 7 件的开发以及轨迹规划算法的研究。 (1)抗倾覆力矩问题的解决。 伸也大，造成很大的倾覆力矩，影响机器人的性能，通过合理的机械结构设计来加以解决。 (2)机器人的运动学分析以及位姿误差建模方法的研究。根据运动学参数法，建立通用机器人位姿变换方程，在位姿变换方程的基础上建立机器人位姿误差的数学模型，采用矩阵变换直接推导出机器人末端位姿误差与运动学参数误差的函数关系式。 (3)机器人轨迹规划算法的研究。包括给定起点和终点的关节轨迹规划 (算法，以及给定起点和终点的直线轨迹规划 (算法。 第二章 器人的机械结构设计 近年来，工业机器人有一个发展趋势 :机械结构模块化和可重构化。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 ;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机 ;国外己有模块化装配机器人产品问市。本章介绍模块化的设计方法在 器人的结构设计中的应用。 器人的技术参数 (1) 抓重： 12) 自由度： 4 (3) 运动参 数： 大臂： 100。 (回转角度 )，角速度 s 小臂： 50。 (回转角度 )，角速度 s 手腕回转： 100。 (回转角度 )，角速度 ： 100降距离 )，线速度 s 器人外形尺寸与工作空间 8 依据设计要求， 器人的外形尺寸如图 2一 1所示，工作空间如图 2一 2。 图 2一 1 图 2一 2 9 图 2一 3 器人的总体传动方案 目前，机器人的传动系统中主要是使用 速器或谐波减速器。 速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比， 轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。谐波减速器也具有传动比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于 速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本设计中采用谐波减速 机。 器人大小臂均要承受轴向压力和倾覆力矩，所以大臂和小臂均采用谐波减速机加推力向心交叉短圆柱滚子轴承结构。而推力向心交叉短圆柱滚子轴承刚度高，能承受轴向压力与径向扭矩，与谐波减速机配合正符合 器人大小臂高刚性及高的抗倾覆力矩的要求。这样有利于缩短传动链，简化结构设计伙，。由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，所以传动方式要求同时实现 要求结构紧凑、重量轻。经过比较，选择同步齿形带加滚珠丝杠来实现 用同步齿形带 加带键的滑动轴套来实现 10 大臂回转 :步进电机 1一 谐波减速器一 大臂 小臂回转 :步进电机 2一 谐波减速器一 小臂 主轴垂直直线运动 :步进电机 3一 同步齿形带一 丝杠螺母一 主轴 主轴旋转 :步进电机 4一 同步齿形带一 花键一 主轴 器人关键零部件设计计算 大臂的转动速度为 角速度 s，电机初选四通步进电机，两相混合式86402。最高转速为 30计电机按 1500 : 0090360150060 100= 初选谐波减速器为北京中技克美谐波传动有限责任公司的机型为 60 的 型谐波减速器，其传动比可以是 100( 60 系列组件的规格和额定数值见下表 ) 表 2一 20一 100的规格和额定数值表 机型 速比 最高输入转速 入转速 3000流体润滑脂 油润滑 输入功率 出功率 出扭矩 0 100 30000 50000 0 30 11 1Z 轴 (机座旋转轴 )的等效转动惯量为 2 2 21 2 2 3 3 3 0121 . 8C C C R M R M R J JK g + + + +=d 1 2 3P ( 1 ) ( 1 ) 2 0 0 1 . 4 2 8 0K K K W W 式中 :初拟机座的外径为 150径为 100轮直径 60 40设谐波减速器转动惯量 4 - 3 2 J = 7 8 0 0 K g / m 3 ( 0 . 0 6 m ) 0 . 0 4 m 1 0 = 4 k g . c m 电机的转子惯量 86 0402电机的转子惯量 15409. 2 1J 因此自由度弓传动系统上所有惯量折算到电机轴 1上的等效惯量 1J 为 2 4 21 2 2 212/2c m / 2 2 . 2 1 0 k g mi i i 电机轴扭矩为 T=1 因为所选材料的摩擦系数 f=响 应时间 T= - 4 2 1 . 5 7 /T = 2 . 2 x 1 0 . 0 . 1 0 4r a d sK g m x N 选两相混合式步进电机 86 0402 电机在 3足要求，其余几个电机的选择计算类似，第二自由度选择 86三和第四自由度是两个 56 表 2一 3步进电机技术数据 序号 型号 相数 步距角 （。） 静态相流 （ A） 相电电阻 相电感 (保持转矩 (定位转矩 (重量 (1 86 1 86 56 同步齿型带的设计计算 考虑到整体结构，选择一对直径 60右的带轮同步齿型带传递的设计功率随载荷性质、速度增减和张紧轮的配置而变化。令凡为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数， K。为考虑张紧轮的修正系数。1 2 31 . 4 0 , 0K K K 36查 表 知 ， 12 设计功率为 : d 1 2 3P ( 1 ) ( 1 ) 2 0 0 1 . 4 2 8 0K K K W W (2)选择带型和带轮节径及齿数参照“同步带选型图”选择带型为 L 型，则选择带轮 20 1 2 0 1 2002 1 2 102100 . 7 ( ) 2 ( )8 5 2 4 3 9 0( ) ( )2 c o 8 0a r c s i n ( ) 02pd d C d dm m C m m C m md d d 12( 6 0 . 6 4 6 0 . 6 4 )2 9 0 3 7 0 . 4 0 9 622 ( )48 9 . 7 7 0 2d 11212 ( ) 6221 5 7 . 5 0 . 1 5 1 6 . 1 2 5e n t z 2 4 4 412 / 3 . 8 5 1 0 / 1 6 . 1 2 5 2 . 5zK k k n kf n E IF d m m n F F n N 0000 0 0 0z y d xz x d x d z (3)径 径 5988数为 20，节距 P。 =下来验算带速，同步带传动速度为 11 3 . 1 4 6 0 . 6 4 1 5 0 0 4 . 7 6 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s 查表知 0 50m/ (3)同步带的节线长度 数 初选中心 距1 2 0 1 20 . 7 ( ) 2 ( )d d C d d 08 5 2 4 3m m C m m取0 90C 13 2 1 2 10 ( ) ( )2 c o s 2 1 8 0p d d d 210a r c s i n ( ) 02 ( 6 0 . 6 4 6 0 . 6 4 )2 9 0 3 7 0 . 4 0 9 62 122 ( )4pL d =4)确定实际啮合齿数 1 212 ( ) 622 bm e n t z (5)确定实际 同步带宽度 选取同步带的宽度为 轮宽度为 14+2 滚珠丝杠副的设计计算 (1)最大工作载荷计算。 工作最大负载 F z =15N，沿 Z 轴方向，即丝杠轴向。因此，滚珠丝杠的进给抗力，即最大工作载荷 m Z F f设横向工作载荷为月 f 为导杆和轴套之间的摩擦系数，f = 因此，丝杠最大工作载荷为 1 5 7 . 5 0 . 1 5 1 6 . 1 2 5 (2)最大动负载 2 4 4 412 / 3 . 8 5 1 0 / 1 6 . 1 2 5 2 . 5zK k k n kf n E IF d m m n F F n N L=60; 0 1 0 0 / 2 5 / 1 5 0 04/m m sn v L r s r p mm m s= = = =， T 为 额 定 使 用 寿 命 (h) ，取T=60=2700. 冲击，此 3 2 7 0 0 1 . 2 1 6 . 2 5 2 6 8 . 9 5 6 ，查表知 额定动负载 4N ，安全裕度为 34 1 0 1 4 2 6 8 5x =。静载校核因工作载荷很小，肯定满足条件。因此， 14 对于该自由度的传动系统的计算及校核可以省略。 (3)刚度验算 丝杠的拉压变形量为 1= ()L 为滚珠丝杠在支撑间的受力长度，取 L=1=10 杠底径 1d=杠 外径 d=0杠名义直径已知 12表知滚珠直径此丝杠底径为1d= 229 4 7 0 ，于是拉压变形量为 1=10 10- 该变量可以忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。 (4)压杆稳定性验算。 失稳时的临界载荷 22n = 采用两端固定的支承方式，查表知支承方式系数关刃 为截面惯性矩，I= 41d/64=L=12此， x 10 20=x 410 N ，4/ 3 . 8 5 1 0 / 1 6 . 1 2 5 2 . 5 _ 4k K n F x n N n= = =因工作负载很小，压杆不会失稳。 (5)传动效率计算 =十 ) 根据初选滚珠丝杠型号查表只知螺旋升角入 =433，摩擦角一般约为 10，则 = =动效率高。 臂和小臂机械结构设计 如图 2 一 5 大臂装配结构图所示，机器人大臂 10 的驱动电机 8 和谐波减 速器 7 直联后安装在机器人大臂内部。谐波减速 器 7 的输出轴铣成方形插入底座14 内，底座 14 通过螺栓 13 固定在机座 1 上。同时推力向心交叉短圆柱滚子轴承的内圈通过螺栓 n 与连接板 5联结在一起，连接板通过螺栓 6联结在大臂上，推力向心交叉短圆柱滚子轴承的外圈通过螺栓 2与机座 1联结在一起。当电机轴旋转时，受到固定限制的减速器输出轴不能转动，从而电机和减速器以及大臂反向旋转。这样机器人大臂就可以绕机座中心轴相对固定机座转动，但转动方向与减速机输出轴转向相反。同时在圆周方向，固定基座应该安装两个极限行程开关4和两个限位挡块，而 运动体则要安装压板和行程触发块 12，以限制大臂在规定 15 范围内转动，以免机器人小臂部分在运动空间之外与其他设备或部件碰撞【 g。 图 2一 5大臂装配结构图 图 2采用模块化设计方法，小臂与大臂装配结构类似。机器人小臂电机也安装 在小臂内部，这样虽然增加了小臂惯量，但有利于简化结构设计和零部件制造 工艺。传动原理及结构设计与大臂类似，小臂装配结构图略。由于三四关节所 16 有导线都要通过关节二外壳罩，所以在小臂与三四关节壳罩之间增加一段导线 管用来通三四关节导线 7 部机械结构设 计 图 2一 7腕部装配结构图 腕部装配结构图如图 2一 7所示。为了便于加工及保证精度，把安装滚珠丝杠一端的端盖 3及支撑上端盖的壳体 (图中未标出 )设计成分离式结构，依靠壳体两端面与小臂及上端盖配合面来保证丝杠与主轴平行度。由于同步齿形带要能调整中心距及带张紧力，因此电机 6先安装在电机连接板上，然后再把连接板及上端盖固定在一起，上端盖用来连接电机连接板的四个孔，螺栓在两个带轮中心线方向上可以进行微调。这样在装配时可对两带轮中心距及带张紧力进行调整。对于电机 13 直接连接在滚珠螺母与导杆滑套上，这样电机可随着主轴一起做直线运动。由于滚珠丝杠没有自锁功能， 结构尺寸限制无法在电机 6 上加抱闸，因此在滚珠丝杠顶端安装一个制动器来锁住滚珠 17 丝杠，断电时自动锁死，避免滚珠丝杠在断电时发生滑动。滚珠丝杠两端都选用向心推力球轴承，此类轴承存在轴向游隙，可以防止丝杠轴 向跳动，提高主轴传动精度。滚珠螺母与滚珠螺母支架相连接，主轴通过两个推力球轴承安装在滚珠螺母支架上，主轴顶端用两个小圆螺母加以锁紧。导柱 2,是否需要还有待实验进一步验证。主轴升降通过限位开关控制其行程，所以在螺母支架上安装有一挡块，在上端相应位置安装有接近开关，这样主轴离端盖一定距离时就有信号通知运动控制器，限制该方向运动。在滚珠丝杠下端添 加一个防撞的橡胶垫圈，避免滚珠螺母与小臂上表面发生刚性碰撞。 结 本上实现模块化设计，符合发展趋势 ; 三个模块相互独立、结 构简单、零部件少、精度高、可靠性高，不仅适用于 R 平面关节式装配机器人设计，其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。三四关节模块结构紧凑，充分利用结构空间，能同时实现高速旋转运动与直线运动，主轴直线运动距离为 100整个模块在主轴方向高度约为 4右。同时，三四关节的电机轴与主轴不在同一直线上，也有利于结构布局，所以该模块也可应用在一些对精度和结构尺寸都有要求的组合运动结构设计中。 第三章 器人的位姿误差建模 设计一个开放式的机器人系统，其中关键技术之一就 是对相应的机器人本体的运动学进行分析并建立相应的运动学模型。本章系统地描述了平面关节型器人的运动学和位姿误差模型的建立。在 数法建立的机器人末端位姿变换方程的基础上，利用机构通用精度算法建立了机器人末端位姿误差模型。通过矩阵运算，建立了机器人末端位姿误差与各杆件运动学参数误差之间的函数关系式。用此方法建立的误差模型进行误差标定和补偿，可以提高机器人的定位精度。这对开发开放式机器人系统有重要的参考价值。 于机构精度通用算法的机器人位姿误差建模 机器人位 姿误差建模方法归纳为矩阵法和矢量法两大类型，其中矢量法又分 18 为矢量分析及螺旋变换法和摄动法，运用精度平衡方程式和回转变换张量方法等【 2】【 5】机器人运动学 数法坐标变换中坐标变换矩阵 A，及手臂变换矩阵笋都是不考虑各运动学参数误差的理想变换，但实际应用中，无论机器人制造精度多高，都会由于各种原因引起机器人运动学参数误差，影响 机构通用精度算法是一种既不需要求导也不需要建立机构传动方程的通用算法，具有通用性广，计算量小和精确度高等优点，由于其算法模型与前面所建立的机器人位姿变换 模型正好适合，因此，利用这种算法建立机器人位姿误通用精度算法基本思路是 :任何具有精度要求的机构系统是一个有机联系差模型。 整体，如果系统构件中有原始误差存在，必然要影响从动件运动轨迹，从而产生机构位置误差，而任何原始误差影响均可视为构件本身坐标系产生微小转动或移动，至于机械系统精度通用数学模型可以应用空间坐标变换原理，并通过所对应的构件运动变换矩阵与位置误差矩阵连乘叠加来表达。通用精度算法的坐标变换推导过程完全类似于机器人坐标变换坐标推导过程，这里不再叙述，仅给出其结论，并将其结论进行整理变化后应用于机器人 位姿误差计算，建立机器人位姿误差变换模型 构精度通用算法 设某个机构由 n 个运动构件和一个固定构件组成，若将起始坐标系 S。建立在固定构件上，坐标系 S，建立在运动构件 ( 2l， n)上。运动构件 目标坐标系。坐标系又 _，与 s;间变换矩阵为 A，以向量价二 x(，y，习 )(与机器人齐次变换矩阵规定一样 )表示点 s，中位置，则由坐标间位姿变换可知目标坐标系况，中某点 ，中的向量乙，应有如下关系式 : 1211 1 1 2 3 3 2 30 1 1 1 2 2 1 2 31()n n nn n n n i A r A A r A A A r A A r A A A A r A r (1()m 为目标 坐标系 起始坐标系之间运动变换矩阵。 19 对于坐标系 0S ， 1S ， 中的任意一个坐标系存在若干种误差，则使 坐标系 成 司原点在 位置坐标为 (其三个坐标轴相对 , , )x y z ，则坐标系 变换矩阵为 ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , )x y r a s x d x T r a s y d y T r a s z d z R o t x R o t y R o t z (展开上式，考虑到各误差项数值比较小。 所以取 c o s c o s c o s 1 , s i n , s i n , s i nx y z x x y y z z ，并忽略二阶及三阶 以上误差项，可得误差矩阵 0000 0 0 0z y d xz x d x d z （ 所以点 坐标向量式11()10 0 0 1i i i iz y d xz x d yr r E A ry d z 式中 : 其中 : 1）： ,x y z 相当于坐标系， Y， 2）： ,dx dy 当于坐标系， Y， 若各坐标系i ，则使目标坐标系中点 p ，其 在各坐标系 ，应具有如下关系 : 12 1 1 1 1 1()( ) ( ) ( )n n n nn n n n n n n E A E A r A E A A E A （ 0 1 1 1 1 1 1 2 2( ) ( ) ( ) ( )n n E A r A E A r A E A A E A r 20 将 0r 表达式展开，并略去高阶误差项。可得 0 1 2 1 1 1 2 2 31 1 1 1 2 1n n n nj j j j n n n n A A r A A A A A A A A A A A A A A A A r （ 0 0 0 1 1 2 1 2 2 31 1 1 1 2 11 11() ( ) ( ) j j j n n n n nj j i nj i i jr r r A A A A A A A A A A A A A A A A A A r (上式即为机构精度通用计算公式。 用机器人位姿误差模型 上面虽推导出机构精度的通用计算公式，但由于位置向量 =x(， y， z， 1)只包含机构 的位置，在一般的机构分析中并不需要姿态向量，所以包含位置向量也就够用，但在机器人位姿表达中，除了位置外还必须包含姿态 符合机器人位姿表达 前面介绍的坐标变换矩阵 A，及手臂变换矩阵名 在实际应用中，各运动学参数还是存在误差，因此可以把机器人位姿误差转化为这些运动学参数误差，认为机器人位姿误差中静态部分都是由于这些参数误差引动。 沿用上面推导思想，只是不再直接用向量 =x(， y， z， 1)来表示坐标系 参考点 中 位置，而是先考虑点 P 所在坐标系 点在坐标系 1中位姿，求由于杆件 i 运动学参数误差所造成又原点在坐标系 位姿误差。利用与上面相同思想推导出末端关节坐标系原点在基坐标系 0S 中位姿误差 在坐标系 位姿变换 (也用矩阵 示 )即得到点 p 的误差表达式。在建立机器人运动学误差模型时，这个点 p 即为工具坐标系 t 的原点 (设这个原点为工具作用点 ). 最后所得 S 中位姿误差即为工具 (末端执行器 )作用点位姿误差。 器人位姿误差模型的建立 21 用 分别代表连杆 i 的理想变换矩阵和实际变换矩阵， ()表理想变换矩阵和实际变换矩阵之差，则考虑误差影响时相邻坐标系的真实变换矩阵为 : 1 （ 设没有误差时，杆件 i 坐标系变换后的坐标系为 类似公式 (导过程，由于存在若干种误差，坐标系 进行一次变换，变成坐标系 ，这时坐标系 相对 在位姿误差 ,( , , , , )x y z x y zd d d 即 原点在 标系为( , , )d d 三个坐标轴相对 三个坐标轴分别有偏转角 ( , , )x y z 由公式(2)可得坐标系 相对 变换矩阵为 。
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