SCARA平面关节式装配机器人的设计与研究
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Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ Ｖｅｒｉｆｌｅｄ．
Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｎ ｌａｂ，ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ＂ＰＣ＋ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ¨ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＤＭＣ５４００ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｏｆ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ ６．０ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｌａｙｅｄ ａ ｇｒｅａｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ａｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｆｉｅｌｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ＳＣＡＲＡ，ａｓｓｅｍｂｌｙ ｒｏｂｏｔｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ；Ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｗａｓ ｄｏｎｅ；Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ；ｓｏ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ
运用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ建立了ＳＣＡＲＡ机器人大臂的有限元模型，对 大臂结构进行了静力学分析，得到应力云图和位移云图；并通过模态分析， 得到ｌ一６阶模态振型图，证明了大臂的精度和刚度满足设计要求。
基于Ｄ．Ｈ法对机器人进行运动学建模，得到正、逆运动学模型的运动 学方程。采用关节空间法对机器人的轨迹规划进行研究与生成，以三次多项 式函数插值为例，结合本设计，对机械手的某一关节进行了计算与规划，得 到相应的轨迹函数。利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｍｏｔｉｏｎ仿真软件进行运动学的仿真， 验证了轨迹函数的正确性。
ＨＩ
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｇ ａｉ ｍ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ
ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ
ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ；Ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｌ－６ ｍｏｄａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｆｉｇｕｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｇ ａｒｍ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
在机械系统总体设计的基础上，结合实验室现有的运动控制器，对机器 人的运动控制系统进行了设计，以“ＰＣ＋运动控制器”的结构来实现机器人
的动作，介绍了ＤＭＣ５４００专用运动控制卡的性能以及基于Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ ６．０ 软件的编程工具，实践证明该结构在稳定性、可靠性以及在工业现场的抗干 扰性方面发挥着极好的作用。 关键词：ＳＣＡＲＡ，装配机器人，结构设计，运动控制系统，轨迹规划
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｆｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ＳＣＡＲＡ （Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ）ｉｓ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｒｏｂｏｔ，ｉｔ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ，ａｎｄ ｈａｖｅ ａ ｈｉｇｈ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｓ ｑｕｉｔｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．
Ｏｎ ｔｈｅ Ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｄ－Ｈ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｊｏｉｎｔ ｓｐａｃｅ ｒｏｂｏｔ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ
针对搬运小型零件并进行装配的工作需求，本文设计一种ＳＣＡＲＡ工业 机器人，ＳＣＡＲＡ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ）为在选择方 向具有柔顺性的装配机器人，与一般的关节型机器人相比，在平面上具有很 好的灵活性，而在与平面垂直的方向具有很高的刚性，对于在平面运动的装 配作业非常适用。
ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｆｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆｒｏｍ ｂｏｔｔｏｍ ｔｏ ｔｏｐ ｉｓ ｆｏｌｌｏｗｅｄ，ｕｎｄｅｒ Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｏ ｌａｙ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ，ＳＯ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．
ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ
Ⅳ
目录
摘要…………………………………………………………………………………………………………………………一Ｉ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ………………………………………………………………………………………………………………．ⅡＩ
１绪｛仑…………………………………………………………………………………………………………………………１ １．１研究背景………………………………………………………………………………２ １．２国内外装配机器人的研究现状及发展趋势…………………………………………３ １．２．１国内装配机器人的研究现状及发展趋势……………………………………３ １．２．２国外装配机器人的研究现状及发展趋势……………………………………４ １．３本论文的研究内容及意义……………………………………………………………６ １．３．１ ＳＣＡＲＡ装配机器人的核心技术……………………………………………．．６ １．３．２课题的研究内容及意义………………………………………………………７ １．４论文章节安排…………………………………………………………………………９ １．５本章小结……………………………………………………………………………．１０
Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｅｎ越ｎｅｅｒｉｎ２ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｂｙ Ｇｕｏｓｕｉ Ｚｈｅｎｇ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．Ｊｕｎ Ｌｕ
Ｍａｙ ２０１４
ＳＣＡＲＡ平面关节式装配机器人的设计与研究
摘要
自进入２１世纪，工业化的发展日新月异，自动化的生产水平也日趋提 高，随之产生的工业机器人的应用也越来越广泛，尤其是在焊接、装配、搬 运、喷涂和码垛等工业应用领域发挥着越来越重要的作用。
本课题完成了ＳＣＡＲＡ机器人的的整体结构设计，并对关键结构进行了 改进设计计算；对轨迹规划进行了相应的运动学仿真；设计了基于专用运动 控制器的运动控制系统；初步完成满足实验室要求的总体设计。
其中，针对搬运小型零件并进行装配的工作需求，遵循自下而上的设计 原则，在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ环境下完成了机器人的结构设计，确定适用于本设计的 传动方案，进一步完善了驱动系统，另外对关键零部件进行了设计计算及选 型，论证了该设计的合理性及可行性，为以后的加工制造及装配奠定了基础， 初步完成机械系统的构建。
洼压斜技大学
论文题目： ＳＣＡＲＡ平面关节式装配机器人的设计与研究
学科门类：工学 一级学科：机械工程 培养单位：机电工程学院
硕士生：郑国穗 导师：卢军教授
２０１４年５月
ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＳＣＡＲＡ ＰＬＡＮＡＲ
ＡＲＴＩＣＵＬＡＴＥＤ ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＲｏＢＯＴ
Ａ Ｔｈｅｓｉｓ Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｔｏ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅຫໍສະໝຸດ Baiduａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｐａｒｔｉａｌ Ｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｂｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎ
ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ａ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｊｏｉｎｔ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｐｌａｎｎｅｄ，ａｎｄ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ
ＩＩ
ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＳＣＡＲＡ ＰＬＡＮＡＲ
ＡＲＴＩＣＵＬＡＴＥＤ ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＲｏＢｏＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ２ １ ｓｔ ｃｅｎｔｕｒｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄａｙ ｂｙ ｄａｙ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅ，ａｎｄ ｐｌａｙｓ ａ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｈａｎｄｌｉｎｇ，ｐａｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｎ ｌａｂ，ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ＂ＰＣ＋ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ¨ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ＤＭＣ５４００ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｏｆ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ ６．０ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｌａｙｅｄ ａ ｇｒｅａｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｍｍｕｎｉｔｙ ａｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｆｉｅｌｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ＳＣＡＲＡ，ａｓｓｅｍｂｌｙ ｒｏｂｏｔｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ；Ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｗａｓ ｄｏｎｅ；Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ；ｓｏ ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ
运用ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ建立了ＳＣＡＲＡ机器人大臂的有限元模型，对 大臂结构进行了静力学分析，得到应力云图和位移云图；并通过模态分析， 得到ｌ一６阶模态振型图，证明了大臂的精度和刚度满足设计要求。
基于Ｄ．Ｈ法对机器人进行运动学建模，得到正、逆运动学模型的运动 学方程。采用关节空间法对机器人的轨迹规划进行研究与生成，以三次多项 式函数插值为例，结合本设计，对机械手的某一关节进行了计算与规划，得 到相应的轨迹函数。利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｍｏｔｉｏｎ仿真软件进行运动学的仿真， 验证了轨迹函数的正确性。
ＨＩ
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｇ ａｉ ｍ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ
ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔａｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ
ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ；Ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｌ－６ ｍｏｄａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｆｉｇｕｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｇ ａｒｍ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
在机械系统总体设计的基础上，结合实验室现有的运动控制器，对机器 人的运动控制系统进行了设计，以“ＰＣ＋运动控制器”的结构来实现机器人
的动作，介绍了ＤＭＣ５４００专用运动控制卡的性能以及基于Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ ６．０ 软件的编程工具，实践证明该结构在稳定性、可靠性以及在工业现场的抗干 扰性方面发挥着极好的作用。 关键词：ＳＣＡＲＡ，装配机器人，结构设计，运动控制系统，轨迹规划
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｆｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ＳＣＡＲＡ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ＳＣＡＲＡ （Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ）ｉｓ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｒｏｂｏｔ，ｉｔ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ，ａｎｄ ｈａｖｅ ａ ｈｉｇｈ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｓ ｑｕｉｔｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．
Ｏｎ ｔｈｅ Ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｄ－Ｈ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｊｏｉｎｔ ｓｐａｃｅ ｒｏｂｏｔ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ
针对搬运小型零件并进行装配的工作需求，本文设计一种ＳＣＡＲＡ工业 机器人，ＳＣＡＲＡ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｏｂｏｔ Ａｒｍ）为在选择方 向具有柔顺性的装配机器人，与一般的关节型机器人相比，在平面上具有很 好的灵活性，而在与平面垂直的方向具有很高的刚性，对于在平面运动的装 配作业非常适用。
ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｆｏｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｆｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｆｒｏｍ ｂｏｔｔｏｍ ｔｏ ｔｏｐ ｉｓ ｆｏｌｌｏｗｅｄ，ｕｎｄｅｒ Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｆｕｒｔｈｅｒ，ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｏ ｌａｙ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ，ＳＯ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．
ｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ
Ⅳ
目录
摘要…………………………………………………………………………………………………………………………一Ｉ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ………………………………………………………………………………………………………………．ⅡＩ
１绪｛仑…………………………………………………………………………………………………………………………１ １．１研究背景………………………………………………………………………………２ １．２国内外装配机器人的研究现状及发展趋势…………………………………………３ １．２．１国内装配机器人的研究现状及发展趋势……………………………………３ １．２．２国外装配机器人的研究现状及发展趋势……………………………………４ １．３本论文的研究内容及意义……………………………………………………………６ １．３．１ ＳＣＡＲＡ装配机器人的核心技术……………………………………………．．６ １．３．２课题的研究内容及意义………………………………………………………７ １．４论文章节安排…………………………………………………………………………９ １．５本章小结……………………………………………………………………………．１０
Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｅｎ越ｎｅｅｒｉｎ２ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｂｙ Ｇｕｏｓｕｉ Ｚｈｅｎｇ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．Ｊｕｎ Ｌｕ
Ｍａｙ ２０１４
ＳＣＡＲＡ平面关节式装配机器人的设计与研究
摘要
自进入２１世纪，工业化的发展日新月异，自动化的生产水平也日趋提 高，随之产生的工业机器人的应用也越来越广泛，尤其是在焊接、装配、搬 运、喷涂和码垛等工业应用领域发挥着越来越重要的作用。
本课题完成了ＳＣＡＲＡ机器人的的整体结构设计，并对关键结构进行了 改进设计计算；对轨迹规划进行了相应的运动学仿真；设计了基于专用运动 控制器的运动控制系统；初步完成满足实验室要求的总体设计。
其中，针对搬运小型零件并进行装配的工作需求，遵循自下而上的设计 原则，在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ环境下完成了机器人的结构设计，确定适用于本设计的 传动方案，进一步完善了驱动系统，另外对关键零部件进行了设计计算及选 型，论证了该设计的合理性及可行性，为以后的加工制造及装配奠定了基础， 初步完成机械系统的构建。
洼压斜技大学
论文题目： ＳＣＡＲＡ平面关节式装配机器人的设计与研究
学科门类：工学 一级学科：机械工程 培养单位：机电工程学院
硕士生：郑国穗 导师：卢军教授
２０１４年５月
ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＳＣＡＲＡ ＰＬＡＮＡＲ
ＡＲＴＩＣＵＬＡＴＥＤ ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＲｏＢＯＴ
Ａ Ｔｈｅｓｉｓ Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ ｔｏ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅຫໍສະໝຸດ Baiduａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｐａｒｔｉａｌ Ｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ，ａｎｄ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｂｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎ
ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ａ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｊｏｉｎｔ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｐｌａｎｎｅｄ，ａｎｄ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ
ＩＩ
ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＳＣＡＲＡ ＰＬＡＮＡＲ
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ２ １ ｓｔ ｃｅｎｔｕｒｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄａｙ ｂｙ ｄａｙ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅ，ａｎｄ ｐｌａｙｓ ａ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａｓｓｅｍｂｌｙ，ｈａｎｄｌｉｎｇ，ｐａｉｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．