SCARA机器人结构优化设计及运动学仿真介绍

工业机器人在机器人领域中发挥着带头作用，已经成为先进制造技术行业的支撑技术。工业机器人可以代替人手进行搬运等操作，并且可以通过编程来改变搬运的动作来实现其不同的任务操作。其进入装配技术行业是由柔性生产技术发展来决定的，它一般由手臂、手抓、控制器以及传感器组成。根据手抓部分设计的各种不同的安装关系和尺寸，可以分为不同用途的工业机器人。由手抓部件完成各种抓取动作，不同的手抓部件可以抓取不同的作业工件。进入21世纪，工业机器人己经成为衡量一个国家制造业水平和综合国力的标志。

随着国家经济的不断发展和进步，我国对工业机器人的需求有了更高的要求，提高国产元件的使用率，针对不同的应用领域，设计和研究不同用途的工业机器人，是提高我国工业机器人的自主知识产权水平的决定性因素。

目前世界上工业生产应用的机器人中，SCARA机器人是应用较为广泛的一种，它利用机器人中的两个旋转关节来实现X-Y平面上的定位，并且利用一个旋转关节实现在Z方向的旋转运动，利用一个移动关节在Z方向上做伸缩运动。它在X-Y平面上运动平稳，在Z方向上有较大的刚度。这种结构特性使得SCARA机器人可以灵活地从一点抓取物体，然后快速的安放到另一点。与一般的关节型机器人相比，它具有操作空间小，结构简单，动作迅速，安装方便，定位精度高，灵活性高等优点。可应用于机械、电子和轻工业等有关产品的搬运、调试、自动装配等工作，以符合工厂柔性自动化生产要求。近年来由于我国装配产业的蓬勃发展，SCARA机器人在装配产业中也发挥了更多的作用，因此对SCARA机器人进行优化设计和分析具有很高的经济和学术价值。

目前工业机器人在世界发展迅猛，对其的研究也越来越深入。工业机器人之所以能够得到迅猛的发展，是因为工业机器人可以代替人类完成许多复杂的重复的作业，大量减少了劳动力。而且不仅仅能减轻劳动力，由于工业机器人较人工操作相比，其重复性稳定性更好，可以大幅度的提高生产产品的质量。由于在工业上装配工作十分复杂，需要大量的劳动力，美国、日本、西欧等国家在工业装配上劳动力的占有率达到了百分之四十左右。因此工业机器人的发展带动了工业装配工作的发展，同时也解放了大量的劳动力。美国是首个研发出工业机器人的国家，并在工业机器人技术领域处于领先地位。1948年，美国原子能委员会阿尔贡研究所首先接触机器人领域，并且研发了机械式主从机械手，但是最终由于研究过程中有核辐射的影响，使得研究遇到瓶颈。随后，美国MIT公司研发了数控机器人，这对于工业机器人的发展奠定了一定的基础。日本在机器人生产数量和种类上目前处于世界首位，在研发、出口、使用上也位居于榜首，被誉为“机器人王国”。

SCARA ( Selective Compliance Assembly Robot Arm)即选择顺应性装配机械手，是一种圆柱坐标型的工业机器人。从1978年日本山梨大学的牧野洋最初发明了世界上第一台SCARA机器人以来到现在已经有四十多年了，但是SCARA机器人仍然被认为是自动加工生产中不可或缺的工业机器。根据FujiKeizai在2011年发表的研究报告《关于现在及未来的全球机械手臂之市场状况》，EPSON公司是2010年全球工业制造SCARA机械手臂产业的佼佼者。该公司生产的SCARA工业机器人(BL和BN)在齿轮生产上采用了一种全新的精密铸造方法，减轻了机械手臂的重量，还采用了全新加碱速调整以及其他爱普生独创的机器人控制技术，使得机械手在可靠性、耐久性、运转速度等方面得到了明显的改进。如图1.1所示为EPSON公司新推出的Ls系列SCARA工业机器人及其配套控制器，其手臂臂展可达400mm，重复定位的精度可达0.01mm。除此之外EPSON公司还生产了E系列和G系列的SGARA机器人，它们具有精准、高速、操控稳定的特性，这种特性使得工业机器人得到更加广泛的应用[[9]。如图1.2所示为EPSON公司生产的E系列和G系列的SCARA机器人。此外日本的FANUC、东芝、安川电机、三菱等公司，瑞士的ABB公司，德国的KUKA公司都有类似的产品推出。

我国在20世纪70年代后期开始对机器人进行研究，1980年中科院沈阳自动化研究所成功研制了我国第一台工业机器人。1986年，我国成立了863高技术发展计划，将机器人技术作为一个重要的发展方向，使得我国机器人又得到了进一步地发展。“七五”期间，我国生产了用于喷涂、焊接的工业机器人，带动了我国工业机器人产业的发展。我国哈尔滨、昆明、上海等地的研究所研发了伺服型机器人，其具有固定的程序，并且其中有将近三分之一的机器人用于生产。20世纪90年代我国的工业机器人扩展到更广阔的领域，从汽车制造业扩展到各个其他行业。但总体来说，我们国家对工业机器人的研制相比于国外先进的国家还是有很大的差距，比如说我国工业机器人设计研发人员经验不足，设计工业机器人的应用领域较窄，生产出的工业机器人可靠性较差。这些因素都导致国内工业机器人的发展受到限制，因此国家对机器人技术领域应该加大支持力度。

由于国内工业机器人的起步比较晚，SCARA机器人的发展也受到了影响。我国第一台高性能的精密装配机器人是上海交通大学的蒋厚宗院士研制出的“精密一号装配机器人”，它是在国家863计划智能机器人主题下研制出的一台SCARA四轴装配机器人。目前国内机器人做的比较好且市场占有率比较高的企业有沈阳新松机器人自动化股份有限公司和首钢莫托曼机器人有限公司，前者生产的SCARA工业机器人重复定位精度最高可达0.04mm，在国内自动化生产领域己经有很多应用案例，该公司生产的打螺丝机器人最具代表性，还有上海宝凯锅炉技术有限公司生产的SCARA示教机器人也极具代表性，它们都能完成装配、搬运等作业，具有十分广阔的发展空间，但与国外的SCARA工业机器人相比，在精度、线路布局、外围的流线型设计等方面还是有一定的差距。

结合工业4.0战略智能工厂这一大主题，目前我国加大力度研究智能机器人，但是国内生产的机器人较国外机器人的精度、速度等方面还是有很大的提升空间，在这样的大背景下，本课题针对提高Scara机器人精度与刚度这两方面进行研究与分析。

工业机器人的分类按照结构特性，可以将工业机器人分为以下几类:  

(1)直角坐标式机器人;  

(2)圆柱坐标式机器人;  

(3)球坐标式工业机器人;  

(4)复合坐标机器人，如本文所优化设计的SCARA机器人;  

(5)关节式工业机器人。    

其中直角坐标式机器人具有结构刚性好，结构简单，定位精度高等特点，但是其体积偏大，运动时的空间利用率低，抓取动作不是十分完善。圆柱坐标式机器人具有运动控制简单、手臂刚性好、制造成本低、末端指向机器人轴心，有利于搬运件的传送。但是其定位精度较低，不宜作直线运动，且工作空间有死区。球坐标式机器人具有体积小，作业空间大的特点，但是对其定位的控制较难，不宜做直线运动。复合坐标机器人SCARA机器人具有运动速度快，定位精度高，体积小，适宜在平面上作业的特点，但是其手臂刚性差，控制起来相对复杂。关节式工业机器人具有运动灵活，作业空间大的特点，但是其手臂刚性差，定位精度低，控制复杂且成本较高。