基于SCARA机器人的运动学分析及关节解耦.pdf

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1、2011年11月机床与液压NOV．2011第39卷第21期MACHINETOOL&HYDRAULICSVoL39No．21DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2011．21．007基于SCARA机器人的运动学分析及关节解耦胡杰，张铁(华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640)摘要：应用牧野坐标系建立SCARA机器人运动学模型，采用回转变换张量法计算运动学正、逆解。针对机械臂末端关节滚珠丝杠滚珠花键运动耦合，完成运动学解耦。采用ADAMS建立虚拟模型，进行运动仿真，验证了运动学解耦的正确性，为SCARA机器人的运动控制提供理论依据。关键

2、词：SCARA机器人；滚珠丝杠滚珠花键；回转变换张量法；ADAMS软件中图分类号：TP242．2文献标识码：A文章编号：1001—3881(2011)21—028-4KinematicAnalysisandJointDecouplingforSCARARobotHuJie．ZHANGTie(SouthChinaUniversityofTechnology，GuangzhouGuangdong510640，China)Abstract：ThekinematiCSmodelofSCARArobotwasestablishedinMakinocoordinate．Thefo

3、rwardandinversekinematicswerecalculatedbytherotationtransformationtensormethod．ThekinematicdecouplingwascompletedaimingatthemovementCOU．plingwithballscrewsandballsplinesatthelastjoints．AvirtualmodelforthemotionsimulationwascreatedbyADAMStoverifytheaccuracyoftheresults．Itprovidestheoreti

4、calbasisforthemotioncontrolofSCARArobot．Keywords：SCARArobot；Ballscrewsandballsplines；Rotarytransformationtensormethod；ADAMSsoftwareSCARA机器人是一个平面关节型机器人，由3阵进行分析，求逆解难度大，对多关节机器人尤为明个旋转关节实现平面内的定位和定向，1个垂直移动显；旋量理论由RSBALL提出，并由DUFFY首次关节实现末端的垂直升降运动，结构如图1所示。将该理论应用于机器人运动学分析，并有王科、SCARA机械手经过40多年的发展，不断

5、向着高速、YANGJin应用该理论建立了SCARA机器人的运动高精度、大负载的方向发展。学模型，体现了很好的适用性和关联性，适用于多关节机器人运动学和动力学分析；针对SCARA机器人构造简单，孟凡轮采用几何法进行运动学正逆解分析，免除了矩阵求逆，求解直观而且简单，但对于复杂机器人并不适用，难以求出全部解。作者将回转变换张量法应用于SCARA机器人的运动分析，位置方程和姿态方程相分离，避开常见的4×4的矩阵在求逆过程中大量的耦合运算，使运动学求解更加便捷引。在结构方面，张红¨基于SCARA机器人的高速特性，运用模态分析理论研究小臂结构的振动特性并优化了截面尺寸；王健强等

6、、毛燕等人¨也分别对SCARA机器人进行了模块化设计。随着技术的发展，机器人本体原来3、4关节的丝杠和花键两个构图1SCARA机器人结构图件的联合运动被滚珠丝杠花键一个构件所取代，提高当前机器人运动学分析的方法有：旋量法、对偶了机器人的结构特性，但同时也引入3、4关节的运数法、四元素法、矩阵法、回转变换张量法和向量代动耦合问题。作者基于SCARA机器人的运动耦合特数等⋯。有关空间机构的研究文献中，广泛采用对偶性，进行了解耦分析和求解，并验证了结论的正确法和矩阵法，算法也比较成熟，但采用4X4矩性。收稿日期：2010—10—29基金项目：国家863重点课题资助项目(20

7、09AA043901-3)；粤港关键领域联合招标项目(20090101—1)；广州白云区科技攻关项目资助(2009一$2-46)作者简介：胡杰(1986一)，男，硕士，研究方向为机器人设计理论及工程应用。E—mail：nue05021404hujie@163．corn。第21期胡杰等：基于SCARA机器人的运动学分析及关节解耦·29·1运动学分析1．1坐标系的建立ElLin(·+02+03)c。s(·+02+03)0I回转变换张量法001j基于牧野坐标系分析各连杆之间的变化关系，并求解末端的位姿。牧野坐标系是在D—H坐标系的基础上，再根据机器人的结构