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应用研究和技术
Journal of Applied Research and Technology 14 (2016) 396–404 www.jart.ccadet.unam.mx
原创
具有6个自由度的SCARA机械手的设计，构造和控制
Claudio Urrea lowast;, Juan Corteacute;s, Joseacute; Pascal
Universidad de Santiago de Chile, Santiago, Chile
2016年5月18日收到; 于2016年9月28日接受
2016年12月2日在线提供
摘要
介绍了一个6自由度（DOF）机器人机器人的设计和实现，该机器人构成了一个可以测试和研究各种控制技术的物理平台。 机器人具有机械，电子和控制系统，并且为其设计和实现的直观的图形界面允许用户容易地命令该机器人并为其生成轨迹。 实现这项工作需要整合电子学，微控制器编程，MatLab / Simulink编程，控制系统，PC与微控制器之间的通信，机械装置，组装等方面的知识
copy;2016 Universidad NacionalAutoacute;nomadeMeacute;xico，Centro de Ciencias Aplicadas y DesarrolloTecnoloacute;gico。这是CC BY-NC-ND许可证下
的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）
关键词：机器人系统; 工业机器人;SCARA; 设计; 控制系统
1.介绍
在过去的几十年中，机器人技术在过程自动化中发挥了非常重要的作用，机器人操纵器在几个生产领域的发展中起着主导作用。 如今，工业机器人被用于各种任务的自动化，例如装配，材料转移，各种焊接，材料的精确切割，码垛，喷漆，远程外科手术，以及许多可能的应用(Loacute;pez, Castelaacute;n, Castro, Pena,tilde; amp; Osorio, 2013; Siqueira, Terra, amp; Bergerman, 2011).
一般来说，工业机器人被用来执行重复性工作和/或需要精确度和速度难以由人实现的工作。这使得提高产品质量和制造效率成为可能(Ben-Gharbia, Maciejewski, amp; Roberts, 2014; Urrea amp; Kern, 2014). 因此，工业机器人越来越多地被使用
lowast; 通讯作者.
电子邮件地址: claudio.urrea@usach.cl (C. Urrea).
由墨西哥国立自治大学负责的同行评审。
现代化和自动化生产流程，以及危险应用领域，在这些应用中使用这些应用显然是合理的。
另一方面，工业机器人每天可以在很多小时内执行任务，而不会感到疲劳或者失去精确性或有效性，因为它们目前是高度发达的且坚固的设备，几乎不会失效。 因此，需要了解，研究，改进，重新编程以及将这些系统适用于不同的场景，因此用户可以从中获益(Goacute;mez et al., 2014; Siciliano amp; Khatib, 2008; Urrea amp; Kern, 2014).
目前的工作源于迫切需要有真正的平台来进行科学研究及其相应的验证。 除了建议和验证新的控制系统之外，实现具有6个自由度的机器人操纵器可以改进工业机器人的控制系统。 因此，本文介绍了一种具有SCARA1配置的机器人的设计和构造过程，在当今工业中有很大的应用(Urrea amp; Kern, 2012).
1 选择性柔性装配机器人臂或选择性柔性多关节机器人臂的首字母缩略词。
http://dx.doi.org/10.1016/j.jart.2016.09.005
1665-6423 /copy;2016墨西哥国立自治大学，Centro de Ciencias Aplicadas y DesarrolloTecnoloacute;gico。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。
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C. Urrea等人 /应用研究与技术杂志14（2016）396-404 |
397 |
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表1 |
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获得PID控制器. |
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电机 |
P |
I |
D |
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e gt; 0 |
e lt; 0 |
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R1 |
1 |
0.9 |
– |
0.08 |
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R2 |
3.5 |
5 |
– |
0.06 |
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P3 |
2 |
– |
– |
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图1. SCARA工业机器人[6].
2.最先进的技术
2.1.工业机器人
有各种类型的机器人，这取决于他们的物理配置可以分为多关节，移动，动物形态，机器人和混合动力，在多关节类别中，我们有工业机器人，如图1所示(Adept – SCARA robots, n.d.).
工业机器人可被视为与机械手或机械臂，终端效应器，电机元件或致动器，信息传感器和控制器相对应的一组集成子系统。
SCARA机械手拥有必要的功能，能够在精确和速度的情况下实现稳定的工作(Yamazaki,2014).由于这个原因，它们被广泛用于工业装配任务(Wang,Liu,Wei,Xu,amp; Zhang,2014).例如，针对这些机器人开发了不同的应用程序，Wang et al. (2014) 设计了一个双CPU控制系统，在此基础上实现了反向运动学和动力学分析 机器人学面向对象的软件包在 C (ROBOOP).此外，Surapong和Mitsantisuk(2016)使用SCARA机器人来实现干扰观测器(DOB)，而不是力传感器来控制位置并估算外力。另一方面，在 Jo和Cheol(2001)提出了一种模糊滑模控制器，旨在改善快速操作的特性以及这类控制器的换相效果。该算法通过数字信号处理器(DSP)在SCARA机器人中实现。 同样，使用类似特征的机器人，Rossomando和Soria(2016)实现了一个自适应神经网络滑模控制器来补偿机器人的动态变化。此外，Prajumkhaiy和Mitsantisuk(2016)提出了一种补偿SCARA机械手摩擦力的方法，以减少产生的热量，从而防止操作期间的机器人损坏，这意味着延长工作时间。
最后，Bruzzone和Bozzini(2011)进行了一项研究，旨在提高这种类型的机器人机器人的能量效率
2.2.机器人控制
机器人控制的目的是发送控制信号到关节，使机器人遵循指定的轨迹。已经开发了许多具有不同特性和复杂性的控制算法。下面列出了在闭环方案下运行的机器人操纵器中的联合控制策略：解耦联合控制，计算转矩，自适应控制，增益调度或增益规划，参考模型自适应计算控制器，自适应计算对控制器，动力控制，鲁棒控制，学习控制等。在列出的控制策略中，本文中使用的控制策略对应于解耦控制，因为我们只是旨在验证此新设计和实现的机器人的正确功能。这种控制技术的实现非常简单，因为它没有考虑到机器人关节之间产生的每个湍流，即每个关节通常通过每个关节一个PID控制器以独立方式控制。PID控制器本质上试图纠正产生错误的扰动，必须将其消除 (Siqueira et al., 2011; Urrea amp; Kern, 2014). 他的控制器产生一个对应于三个项的和的控制信号：项P与误差成比例，项I与误差的积分成比例，并且项D与误差的导数成比例。以下等式描述了这种类型的控制器：
其中u = ys p - y，其中u是控制信号，e是控制误差，ys p是设定值，y是测量的过程变量（实际值）。 控制器的参数是比例增益K，积分时间Ti和微分时间Td。
在表1中，显示了在SCARA操纵器中使用的控制器的参数值。
3.总体设计
3.1.完整的系统
与使用MatLab / Simulink软件(Mathworks，n.d. )的PC控制器进行通信的SCARA机械手是设计和构建的 (Southern Plantaids Pvt.Ltd, n.d.).
398 C. Urrea等人 /应用研究与技术杂志14（2016）396-404
PC - 控制器 机器人化的机械手
RS-232
执行器
接口
传感器
递送
Fig. 2. 系统总图
表 2
电机功能.
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电机 |
VDC max |
比例 |
扭力 |
RPM |
I mxx. |
|
R1 |
12 |
1/65 |
82 kgf cm |
50/47 |
7.5A |
|
R2 |
12 |
1/65 |
45.9 kgf cm |
50/47 |
4.6A |
|
P3 |
12 |
– |
– |
30 |
– |
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