SCARA机器人控制系统的设计与实现

李 宏，陈 平，刘宋彬

（广东工业大学 自动化学院，广州 510006）

0 引言

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，该机器人具有三个自由度，分别负责伸缩、旋转和升降运动[1]。主要应用于电子制造行业，比如IC点焊、元件贴片、货品分拣等制造当中[2]。

对SCARA机器人开展的研究集中在1）基于运动学、动力学进行数学建模分析，研究机械手轨迹规划的新方法[2～4]；2）引入新的设计方法优化机器人的控制算法，提高可靠性，抗干扰能力以及性能指标[5～7]；3）研究机器人与视觉相结合的新方法，不断优化控制精度和运动指标[1，8～9]；4）研究机器人标定的新方法，提高定标的精度和降低设计的复杂度[10，11]等。

1 SCARA机器人的运动学分析

SCARA机器人是一种平面关节机器人，具有三个旋转关节和一个垂直于平面的移动关节，其D-H参数坐标系如图1所示。其中坐标系{O0}为工作坐标系，原点O0的坐标为(0,0,0)。{O1}，{O2}，{O3}为流动坐标系，{O4}为工具坐标系。{O4}代表机器人末端执行器的位姿。参数变量θ1为机器人大臂关节角度变量，θ2为小臂关节角度变量，d3为手腕关节平移变量（d3由电机角度变量θ3通过转换得到），θ4为末端执行器的关节角度变量。连杆参数为ai=ai=li，i=1，2，3。

图1 SCARA机器人D-H参数坐标

根据矩阵变换原理及图1 SCARA机器人的结构特点，给出SCARA机器人工具坐标系与工作坐标系之间的齐次变换矩阵为

其中iTi+1，i=0，1，2，3表示坐标系{Oi+1}相对于坐标系{Oi}的位姿，其表达式分别为

其中Rot（z，θ）操作表示坐标系{Oi+1}沿坐标系{Oi}的z轴旋转θ角度，Trans（x，d）操作表示坐标系{Oi+1}沿坐标系{Oi}的x轴平移d距……