SCARA（斯卡拉）型机械手在书法和绘图中的应用

西安建筑科技大学华清学院 张永昊 王朝阳

本文介绍了一种用于书法、绘画的水平关节机械臂的设计。通过大量的实验与分析，将步进电机应用到机械手中，步进电机易于控制且精度高可达到机械手快速、稳定书写、绘画的要求。就在书法和绘图中的应用中，SCARA（斯卡拉）型机械手相对于其他关节型机械臂来说具有成本低、易控制、运动速度快等特点。

当今社会机械与工业领域日益交融，但是机械在文化方面的交融是少之又少，因此我们提出机械手和书法绘画相结合、这不仅是艺术和技术的交融，也是中国传统文化的延续发展，对于提高学生书写绘画水平具有非常积极地意义（见图1）。

图1 机械手示意图

1 总体方案的设计

总体方案从结构和控制两方面来介绍。

结构方案为三自由度SCARA结构，通过大臂、小臂的转动来完成末端在水平面上的移动，通过Z轴的转动，使末端在垂直方向上的移动。垂直移动和水平移动电机分明，SCARA结构善于在平面做往返运动，具有成本低、运动速度高、定位精度高等特点。

控制方案为基于PC+单片机运动控制器的控制系统。PC端的任务为规划任务和主要的人机交互，单片机的任务为控制运动和次要的人机交互。这种方案具有投入成本低、设备普及率高、系统开发方便等特点。

2 机械结构的设计（见图2）

图2 结构示意图

就以上图纸我们进行结构介绍：

（1）基座：基座由上下两个钢板、周围四块亚克力板、四块铝型材构成，其作用在于固定。

（2）Z轴（竖直）结构：此结构由光杠、丝杠、光杠固定座、直线轴承、电机1、构成，并与基座链接。可通过电机1使丝杠转动，用来带动连杆进行垂直运动。

（3）X、Y轴（水平）结构：此结构由连杆1、电机2、连杆2构成，并通过四个直线轴承和与Z轴链接。电机3转动，并通过减速装置使Z轴转动，连杆1和连杆2也会随之转动。

经过以上装置联动，末端执行器即可以在X、Y、Z轴限位内的空间内移动。

3 运动学分析

本文主要建立在SCARA机械手坐标系的基础上，运用数学图解方法创建运动学模型并且进行正逆运动学分析。

正运动学分析：

已知：θ1，θ2求关节末端坐标（X－L1，Y－L1）与（X－L，Y－L）

即第一关节末端坐标为：

最终末端坐标为：

逆运动学分析：

化简后得：

经上述计算，关节角度和末端位置便有了明确的关系，若出现了多个解，则需要取各轴移动距离最少的最优解（见图3）。

图3 姿态-坐标关系图

运动学的分析主要解决的是关节和末端执行器位置和姿态的问题。对现代机械手的运动学特征进行了理论分析，有正向机械运动学的理论分析，反向机械运动学的理论分析，前者是一直各关节的参数通过算法来推出末端位置和姿态，而后者是已知末端的姿态通过算法来反推各个关节的姿态。

4 软件设计（见图4）

图4 运动控制图

5 控制系统

本机械臂的驱动器件为步进电机，控制系统通过对步进电机的控制来达到控制机械臂的目的。因本SCARA机械手结构简单、用于书法，负载相对来说较小，发生丢步的可能性极小。故控制系统采用开环控制（见图5）。

图5 系统关系图

整个系统主要部分可分为上位机（PC端）、下位机（单片机）、驱动模块、驱动器件（步进电机）四部分构成。PC主机主要为发送位置代码和其他控制参数，单片机负责接收数据以及按照PC端所发送的参数进行解析驱动步进电机的运行，进而可实现PC端对机械臂的控制。

结束语：随着科学技术的不断发展，机械臂产业已经成为本世纪的朝阳产业。本文将三自由度的SCARA（斯卡拉）型机械手作为主要研究对象，根据书法的所需软硬件的需求，设计了三自由度的SCARA（斯卡拉）型机械手本体机构，制定了其总体方案，并且针对运动学的分析、轨迹规划以及其控制系统等问题进行了相关的研究，满足了在一般的书法绘画要求。机械在文化方面上的发展有待完善。