七自由度柔性机械臂机构说明..pdf

七自由度柔性机械臂机构说明 设计目标 由于人工成本的不断提升，人们的刚性需求也不断的扩大，生产自动化越来越被人们所 重视。 也是社会发展的必然。让机器人去完成一些高危、肮脏、 重复、 精度高的工作。 由此， 设计一款高精度，高灵活性的机器臂显得更为重要。 设计的目标：高精度仿人工业机器人。 运用先进的仿生理论与柔性设计为基础，设计开发用二次式运动反馈来实现其高精度控 制，合理的仿人机构来完成动动。 机械臂整体设计方案 一、功能需求：满足实现模仿人类手臂的基本功能， 自由度包括手臂的肩部的抬起，摆动，旋转，肘部的弯曲，腕部的旋转，弯曲，摆动共7 个自由度。（图一） 图一图二 二、优化后确定的构型： 自由度包括手臂的肩部的摆动，抬起，大臂旋转，肘部的弯曲，小臂的旋转，腕部的弯曲， 摆动共 7 个自由度。（图二） 三、驱动模块示意设计：（图三） 胡克定律是力学基本定律之一。适用于一切固体材料的弹性定律，它指出：在弹性限度内， 物体的形变跟引起形变的外力成正比。这样增加了力的反馈测量。在弹性材料在弹性限度内 形变时，测得其形变量，从而计算出受力与关节下方所处的位置。 1. 先进行测试 图三 四、机械臂的具体设计方案，（图四） 五、各关节的受力分析： 基本尺寸图（图五） 图五 L1=426mm， L2=293mm，L3=108mm，L4=442mm。 六、马达的初选 谐波减速器的优点： Harmonic 减速器结构简单，体积小，重量轻、啮合的齿数多、承载能力大、运动精度 高、运动平稳、 间隙可以调整、 传动效率高、 同轴性好、 可实现向密闭空间传递运动及动力。 瑞士 Maxon 电机优点： 轴向窜动和径向跳动小、温度范围大、 回差小等， 并且电机型号全编码器与抱闸与控制器配 套全面。 瑞士 Maxon 电机与 日本 Harmonic 谐波减速器选型需求 示例图片： 图六 马达1：EC90flat 90W 扭力： 4.67 nm 0.387nm ；转速： 3190rpm；重量： 648g 减速器1：CSG-25-160 减速比： 1:160；最大扭力： 314nm；正常： 176nm；重量： 420g 马达2：EC-4pole max30 200W 扭力： 3.18 nm 0.112nm ；转速： 17000rpm ；重量： 300g 减速器2：CSG-25-160 减速比： 1:160；最大扭力： 314nm；正常： 176nm；重量： 420g 马达3：EC max40 170W 扭力： 2.66nm0.16nm ；转速： 9840rpm；重量： 580g 减速器3：CSG-17-120 减速比： 1:120；扭力最大： 112nm；正常： 70nm；重量： 150g 马达4： EC45flat 70W 扭力： 0.82nm0.13nm ；转速： 4840rpm；重量： 110g 减速器4：CSG-20-160 减速比： 1:160；最大扭力： 191nm；正常： 120nm；重量： 280g 马达5：EC-4pole max30 100W 扭力： 1.24nm 0.0 63nm ；转速： 17800rpm ；重量： 210g 减速器5：CSD SHD-17-100 减速比： 1:100；最大扭力： 71nm ；正常： 37nm；重量： 100g 马达6：EC45flat 70W 扭力： 0.13 nm 0.17nm ；转速： 4840rpm 重量： 110g 减速器6：CSF-11-100 减速比： 1:100；最大扭力：25nm；正常： 11nm；重量： 50g 马达7：EC-4pole max30 100W 扭力： 1.24nm 0.0 63nm ；转速： 17800rpm ；重量： 210g 减速器7：CSF-11-100 最大扭力： 25nm；正常： 11nm；重量： 50g 说明： EC45flat 70W要更换为EC-I40 70W+MR 七、受力分析： 有效扭力计算公式：(堵转 -连续） *0.3+连续 质量分配： 设大臂小臂均为， 外径 D=110mm， 假设主体为外壁壁厚为L=5mm 的铝壳，长度为 H=250mm， 则体积为： 412cm3，铝的密度2.7gcm3，外壳质量为1.1kg 大臂部分质量有马达3（580g）减速器 （150g） ，外壳（1.1kg） ；小臂部分有马达4567（110g， 210g，110g，210g） ，减速器4567（280g，100g，50g，50g） ，外壳（ 1.1kg） ； 手部主要是灵巧手的质量设为1kg；外加假设载荷6kg。 质量分配示意图如：图七 图七图五 则可得 G1=0.58+0.15+1.1=1.83kg； G2=（0.11+0.21+0.11+0.21）+（0.28+0.1+0.05+0.05）+1.1 =2.22kg G3=1+6=7kg 则大臂最大转动惯量大臂 M1=g*G1*L4/2=9.8*1.83*0.442 /2=3.96nm 小臂 M2= g*G2*L2/2=9.8*2.22*0.293 /2=3.19nm 手M3= g*G3*L3=9.8*7*0.108=7.55nm 总惯量为大臂处 M1 总=M1+ g*G2* （L2 /2+L4） + g*G3*（ L3+L2+L4 ） =3.96+9.8*2.22* （0.293/2+0.442）+9.8*7* （ 0.108+0.293+0.442） =3.96+12.8+57.83 =74.59nm 小臂处 M2 总=M2+ g*G3* （L3+L2）=3.19+9.8*7* （0.108+0.293）=30.70nm 八、马达型号确认： 马达1：扭力： 4.67 nm 0.387nm ，减速比： 1:160，最大扭力： 314nm；正常： 176nm； 则扭矩为， 747nm，61.92nm 包含 M1 总的 74.59nm 马达2：扭力： 3.18 nm 0.112nm ；减速比： 1:160 最大扭力： 314nm；正常： 176nm ； 则扭矩为， 190.8nm，17.92nm 包含 M1 总的 74.59nm 马达3：扭力： 2.66nm0.16nm ；减速比： 1:120；最大扭力：112nm ；正常： 70nm； 则扭矩为， 319.2nm，19.2nm 包含 M2 总 30.70nm 马达4： 扭力： 0.82nm0.13nm ；减速比： 1:160；最大扭力： 191nm ；正常： 120nm ； 则扭矩为， 131.2nm，20.8nm 包含 M2 总 30.70nm 马达5：扭力： 1.24nm 0.063nm ；减速比： 1:100；最大扭力：71nm；正常： 37nm； 则扭矩为， 124nm，6.3nm 包含 M3，7.55nm 马达6：扭力： 0.82nm0.13nm ；减速比： 1:100；最大扭力： 25nm；正常： 11nm； 则扭矩为， 82nm，13nm 大于 M3， 7.55nm 马达7：扭力： 1.24nm 0.0 63nm ；减速比： 1:100；最大扭力： 25nm；正常： 11nm； 则扭矩为， 124nm，6.3nm 包含 M3，7.55nm 结论：马达参数没有异常。 马达报价： 马达一EC90flat 90W+HEDL5540 公开单价 5982rmb CSG-25-160-2A-GR 公开单价13246rmb 马达二EC-4pole max30 200W+MR 公开单价7372rmb CSG-25-160-2A-GR 公开单价13246rmb 马达三EC40 170W+HEDL5540 公开单价6259rmb CSG-17-120-2A-R 公开单价 9238RMB 马达四EC45flat 70W （最好用EC-I40 70W+MR) 公开单价4302rmb CSG-20-160-2A-GR 公开 单价 11019rmb 马达五EC40 170W+HEDL5540 公开单价6259rmb CSD SHD-17-100-2A-R 公开单价8393RMB 马达六EC45flat 70W （最好用EC-I40 70W+MR) 公开单价4302rmb CSF-11-100-2A-R 公开 单价 5308RMB 马达七EC-4pole max30 100W+MR 公开单价6587rmb CSF-11-100-2A-R 公开单价5308rmb 电机是 1-4 台的价格，大概有7 个点幅度，谐波需要和日本确认后，日本才能给我们正式offer，我给你的价格是我别的项目时 价格，作为参考，一般有10 个点的浮动 如果电单套数量5 台，公开价还要低 Harmonic 九、各运动角度计算： 序号名称角度大小 角度范围 备注 肩关节旋转180° 1 225° 1=-135° 90°外向内 肩关节上下90°2120° 2=-90° 15°前向后 上臂旋转120° 3150° 3=90° 270°外向内 肘关节120° 4 150° 4=0° 150°前向后 小臂旋转90°5 120° 5=0° 150°外向内 腕关节上下90°6 120° 6=-90° 45°前向后 腕关节左右40°7 90° 7=-30° 30°上向下 十、结构模型说明 12 3 4 5 6 7 8 11 10 9 12 1，关节一2，关节一弹性材料3，关节二四连杆，4，关节二连杆5，大臂6，大 臂转动关节7，关节四弹性材料8，关节五9 关节六弹性材料10，关节六连杆11， 关节七12，关节七弹性材料 整体图 与身体连接法兰 轴承固定零件 柔性材料腔体 抬大臂活动连杆 柔性材料驱动 抬臂柔性材料腔体 大臂外铝支架 大臂下轴承固定零件 手腕连杆 手腕万向节 Csd-25-160 谐波减速器 2.三自由度平台 3.先做一个刚性的测试平台（零件、两个方案、电机驱动、2.15 号测试平台方案） 4.结构发给老师（动力分析建模） 5.提供弹性系数、负载、 6.整个机构的零件质量（动量）与尺寸（力臂）提供模型给·· · 7.电机、减速机、编码器 8.方案细化 9.节前去采购电机maxon， （编码盘）增量式两套。 10. 成本核算 -蔡 11. 外观设计 2 月 15 号之前完成 12. 外观设计完成后（2 月 15 号左右）再讨论一次 13.