七自由度柔性机械臂机构说明.docx

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七自由度柔性机械臂机构说明

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：

EC90flat90W扭力：

4.67nm0.387nm；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-4polemax30200W扭力：

3.18nm0.112nm；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：

ECmax40170W扭力：

；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：

EC45flat70W扭力：

；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-4polemax30100W扭力：

1.24nm0.063nm；转速：

17800rpm；重量：

210g

减速器5：

CSDSHD-17-100减速比：

1:

100；最大扭力：

71nm；正常：

37nm；重量：

100g

马达6：

EC45flat70W扭力：

0.13nm0.17nm；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-4polemax30100W扭力：

1.24nm0.063nm；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：

EC45flat70W要更换为EC-I4070W+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2.7g／cm3，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：

4.67nm0.387nm，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：

3.18nm0.112nm；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：

；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：

；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：

1.24nm0.063nm；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：

；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：

1.24nm0.063nm；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EC90flat90W+HEDL5540公开单价5982rmbCSG-25-160-2A-GR公开单价13246rmb

马达二EC-4polemax30200W+MR公开单价7372rmbCSG-25-160-2A-GR公开单价13246rmb

马达三EC40170W+HEDL5540公开单价6259rmbCSG-17-120-2A-R公开单价9238RMB

马达四EC45flat70W（最好用EC-I4070W+MR）公开单价4302rmbCSG-20-160-2A-GR公开单价11019rmb

马达五EC40170W+HEDL5540公开单价6259rmbCSDSHD-17-100-2A-R公开单价8393RMB

马达六EC45flat70W（最好用EC-I4070W+MR）公开单价4302rmbCSF-11-100-2A-R公开单价5308RMB

马达七EC-4polemax30100W+MR公开单价6587rmbCSF-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α

角度范围β

备注

①

肩关节旋转

180°<α1<225°

β1=-135°～90°

外向内

②

肩关节上下

90°<α2<120°

β2=-90°～15°

前向后

③

上臂旋转

120°<α3<150°

β3=90°～270°

外向内

④

肘关节

120°<α4<150°

β4=0°～150°

前向后

⑤

小臂旋转

90°<α5<120°

β5=0°～150°

外向内

⑥

腕关节上下

90°<α6<120°

β6=-90°～45°

前向后

⑦

腕关节左右

40°<α7<90°

β7=-30°～30°

上向下

十、结构模型说明

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