七自由度柔性機(jī)械臂機(jī)構(gòu)說明

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1、七自由度柔性機(jī)械臂機(jī)構(gòu)說明 設(shè)計目標(biāo) 由于人工成本的不斷提升，人們的剛性需求也不斷的擴(kuò)大，生產(chǎn)自動化越來越被人們所重視。也是社會發(fā)展的必然。讓機(jī)器人去完成一些高危、骯臟、重復(fù)、精度高的工作。由此，設(shè)計一款高精度，高靈活性的機(jī)器臂顯得更為重要。 設(shè)計的目標(biāo)：高精度仿人工業(yè)機(jī)器人。 運(yùn)用先進(jìn)的仿生理論與柔性設(shè)計為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)用二次式運(yùn)動反饋來實現(xiàn)其高精度控制，合理的仿人機(jī)構(gòu)來完成動動。 機(jī)械臂整體設(shè)計方案 一、功能需求：滿足實現(xiàn)模仿人類手臂的基本功能， 自由度包括手臂的肩部的抬起，擺動，旋轉(zhuǎn)，肘部的彎曲，腕部的旋轉(zhuǎn)，彎曲，擺動共7個自由度。（圖一）

2、 圖一 圖二 二、優(yōu)化后確定的構(gòu)型： 自由度包括手臂的肩部的擺動，抬起，大臂旋轉(zhuǎn)，肘部的彎曲，小臂的旋轉(zhuǎn)，腕部的彎曲，擺動共7個自由度。（圖二） 三、驅(qū)動模塊示意設(shè)計：（圖三） 胡克定律是力學(xué)基本定律之一。適用于一切固體材料的彈性定律，它指出：在彈性限度內(nèi)，物體的形變跟引起形變的外力成正比。這樣增加了力的反饋測量。在彈性材料在彈性限度內(nèi)形變時，測得其形變量，從而計算出受力與關(guān)節(jié)下方所處的位置。 1. 先進(jìn)行測試 圖三 四、機(jī)械臂的具體設(shè)計方案，（圖四）

3、 五、各關(guān)節(jié)的受力分析： 基本尺寸圖（圖五） 圖五 L1=426mm，L2=293mm，L3=108mm，L4=442mm。 六、馬達(dá)的初選 諧波減速器的優(yōu)點(diǎn)： Harmonic減速器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕、嚙合的齒數(shù)多、承載能力大、運(yùn)動精度高、運(yùn)動平穩(wěn)、間隙可以調(diào)整、傳動效率高、同軸性好、可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動及動力。 瑞士Maxon電機(jī)優(yōu)點(diǎn)： 軸向竄動和徑向跳動小、溫度范圍大、回差小等，并且電機(jī)型號全編碼器與抱閘與控制器配套全面。 　瑞士Maxon電機(jī)與日本Harmonic諧波減速器選型需求 示例圖片：

4、 圖六 馬達(dá)1：EC90flat 90W 扭力：4.67 nm 0.387nm；轉(zhuǎn)速：3190rpm；重量：648g 減速器1：CSG-25-160 減速比：1:160；最大扭力：314nm；正常：176nm；重量：420g 馬達(dá)2：EC-4pole max30 200W 扭力：3.18 nm 0.112nm；轉(zhuǎn)速：17000rpm；重量：300g 減速器2：CSG-25-160 減速比：1:160；最大扭力：314nm；正常：176nm；重量：420g 馬達(dá)3：EC max40 170W 扭力：2.66nm0.16nm；轉(zhuǎn)速：9840rpm；重量：580g 減速

5、器3：CSG-17-120 減速比：1:120；扭力最大：112nm；正常：70nm；重量：150g 馬達(dá)4：EC45flat 70W 扭力：0.82nm0.13nm；轉(zhuǎn)速：4840rpm；重量：110g 減速器4：CSG-20-160 減速比：1:160；最大扭力：191nm；正常：120nm；重量：280g 馬達(dá)5：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；轉(zhuǎn)速：17800rpm；重量：210g 減速器5：CSD SHD-17-100 減速比：1:100；最大扭力：71nm；正常：37nm；重量：100g 馬達(dá)6：EC45flat 70W 扭力

6、：0.13 nm 0.17nm；轉(zhuǎn)速：4840rpm重量：110g 減速器6：CSF-11-100 減速比：1:100；最大扭力：25nm；正常：11nm；重量：50g 馬達(dá)7：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；轉(zhuǎn)速：17800rpm；重量：210g 減速器7：CSF-11-100 最大扭力：25nm；正常：11nm；重量：50g 說明：EC45flat 70W要更換為EC-I40 70W+MR 七、受力分析： 有效扭力計算公式：(堵轉(zhuǎn)-連續(xù)）*0.3+連續(xù) 質(zhì)量分配： 設(shè)大臂小臂均為，外徑D=110mm，假設(shè)主體為外壁壁

7、厚為L=5mm的鋁殼，長度為H=250mm， 則體積為：412cm3，鋁的密度2.7g／cm3，外殼質(zhì)量為1.1kg 大臂部分質(zhì)量有馬達(dá)3（580g）減速器（150g），外殼（1.1kg）；小臂部分有馬達(dá)4567（110g，210g，110g，210g），減速器4567（280g，100g，50g，50g），外殼（1.1kg）； 手部主要是靈巧手的質(zhì)量設(shè)為1kg；外加假設(shè)載荷6kg。 質(zhì)量分配示意圖如：圖七 圖七 圖五 則可得G1=0.58+0.15+1.1=1.83kg； G2=（0.1

8、1+0.21+0.11+0.21）+（0.28+0.1+0.05+0.05）+1.1 =2.22kg G3=1+6=7kg 則大臂最大轉(zhuǎn)動慣量 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 總慣量為 大臂處M1總=M1+ g*G2*（L2/2+L4）+ g*G3*（L3+L2+L4） =3.96+9.8*2.

9、22*（0.293/2+0.442）+9.8*7*（0.108+0.293+0.442） =3.96+12.8+57.83 =74.59nm 小臂處M2總=M2+ g*G3*（L3+L2）=3.19+9.8*7*（0.108+0.293）=30.70nm 八、馬達(dá)型號確認(rèn)： 馬達(dá)1：扭力：4.67 nm 0.387nm，減速比：1:160，最大扭力：314nm；正常：176nm； 則扭矩為，747nm，61.92nm 包含M1總的74.59nm 馬達(dá)2：扭力：3.18 nm 0.112nm；減速比：1:160最大扭力：314nm；正常：176nm；

10、則扭矩為，190.8nm，17.92nm 包含M1總的74.59nm 馬達(dá)3：扭力：2.66nm0.16nm；減速比：1:120；最大扭力：112nm；正常：70nm； 則扭矩為，319.2nm，19.2nm 包含M2總30.70nm 馬達(dá)4：扭力：0.82nm0.13nm；減速比：1:160；最大扭力：191nm；正常：120nm； 則扭矩為，131.2nm，20.8nm 包含M2總30.70nm 馬達(dá)5：扭力：1.24nm 0.063nm；減速比：1:100；最大扭力：71nm；正常：37nm； 則扭矩為，124nm，6.3nm 包含M3，7.55nm

11、 馬達(dá)6：扭力：0.82nm0.13nm；減速比：1:100；最大扭力：25nm；正常：11nm； 則扭矩為，82nm，13nm 大于M3，7.55nm 馬達(dá)7：扭力：1.24nm 0.0 63nm；減速比：1:100；最大扭力：25nm；正常：11nm； 則扭矩為，124nm，6.3nm 包含M3，7.55nm 結(jié)論：馬達(dá)參數(shù)沒有異常。 馬達(dá)報價： 馬達(dá)一EC90flat 90W+HEDL5540 公開單價5982rmb CSG-25-160-2A-GR 公開單價13246rmb 馬達(dá)二EC-4pole max30 200W+MR 公開單價7372rmb CSG-2

12、5-160-2A-GR 公開單價13246rmb 馬達(dá)三EC40 170W+HEDL5540 公開單價6259rmb CSG-17-120-2A-R 公開單價9238RMB 馬達(dá)四EC45flat 70W（最好用EC-I40 70W+MR) 公開單價4302rmb CSG-20-160-2A-GR 公開單價11019rmb 馬達(dá)五EC40 170W+HEDL5540 公開單價6259rmb CSD SHD-17-100-2A-R 公開單價8393RMB 馬達(dá)六EC45flat 70W（最好用EC-I40 70W+MR) 公開單價4302rmb CSF-11-100-2A-R 公開單價5

13、308RMB 馬達(dá)七EC-4pole max30 100W+MR 公開單價6587rmb CSF-11-100-2A-R 公開單價5308rmb 電機(jī)是1-4臺的價格，大概有7個點(diǎn)幅度，諧波需要和日本確認(rèn)后，日本才能給我們正式offer，我給你的價格是我別的項目時價格，作為參考，一般有10個點(diǎn)的浮動 如果電單套數(shù)量5臺，公開價還要低 Harmonic 九、各運(yùn)動角度計算： 序號 名稱 角度大小α 角度范圍β 備注 ① 肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn) 180<α1< 225 β1=-135～90 外向內(nèi) ② 肩關(guān)節(jié)上下 90<α2<120 β2=-90～15 前向后 ③

14、 上臂旋轉(zhuǎn) 120<α3<150 β3=90～270 外向內(nèi) ④ 肘關(guān)節(jié) 120<α4< 150 β4=0～150 前向后 ⑤ 小臂旋轉(zhuǎn) 90<α5< 120 β5=0～150 外向內(nèi) ⑥ 腕關(guān)節(jié)上下 90<α6< 120 β6=-90～45 前向后 ⑦ 腕關(guān)節(jié)左右 40<α7< 90 β7=-30～30 上向下這個沒有具體的坐標(biāo)軸，不好判斷，比劃了一下沒找對感覺，個人覺得應(yīng)該稍大于一般人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍?？梢栽俸藢嵰幌?。 十、結(jié)構(gòu)模型說明 1，關(guān)節(jié)一 2，關(guān)節(jié)一彈性材料 3，關(guān)節(jié)二四連桿， 4，關(guān)節(jié)二連桿 5，大臂 6，大

15、臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 7，關(guān)節(jié)四彈性材料 8，關(guān)節(jié)五 9關(guān)節(jié)六彈性材料 10，關(guān)節(jié)六連桿 11，關(guān)節(jié)七 12，關(guān)節(jié)七彈性材料 整體圖 與身體連接法蘭 軸承固定零件 柔性材料腔體 抬大臂活動連桿 柔性材料驅(qū)動 抬臂柔性材料腔體 大臂外鋁支架 大臂下軸承固定零件 手腕連桿 手腕萬向節(jié) Csd-25-160諧波減速器 2. 三自由度平臺 3. 先做一個剛性的測試平臺（零件、兩個方案、電機(jī)驅(qū)動、2.15號測試平臺方案） 4. 結(jié)構(gòu)發(fā)給老師（動力分析建模） 5. 提供彈性系數(shù)、負(fù)載、 6. 整個機(jī)構(gòu)的零件質(zhì)量（動量）與尺寸（力臂）提供模型給 7. 電機(jī)、減速機(jī)、編碼器 8. 方案細(xì)化 9. 節(jié)前去采購電機(jī)maxon，（編碼盤）增量式兩套。 10. 成本核算-蔡 11. 外觀設(shè)計2月15號之前完成 12. 外觀設(shè)計完成后（2月15號左右）再討論一次