七自由度柔性機械臂機構說明

七自由度柔性機械臂機構說明設計目標由于人工成本的不斷提升，人們的剛性需求也不斷的擴大，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。讓機器人去完成一些高危、骯臟、重復、精度高的工作。由此，設計一款高精度，高靈活性的機器臂顯得更為重要。設計的目標：高精度仿人工業(yè)機器人。運用先進的仿生理論與柔性設計為基礎，設計開發(fā)用二次式運動反饋來實現(xiàn)其高精度控制，合理的仿人機構來完成動動。機械臂整體設計方案一、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，肘部的彎曲，腕部的旋轉，彎曲，擺動共7個自由度。（圖一） 圖一 圖二二、優(yōu)化后確定的構型：自由度包括手臂的肩部的擺動，抬起，大臂旋轉，肘部的彎曲，小臂的旋轉，腕部的彎曲，擺動共7個自由度。（圖二）三、驅動模塊示意設計：（圖三）胡克定律是力學基本定律之一。適用于一切固體材料的彈性定律，它指出：在彈性限度內，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形變時，測得其形變量，從而計算出受力與關節(jié)下方所處的位置。1. 先進行測試 圖三四、機械臂的具體設計方案，（圖四）五、各關節(jié)的受力分析：基本尺寸圖（圖五）圖五L1=426mm，L2=293mm，L3=108mm，L4=442mm。六、馬達的初選諧波減速器的優(yōu)點：Harmonic減速器結構簡單，體積小，重量輕、嚙合的齒數(shù)多、承載能力大、運動精度高、運動平穩(wěn)、間隙可以調整、傳動效率高、同軸性好、可實現(xiàn)向密閉空間傳遞運動及動力。瑞士Maxon電機優(yōu)點：軸向竄動和徑向跳動小、溫度范圍大、回差小等，并且電機型號全編碼器與抱閘與控制器配套全面。瑞士Maxon電機與日本Harmonic諧波減速器選型需求示例圖片：圖六馬達1：EC90flat 90W 扭力：4.67 nm 0.387nm；轉速：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2：EC-4pole max30 200W 扭力：3.18 nm 0.112nm；轉速：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3：EC max40 170W 扭力：2.66nm0.16nm；轉速：9840rpm；重量：580g 減速器3：CSG-17-120 減速比：1:120；扭力最大：112nm；正常：70nm；重量：150g馬達4：EC45flat 70W 扭力：0.82nm0.13nm；轉速：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5：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；轉速：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6：EC45flat 70W 扭力：0.13 nm 0.17nm；轉速：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7：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；轉速：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-連續(xù)）*0.3+連續(xù)質量分配：設大臂小臂均為，外徑D=110mm，假設主體為外壁壁厚為L=5mm的鋁殼，長度為H=250mm，則體積為：412cm3，鋁的密度2.7gcm3，外殼質量為1.1kg 大臂部分質量有馬達3（580g）減速器（150g），外殼（1.1kg）；小臂部分有馬達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量設為1kg；外加假設載荷6kg。質量分配示意圖如：圖七 圖七 圖五則可得G1=0.58+0.15+1.1=1.83kg；G2=（0.11+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*2.22*（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、馬達型號確認：馬達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2：扭力：3.18 nm 0.112nm；減速比：1:160最大扭力：314nm；正常：176nm；則扭矩為，190.8nm，17.92nm 包含M1總的74.59nm馬達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馬達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結論：馬達參數(shù)沒有異常。馬達報價：馬達一EC90flat 90W+HEDL5540 公開單價5982rmb CSG-25-160-2A-GR 公開單價13246rmb馬達二EC-4pole max30 200W+MR 公開單價7372rmb CSG-25-160-2A-GR 公開單價13246rmb馬達三EC40 170W+HEDL5540 公開單價6259rmb CSG-17-120-2A-R 公開單價9238RMB馬達四EC45flat 70W（最好用EC-I40 70W+MR) 公開單價4302rmb CSG-20-160-2A-GR 公開單價11019rmb馬達五EC40 170W+HEDL5540 公開單價6259rmb CSD SHD-17-100-2A-R 公開單價8393RMB馬達六EC45flat 70W（最好用EC-I40 70W+MR) 公開單價4302rmb CSF-11-100-2A-R 公開單價5308RMB馬達七EC-4pole max30 100W+MR 公開單價6587rmb CSF-11-100-2A-R 公開單價5308rmb電機是1-4臺的價格，大概有7個點幅度，諧波需要和日本確認后，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個點的浮動如果電單套數(shù)量5臺，公開價還要低Harmonic九、各運動角度計算：序號名稱角度大小角度范圍備注肩關節(jié)旋轉180<1< 2251=-13590外向內肩關節(jié)上下90<2<1202=-9015前向后上臂旋轉120<3<1503=90270外向內肘關節(jié)120<4< 1504=0150前向后小臂旋轉90<5< 1205=0150外向內腕關節(jié)上下90<6< 1206=-9045前向后腕關節(jié)左右40<7< 907=-3030上向下這個沒有具體的坐標軸，不好判斷，比劃了一下沒找對感覺，個人覺得應該稍大于一般人的關節(jié)運動范圍?？梢栽俸藢嵰幌?。十、結構模型說明1，關節(jié)一 2，關節(jié)一彈性材料 3，關節(jié)二四連桿， 4，關節(jié)二連桿 5，大臂 6，大臂轉動關節(jié) 7，關節(jié)四彈性材料 8，關節(jié)五 9關節(jié)六彈性材料 10，關節(jié)六連桿 11，關節(jié)七 12，關節(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、電機驅動、2.15號測試平臺方案）4. 結構發(fā)給老師（動力分析建模）5. 提供彈性系數(shù)、負載、6. 整個機構的零件質量（動量）與尺寸（力臂）提供模型給7. 電機、減速機、編碼器8. 方案細化9. 節(jié)前去采購電機maxon，（編碼盤）增量式兩套。10. 成本核算-蔡11. 外觀設計2月15號之前完成12. 外觀設計完成后（2月15號左右）再討論一次