七自由度柔性机械臂机构说明..doc

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1801 2251=-13590外向内肩关节上下9021202=-9015前向后上臂旋转12031503=90270外向内肘关节1204 1504=0150前向后小臂旋转905 1205=0150外向内腕关节上下906 1206=-9045前向后腕关节左右407 907=-3030上向下这个没有具体的坐标轴，不好判断，比划了一下没找对感觉，个人觉得应该稍大于一般人的关节运动范围。可以再核实一下。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