【《一款七自由度仿人机械臂的详细方案设计案例》13000字】

一款七自由度仿人机械臂的详细方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25211一款七自由度仿人机械臂的详细方案设计案例 164481.1主要外购件选型与校核 2144661.1.1第一自由度理论值计算 278501.1.2第二自由度理论值计算 7134491.1.3第三自由度理论值计算 871261.1.4第四自由度理论值计算 995731.1.5第五自由度理论值计算 10234941.1.6第六七自由度理论值计算 11192371.1.7各自由度选型汇总 13252021.1.8各自由度选型汇总 14218881.2主要零部件设计与校核 15219891.2.1肩关节机械结构设计 15314231.2.2上臂机械结构设计 16169011.2.3齿轮计算 1648371.2.4前臂机械结构设计 3050201.2.5七自由度机械臂整机结构 31166741.2.6肩部连接件校核 32195821.2.7上臂重要件校核 33178761.2.8前臂重要连接件校核 35168961.2.9其他校核成果 3696381.3控制系统简介 37351.1.1伺服电机驱动器分析 37303481.1.2整机所需信号分析 37325451.1.3信号分析 39270471.1.4信号之间连线实现方式 401.1主要外购件选型与校核1.1.1第一自由度理论值计算计算之前，需要将整个机械臂进行抽象化，抽象为被施加了一个重为300kg的均布载荷、60kg重的尾端压力的悬臂梁，如下图，在这里需要计算出A点在静态下所需要承受的转矩和扭矩。[21]图1.1.1-1第一自由度抽象图M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωtJ=13T=J∗α=1其中：M：力矩，Nm；q：均布载荷，N/m；x：距A点的距离，m；F：载荷力，N；L：杆长，m；M：杆的均布质量，kg/m；g：重力加速度，kg/N；m：载荷质量，kg；α：杆角加速度，rad/s；ω：杆角速度，rad；t：假定加速时间，s；J：转动惯量，kg∗mT：扭矩，Nm；可见电机所需扭矩和弯矩相差甚大，则在这里按照第一自由度的输出力为4500Nm进行计算。由表1.1.1-1可知第一自由度需要选则减速机RV320BX或者减速机RV280BX，减速器输出力矩分别为4584Nm或2292Nm，重量为44.3kg或26.4kg，可见这两个减速器的重量将会大大影响其余自由度的转矩的计算，则在这里需要将第一自由度所有内容选定后才能进行其余自由度的计算。项目型号速比值容许力矩扭转刚度瞬时容许最大转矩传动精度齿隙回差寿命重量轴输出壳输出120BX51.552.5196202941.51.56.02.559.058.079.078.0101.0102.0150BX81.080.0880498201.01.06.04.7105.0104.0121.0120.0141.0140.0161.0160.0190BX81.080.01.61082.01.01.06.09.3105.0100.0121.0120.0151.0152.0220BX81.080.02.01961.61.01.06.011.1101.0100.0121.0120.0151.0152.0250BX111.0110.02.92945.381.01.06.017.4161.0160.0175.28174.2881.080.0280BX81.080.01.93927.81.01.06.026.4101.0100.0145.0144.0171.0170.0129.0128.0320BX101.0100.07.098015.61.01.06.044.3129.0128.0141.0140.0171.0170.0118.5117.5185.0184.0370BX81.080.08.82117622.01.01.06.066.4101.0100.0118.5117.5129.0128.0154.8151.8171.0170.0192.4191.4表1.1.1-1RVE系列减速器参数表[22]因为需要控制转速，则需要根据RV减速器的输入功率进行选择对应的伺服电机，则按照减速器输入功率表，可知，RV320BX减速器表中对应的功率为3Kw，如下表，可知，第一自由度需要选择型号为SGM7A-30A的伺服电机。旋转型伺服电机型号容量伺服单元型号SGD7S-□□□□SGD7W-□□□□SGM7J型（中惯量小容量）3000min-1SGM7J-A5A50WR70A1R6A,2R8ASGM7J-01A100WR90ASGM7J-C2A150W1R6A1R6A,2R8ASGM7J-02A200WSGM7J-04A400W2R8A2R8A,5R5A,7R6ASGM7J-06A600W5R5A5R5A,7R6ASGM7J-08A750WSGM7A型（中惯量小容量）3000min-1SGM7A-A5A50WR70A1R6A,2R8ASGM7A-01A100WR90ASGM7A-C2A150W1R6A1R6A,2R8ASGM7A-02A200WSGM7A-04A400W2R8A2R8A,5R5A,7R6ASGM7A-06A600W5R5A5R5A,7R6ASGM7A-08A750WSGM7A-10A1.0kW120A-SGM7A-15A1.5kWSGM7A-20A2.0kW180ASGM7A-25A2.5kW200ASGM7A-30A1.0kWSGM7A-40A4.0kW330ASGM7A-50A5.0kWSGM7A-70A7.0kW550ASGM7P型（中惯量小容量）3000min-1SGM7P-01A100WR90A1R6A,2R8ASGM7P-02A200W2R8A2R8A,5R5A,7R6ASGM7P-04A400WSGM7P-08A750W5R5A5R5A,7R6ASGM7P-15A1.5kW120A-SGM7G型（中惯量小容量）3000min-1SGM7M-03A300W3R8A5R5A,7R6ASGM7M-05A450WSGM7M-09A850W7R6ASGM7M-13A1.3kW120A-SGM7M-20A1.8kW180ASGM7M-30A2.9kW330ASGM7M-44A4.4kWSGM7M-55A5.5kW470ASGM7M-75A7.5kW550ASGM7M-1AA11kW590ASGM7M-1EA15kW780A表1.1.1-2旋转型伺服电机参数表[20]查找相关伺服电机SGM7A系列型号含义，如下图，可知这里应该选择SGM7A-30A7A61，在这里需要指出的是，编码器分为增量型编码器和绝对值型编码器，增量型编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小；绝对值型编码器是每一个位置对应一个确定的数字码，因此的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。[21]根据七自由度机械臂的需求这里选择的是绝对值型编码器，即型号中第四位应选择7。另外由于有些RV减速器一般具有较好的自锁性，所以这里不用选购件，即伺服电机型号的第七位为1。SGM7A-30A7A61伺服电机的重量为10.5kg。图1.1.1-2伺服电机定型对应图[20]则可知第一自由度伺服电机和减速器总重为54.8kg或36.9kg。所以可得第一自由度需要带动的重量最大应该为245kg或者263kg，为了减少整机的重量，第一自由度我们抛去第一自由度电机的重量再算一遍，则有如下：图1.1.1-3第一自由度实际抽象图M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=590.67kg∗在这里按照4000Nm进行计算的话，也知有4000Nm>2292Nm，可以得出，第一自由度可以选用伺服电机SGM7A-30A7A61和减速机RV320BX。1.1.2第二自由度理论值计算第一个自由度的电机和减速器相当于接近55kg的重量，现假设机械臂上均匀分布的载荷为245kg，可以计算出来选用第一自由度的电机和减速器，在这里试着选用重量较轻的另一款减速器RV280BX，减速器重量为26.4kg，按照第一自由度电机查找方案，查阅相关电机，伺服电机选择SGM7A-30A，伺服电机重量为4.6kg，则电机和减速机的重量为31kg。即机械臂重约230kg。图1.1.2-1第二自由度理论值计算M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=546.67kg∗在此，根据表可知RV280BX减速器输出转矩为2292Nm，小于3500Nm，则不能选用RV280BX减速器，只得再次选用RV320BX型号的减速机，来满足第二自由度的额定力矩。即第一、二自由度已经使用了110kg的重量，不考虑第一二减速器之间的连接件重量，则根据题目要求，还可以使用190kg的重量。1.1.3第三自由度理论值计算抛除一二自由度的连接杆件消耗的重量，假设我们第三自由度及其后面的自由度还可以使用150kg的重量，则第三自由度的载荷图如下所示，150kg的杆和60kg的质量块在绕b轴旋转，根据2.1.1中所得结论有前臂长度大约为866mm，由于机械臂的末端要抓去的是有重量、有体积的重物，为了应和题目中工作范围大，重载荷的要求在这里按照前臂长度为1m进行计算，则有：图1.1.3-1第二自由度理论值计算M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=110kg∗则可知在此自由度的设计当中，电机可以选择一个小功率的电机和一个转动力矩小一点的减速器。在这里我们按照扭矩1000Nm来进行计算。查阅上表可知这里的型号为RV220BX的减速器适合第三自由度所需要的力矩情况，则在第三自由度选择RV220BX减速器，输出转矩为1146Nm，重量为11.1kg，所需输入功率为750w。按照第一自由度的方法，需要选择出第三自由度电机的型号，按照旋转型伺服电机与伺服单元组合表，可以看出在这里可以选择SGM7J-08A、SGM7A-08A或者SGM7P-08A三款伺服电机，且对应的伺服单元（伺服电机驱动器，控制部分详细解释）型号都可选择SGD7S-5R5A；且查阅安川电机有限公司给出的参考文献，这三款电机除了外形上的差别，并无什么不同，则在这里为了方便记忆和方便采购，选择伺服电机SGM7A-08A7A61，与第一二自由度选择一个型号的电机，此自由度电机为中约为1.1kg，则在此自由度中伺服电机和减速器重约为16.2kg，下面按照20kg进行计算。1.1.4第四自由度理论值计算在一、二、三自由度中电机减速器和每个自由度之间的连杆最少耗费了将近170kg的重量，按照此次毕业设计的要求，则需要将剩下130kg的重量全部应用于第四自由度电机和减速器的选型，且在这里也需要按照第三自由度的长度进行计算，有如下：图1.1.4-1第二自由度理论值计算M=1q=MgF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=在第四自由度，按照所需转矩为1000Nm进行计算，可知，第四自由度可以选择RV220BX的减速器，输出转矩为1146Nm，重为11.1kg，所需输入功率为750w。同第三自由度一样，这里按照750w进行选择伺服电机，则第四自由度这里直接选择型号为SGM7A-01A7A61的伺服电机，伺服电机为中约为2.3kg，则在此自由度中伺服电机和减速器重约为16.2kg，按照20kg进行计算。1.1.5第五自由度理论值计算根据第一、二、三、四自由度的重量可知，机械本体还可以使用110kg的重量，按照上述抽象方法进行第五自由度的计算，即110kg重量可以绕C轴进行旋转，这里按照杆长为0.5m进行计算，如下：图1.1.5-1第二自由度理论值计算M=12qxF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=24.58kg∗则在第五自由度，按照转矩为500Nm进行计算，查表可得，这里选择的减速器应该为RV190BX，输出转矩为612Nm，减速器重量为9.3kg，输入功率需要400w。根据上述伺服电机的选型都为SGM7A型号，则这里直接选择功率为400w的伺服电机，型号为SGM7A-04A7A61，电机重约为1.2kg，则减速器和电机总重为10.5kg，则下面按照15kg进行计算。1.1.6第六七自由度理论值计算根据以上选择，还剩下接近95kg的重量没有支出，假设手腕也就是第六自由度和第七自由度，假设这两个自由度到达物体的中心的长度在0.2cm，那么图1.1.5-1第二自由度理论值计算M=12qxF=mg=60kg∗10m/sM=1α=ωJ=1T=J∗α=3.67kg∗则在第六七自由度按照130Nm进行计算，这里转矩相对较小，则在第六七自由度选择工业上在末端应用较多和可承受负载相对较小的谐波减速器，查阅相关资料，有如下：型号/项目加速比2000rpm输入时的额定扭矩启动、停止时允许最大扭矩平均负载时允许最大扭矩瞬间允许最大扭矩允许最高输入转速允许平均输入转速背隙设计寿命NMNMNMNMRPMRPMArcsecHours14505.4186.93575003500≤30＞10000807.8231147≤30＞100001007.8281154≤30＞1000017501634267070003500≤30＞100008022432787≤30＞10000100245439110≤30＞1000020502556349860003500≤30＞1000080347447127≤30＞10000100408249147≤30＞10000120408749147≤30＞10000255039985518655003500≤30＞10000806313787355≤30＞1000010067157108284≤30＞1000012067167108304≤30＞1000032507621610838250003500≤30＞1000080118304167568≤30＞10000100137333216647≤30＞10000120137353216686≤30＞10000表1.1.6-1谐波减速器相关参数表[21]则这里需要选择型号为LZ-HS32的减速器，则这里的可选择传动比为1：100和1：120，按照上表可知这两个传动比并无差别，则这里选择传动比1：100，1:120作为备选。LZ-HS32减速器重2.59kg。因为在对应资料中没有找到相关功率、扭矩作为参考，则这里按照减速器的传动效率为0.8进行粗略计算，有：P入=其中： P入 T：力矩，Nm； N：转速，r/min； η：功率转换效率，无。则可知这里伺服电机的扭矩可以选择一款型号最小，且体积最小的伺服电机，按照安川伺服电机相关资料，这里可以选择SGM7J-A5A和SGM7A-A5A两个型号的伺服电机。同理，为了记忆方便和方便采购，这里同样选择SGM7A-A5A伺服电机，具体型号为SGM7A-A5A7A61，大致的质量为0.3kg。则第六七自由度的减速器和电机的重量大约为2.9kg，按照5kg进行计算的话，第六七自由度的电机和减速器总重不超过10kg，即，目前为止满足机械本体300kg的要求。1.1.7各自由度选型汇总综上所述，总结出下表：自由度大概转矩（Nm）电机减速器传动比第一自由度4000SGM7A-30A7A61RV320BX1:101第二自由度3500SGM7A-30A7A61RV320BX1:81第三自由度1000SGM7A-08A7A61RV220BX1:43第四自由度1000SGM7A-08A7A61RV220BX1:81第五自由度500SGM7A-04A7A61RV190BX1:43第六自由度130SGM7A-A5A7A61LZ-HS321:81第七自由度130SGM7A-A5A7A61LZ-HS321:81表1.1.7选型汇总表1.1.8各自由度选型汇总通过前面几个小节，可以了解到电机与减速器的总重大约在200kg左右，则其余100kg将用于每个自由度之间的连接件的重量，即机械臂的主题结构的重量，此次设计的七自由度仿人机械臂长度大约为2m，长度较长，而所需要用的重量很少，则每个自由度之间的连接件应该选择密度较小强度较高，且性价比较高的的铝合金2Al 按照第一自由度转矩为T=4000Nm，分析机械臂的抗弯刚度，2Al2的抗拉强度为390~420Mpa，取WZ其中：WZMmaxσ：抗拉强度，Mpa。对于矩形截面：WZ=bb：宽度，m；h：长度，m。图1.1.8–1一定抗弯刚度下的矩形截面宽高曲线圆形截面：WZ=d=13其中：d：直径，mm。 则设计时需要考虑矩形截面的长度和宽度对应的抗弯强度需要符合矩形截面的抗弯强度曲线，圆形截面需要最小直径应大于47.1mm。1.2主要零部件设计与校核1.2.1肩关节机械结构设计第一二自由度设计，第一二自由度之间需要一个连接件连接，第一自由度输出法兰与第二自由度固定法兰和电机，如图所示，展示了肩部第一二个自由度的设计，由于肩部第三个自由度属于上臂的一部分所以我们放到上臂部分进行详细展开。人体上肢的肩关节是一个球窝型结构，在机械设计中可以理解为一个高副，一个高副一般可由两个低副替代，但是由于实际上人体肩关节各自由度不是全范围，即不是360°，故考虑使用三个有活动限制的低副代替高副，该设计广泛使用的工业机械臂腰部，通常由三个串联的旋转关节组成。故所设计的七自由度仿人机械臂肩关节三个小关节设计为三个串联的旋转关节，各小关节回转轴线两两垂直，且相交于一点。这里展示的两个关节分别由电机搭配减速器直接驱动，实现人体上肢肩关节三个运动上臂前驱／后伸、上臂外展/内收，上臂内旋和外旋。图1.2.1-1肩部第一二自由度设计图1.2.2上臂机械结构设计第三四自由度设计，第三自由度是大臂的旋转自由度，第四自由度是肘关节的旋转自由度，如1.2.2-1图所示，是初步设计图示，图示展示了肩部第三自由度和肘部自由度的设计方案示意图，按前所述，上臂连接点中心距离应该为1134mm，但实际重手腕与手掌的连接也是有距离的，所以应该将整个臂展缩小，在这里上臂臂长为1m左右；为了减少力矩，第三自由度电机和减速器应接近第二自由度减速器，这也使得第三自由度的输出部分连接第四自由度的连杆会相对较长。人体肘关节是一个结构较简单的旋转关节，只有一个自由度完成前臂屈伸动作，但是连接了前臂与上臂相对独立的两部分，同时也是关节承载能力要求较高的关节。图1.2.2-1机械手第三四自由度设计图 在上臂这里由于肘关节的需要，设计了两对齿轮。1.2.3齿轮计算总传动比的计算由于这里的齿轮只适用于传递一下功率，不需要减速，也不需要增速，没有任何的要求，则在这里选定传动比为1，即ia其中： ia分配传动比选定标准轴承座6204zz型号的轴承座，中心距高度为60mm，则在这里不能选用较大直径的齿轮，即需要齿轮模数较小或者齿轮的齿数相对较少，在这里给定以下假设：mzz即i则在假设锥齿轮的参数：mzz即i其中： m1 z1 z2 i1 m2 z3 z4 i2第一齿轮副[23]（均采用参考书中的计算过程进行和参考，包括图和各个参数，参数对应的值将不再详细解释）定齿轮类型、精度、材料及齿数根据这里需求的传动方案，第一级传动采用直齿圆柱齿轮进行传动，压力角取为20°。七自由度机械臂中采用的是通用减速器，参考表10-6，选用7级精度。选择材料。由表10-1，选择两齿轮的材料为表面硬化刚（渗碳淬火处理），齿面接触强度为1500Mpa，弯曲强度为450Mpa。选小齿轮齿数z1=29，大齿轮齿数按齿面接触疲劳强度设计由式（10-11）试算小齿轮分度圆直径，即d确定公式中的各参数值试选K计算小齿轮传递的转矩。T由表10-7选取齿宽系数为∅由图10-20查得区域系数ZH由表10-5查得材料的弹性影响系数ZE由式（10-9）计算接触疲劳强度用重合度系数ZεααεZ计算接触疲劳许用应力[σH由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为σ由式（10-15）计算应力循环的次数：NN由图10-23查取接触疲劳寿命系数KH取失效概率为1%、安全系数S=1。由式（10-14）得[[因为[σH]1试算小齿轮分度圆直径d(2) 调整小齿轮分度圆直径1) 计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度vv=齿宽bb=2） 计算实际载荷系数由表10-2查得使用系数KA根据v=0.458ms齿轮的圆周力FK查表10-3得齿间载荷分配系数KHα由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对轴承非对称布置时，得齿向载荷分布系数KHβK由式（10-12），可得按实际载荷系数算得的分度圆直径d 及相应的齿轮模数m=按齿根弯曲疲劳强度设计由式（10-7）试算模数，即m确定公式中的各个参数值试选K由式（10-5）计算弯曲疲劳强度用重合度系数Y计算YFa由图10-17查得齿形系数YFa1由图10-18查得盈利修正系数Ysa1由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为σFLim1由图10-22查得弯曲疲劳寿命系数KFN1取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-14）得[[YY因为小齿轮的YFaY 试算模数m(2)调整齿轮模数1)计算时机载荷系数前的数据准备a)圆周速度vdv=b)齿宽bb= c)宽高比b/hh=b2)计算实际载荷系数Ka)根据v=0.246m/s，7级精度，由图10-8查的动载系数Kvb)由Ft1=2T1dc)由表10-4用插值法查得KHβ=1.2695，结合b/h=6.44，查图10-13，得则载荷系数为K由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数。m= 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，根据题中的要求这里取m=2mm，大齿轮齿数为31，小齿轮齿数为29，29与31互为质数，满足齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度。几何尺寸计算计算分度圆直径dd计算中心距a=计算齿轮宽度b=考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽和节省材料，在这里将齿宽略微的降低一点，取为b=25mm，另外一般将小齿轮略微加宽（5~10）mm，即b取b1=30mm，而使大齿轮的齿宽等于设计齿宽，即主要设计结论齿数z1二、 第二齿轮副选择锥齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1） 选用标准直齿锥齿轮传动，压力角取为20°。齿轮精度和材料与直齿轮相同。选小齿轮齿数z1按齿面接触疲劳强度设计由式（10-29）试算小齿轮分度圆直径，即d确定公式中的各参数值试选K计算小齿轮传递的转矩。T选取齿宽系数为∅由图10-20查得区域系数ZH由表10-5查得材料的弹性影响系数ZE计算接触疲劳许用应力[σH由图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为σ由式（10-15）计算应力循环的次数：NN由图10-23查取接触疲劳寿命系数KH取失效概率为1%、安全系数S=1。由式（10-14）得[[因为[σH]1=试算小齿轮分度圆直径d调整小齿轮分度圆直径计算实际载荷系数前的数据准备圆周速度v。dv=齿宽bb=∅计算实际载荷系数K由表10-2查得使用系数KH根据v=0.452m/s，7级精度，由图10-8查的动载系数Kv直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数KHα由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂时，得吃想载荷分布系数KHβ由此得到实际载荷系数：K由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数。d及相应的齿轮模数m=按齿根弯曲疲劳强度设计由式（10-27）试算模数，即m确定公式中的各参数试选K计算FFa由分锥角δ1=arctan1u由图10-17查得齿形系数Y由图10-18查得应力修正系数Y由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的翅根弯曲疲劳极限分别为σ由图10-22查得弯曲疲劳寿命系数K取弯曲疲劳安全系数S=1.7，由式（10-14）得[[YY因为小齿轮的YFaY试算模数m调整齿轮模数计算实际载荷系数前的数据准备圆周速度v。ddv=齿宽bb=2） 计算实际载荷系数K根据v=0.70m/s，7级精度，由图10-8查的动载系数Kv直齿锥齿轮精度较低，取齿间载荷分配系数KFα由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂时，得齿向载荷分布系数KFβ由此得到实际载荷系数：K由式（10-13），可得安实际载荷系数算得的齿轮模数为m=按照齿根弯曲疲劳强度计算的模数，就近选择模数m=2.25mm，按照解除疲劳强度算得分度圆直径取d1=40.41，算出小齿轮齿数z1=d1几何尺寸计算计算分度圆直径dd（2） 计算分锥角δδ（3） 计算齿轮宽度b=b=取b主要设计结论齿数z11.2.4前臂机械结构设计前臂包含第五、六、七自由度，如图所示，其中第五自由度的设计可以参考第三自由度的设计，同样需要将电机和减速器靠近第四自由度，以起到减小力矩的作用。需要指出的是这里手腕部分设计，也就是第六、七自由度的设计，在本设计中，仿照了万向节的设计，中间采用了一个中心被掏空的偏心立方体，一侧的外部连接第六自由度电机和减速器，而将第七自由度的减速器和电机放到了被掏空的偏心立方体里面，将减速器的输出部分与手腕的输出部分相连接，如此，便起到了手腕的作用，具体设计示意图如下。其中第四自由度中心距离到第七自由度中心距离为764mm，与前述相对较短，同样是考虑了连接部分的长度。图1.2.4-1前臂机械结构设计图1.2.4-2手腕六七自由度设计图1.2.4-3万向节示意图1.2.5七自由度机械臂整机结构连接好肩部两个自由度、上臂两个自由度和前臂两个自由度，便是整个机械臂的臂展，如图所示，是在SolidWorks中处理完成后所作出的样子。需要指出的是，其中第一、二、三自由度是相交于一点的，第五、六、七自由度则并不相交于一点，这里由于电机、减速器并理想轴，实则存在尺寸，存在体积，所以综合考虑后我们尽可能的缩小了第五、六、七自由度之间异面的距离。图1.2.5-1七自由度仿人机械臂机械设计示意图注：此次设计的是七自由度仿人机械臂的设计，不涉及到手部的设计和躯干的设计，在这里给出了机械臂安装的底座，仅供参考1.2.6肩部连接件校核如图所示，是肩部连接件的设计模型，分别连接第一自由度减速器的输出法兰和第二自由度得到输入部分。则此肩部的连接件需要校核在手臂自然下垂情况下的应力应变情况和手臂抬起与地面平行情况下的情况下应力应变情况。在这里使用SolidWorks中进行simulation插件进行仿真。图1.2.6-1肩部连接件图示在这里连接杆件的固定部分为连接第一自由度输出法兰的部分，如下图所示绿色部分为固定孔和固定面，红色部分为所受力矩情况，此状况为当手臂与地面平行时所承受力的情况。所承受力矩大小为3500Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.2.6-2肩部连接件扭矩固定示意图图1.2.6-3肩部连接件扭矩安全系数示意图分析可知，最大应力处为5.014∗107N/此状况为当手臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力的大小为2950Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.2.6-4肩部连接件受力固定示意图图1.2.6-5肩部连接件受力安全系数示意图分析可知，最大应力处为3.904∗108N/1.2.7上臂重要件校核如图所示，第三、四自由度连接件的设计模型，分别连接第三自由度减速器的输出法兰和第四自由度得到输出法兰。则此上臂的连接件同样需要需要校核在手臂自然下垂情况下的应力应变情况和前臂抬起与地面平行情况下的情况下应力应变情况。图1.2.7-1上臂重要连接件在这里连接杆件的固定部分为连接第三自由度输出法兰的部分，此状况为当前臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力大小约为800N。则生成网格，进行运算结果。图1.2.7-2上臂重要连接件受力固定示意图图1.2.7-3上臂重要连接件受力安全系数示意图分析可知，最大应力处为1.423∗107N/m2如下图所示，此状况为当手臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力矩的大小为1500Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.2.7-4上臂重要连接件扭矩固定示意图图1.2.7-5上臂重要连接件扭矩安全系数示意图由图可知，最大应力处为1.085∗107N/m21.2.8前臂重要连接件校核如图所示，第五、六自由度连接件的设计模型，分别连接第四自由度减速器的输出法兰和第六自由度得到输出法兰。则此上臂的连接件同样需要校核在手臂自然下垂情况下的应力应变情况和前臂抬起与地面平行情况下的情况下应力应变情况。图1.2.8-1前臂重要连接件在这里连接杆件的固定部分为连接第五自由度输出法兰的部分，此状况为当前臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力大小约为800N。则生成网格，进行运算结果。图1.2.8-3前臂重要连接件受力固定示意图图1.2.8-3前臂重要连接件受力安全系数示意图分析可知，最大应力处为1.094∗105N/m2如下图所示，此状况为当手臂与地面垂直时所承受力的情况。所承受力矩的大小为150Nm。则生成网格，进行运算结果。图1.2.8-4前臂重要连接件扭矩固定示意图图1.2.8-5前臂重要连接件扭矩安全系数示意图分析可知，最大应力处为1.094∗105N/m21.2.9其他校核成果此次课题设计的七自由度仿人机械臂，具有与人体上肢相似的结构和尺寸比例，上臂长1m，前臂长0.764m，共长1.764m，工作范围较大，可承受不小于60公斤的载荷，且此载荷可以体积较大，另外经过SolidWorks进行质量检测，单条机械臂重量大概在270kg左右，满足机械本体不超过300公斤要求。调整速度按照上述电机减速器选型，则每个关节的调整速度可控制在10度每秒。图1.2.9-1整体质量属性1.3控制系统简介1.1.1伺服电机驱动器分析图1.1.1-1伺服电机具体型号分析根据第二章，这里控制方案需要做的就是对七个伺服电机进行控制，控制伺服电机不得不用到伺服电机的驱动器，即对伺服电机的控制就是对驱动器的控制，则在出整体控制方案前，应先了解私服点击驱动器的选型。私服电机驱动器又称为伺服单元，如下给出伺服单元的型号判别方法，则可知这里所选择的是SGD7SxxxA00A001的型号的伺服驱动器则按照伺服电机选型和选型表可知，这里伺服单元应该选用如下表中几款伺服单元：伺服电机驱动器所需功率驱动器驱动器数量SGM7A-30A7A613KwSGD7S200A2SGM7A-08A7A61750wSGD7S5R5A2SGM7A-04A7A61400wSGD7S2R8A1SGM7A-A5A7A6150wSGD7SR70A2表1.1.1-1所需伺服电机相关参数[]1.1.2整机所需信号分析在机器人控制过程中，运动控制卡通过控制卡、转接卡、端子板、屏蔽电缆与驱动器相连，即运动控制卡是整个系统的控制核心。GTS-800-PV-PCI运动控制卡配套转接卡、端子板信息如下。产品型号组件名称备选件描述GTS-800-PV-PCI控制器主卡GTS-800-PV-VB标准版运动控制器主卡，1块端子板（原则上一套控制器配其中任何一款端子板，根据客户需要可多选可少选）GT2-800-ACC2-VB-VGTS八轴闭环运动控制器端子板GT2-800-ACC2-VB-V-AGTS八轴闭环运动控制器端子板

(带12位AD功能和非轴DA功能)屏蔽电缆（一套控制器配两种电缆各一条）CN17-ACC3-T1-0680X1X2X1X2为电缆长度，可选长度：03：0.3m，10：1.0m15：1.5m，30：1.0mCN18-ACC3-T1-0680X1X2光盘产品配套光盘，1张表1.1.2-1运动控制卡对应选择件[]其中两款端子板都具有八轴闭环运动控制的功能，且GT2-800-ACC2-VB-V-A端子板具有12位AD功能和非轴DA功能，在这里选择GT2-800-ACC2-VB-V-A端子板，七自由度仿人机械臂避免不了增加各传感器，会用到AD/DA功能，则AD/DA功能作为保留，可为后续传感器的扩展做好准备。另外屏蔽电缆这里有四个选择，分别是0.3m、1.0m、