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，摆动共个自由度。
（图一）
721
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）
、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,
在弹性材料在弹性限度内
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。
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）
L1=426mn,L2=293mn，
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：
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：
EC45flat70W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-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=5mn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
J1
G2
G3
图五
图七
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M仁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：
2.66nm0.16nm;减速比：
1:
120;最大扭力：
112nm；正常：
70nnm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：
1.24nm0.063nm;减速比：
1:
100;最大扭力：
71nm;正常：
37nm；则扭矩为，124nm,6.3nm包含M37.55nm
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M37.55nm
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M37.55nm
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a
角度范围B
备注
①
肩关节旋转
180°31=-135。
〜90°
外向内
②
肩关节上下
90°
32=-90°
〜15°
前向后
③
上臂旋转
120°
33=90°
270°
外向内
④
肘关节
120°
34=0°〜
150°
前向后
⑤
小臂旋转
90°
35=0°〜
150°
外向内
⑥
腕关节上下
90°
36=-90°
〜45°
前向后
⑦
腕关节左右
40°
37=-30°
〜30°
上向下
十、结构模型说明
臂转动关节7，关节四弹性材料关节七12，关节七弹性材料
关节二连杆5，大臂6,
8，关节五9关节六弹性材料10，关节六连杆11
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
r!
£
柔性材料驱动
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