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柔性多关节机械手

材质:T700 连续碳纤预浸料 + 高韧环氧;骨架可选 NiTi/弹簧钢

密度:1.55 g/cm³(碳纤)/7.85(钢)/2.70(铝)

弯曲模量:约 120 GPa(60mm×2.5mm 管实测口径)

协作臂构型:6/7 轴,臂展 700–1500mm,自重 5.5–16kg 级,末端负载 4–10kg,重复定位 ±0.03–0.1mm

抑振:末端振动 0.4s 内抑制(全关节力感知机型实测)

连续体构型:直径/长度比可达 0.023(国际先进水平),任意方向弯曲 ±90°

最小弯曲半径:40mm 级(600mm 长、累计弯曲 >720° 样机)

末端负载:连续体段 0.5–10N 级(结构刚度所限,属行业共性瓶颈)



一、工艺与结构

大臂/基座段:T700 连续碳纤预浸料卷制+热压固化,中空薄壁(Φ40–80mm,壁厚 2.0–4.0mm),无焊点、低惯量

前臂/腕段:变截面拓扑件或 3K 编织蒙皮+PMI 夹芯板,逐段降刚,形成刚度梯度

连续体骨架:镍钛超弹性细杆/弹簧钢骨架 + 间隔盘串列,碳纤外覆蒙皮约束径向膨胀;肌腱走中性轴外偏置,张力直接转成曲率

关节端:预埋铝/钛合金嵌件,胶接+机械锁止双保险,防分层、防微动磨损

走线与集成:内置肌腱腔、气管槽、编码器/力觉/FBG 光纤传感走线位,可选中空器械通道


二、铺层与动力学逻辑

铺层:0°轴向 UD 主承弯 + ±45°抗扭 + 90°防椭圆化,对称均衡防固化翘曲

低惯量:50mm 外径×3mm 壁碳纤管约 0.28 kg/m,同规格钢 1.47、铝 0.51;250mm/s 下峰值碰撞力较钢降约 76%、较铝降约 44%,直接支撑 ISO/TS 15066 力与功率限制

整机收益:臂展 1000mm 六轴机换碳纤臂,臂组质量约 25–35kg 降至 10–16kg,同等电机下节拍缩短 30%–50% 或有效负载提升 2–3 倍

阻尼:复材损耗因子 0.01–0.03(铝约 0.001),启停残余振动衰减快、末端过冲小

热稳:CTE 近零,长班运行与车间温差下臂长漂移极小

连续体刚柔矛盾:柔性主干柔度随长径比呈立方幂次增长,长径比极限约 50,超过则难承自重——故采用刚柔耦合关节(轴承嵌入式接触辅助构型),抗扭刚度较传统双芯柱提升 24 倍


三、产品形态

6/7 轴协作机械手(碳纤臂杆+力矩关节+全关节力感知)

绳腱仿生灵巧手(动力远置,指端轻、不占臂负载余量)

连续体/蛇形臂:单段/多段,任意方向弯曲 ±90°

同心管微径臂(NiTi 预弯管嵌套,直径可至毫米级,经针道或器械通道送达)

定制:臂展、节段数、刚度分级、最小弯曲半径、内通道、接口、LOGO 按图定制


四、应用场景

航空发动机原位维护:孔探孔(Φ≤20mm)进入,流道内行进 1m+ 做叶片检测/修复,替代拆机停场

医疗微创:单孔腔镜蛇形臂,多器械经同一 2.5cm 鞘管进入,3D 术野+全周运动

核电与辐照环境:机电分离,电机远置基座,驱动件免受高辐射/高低温

3C 精密装配、半导体晶圆搬运:低振+低热漂

灾害搜救、管道巡检、农业采摘:非结构化受限空间

裕同新材从"预浸料选型—刚度梯度铺层—变截面固化—嵌件共固化—肌腱走线集成—关节标定—模态与力控测试"全链路自控。柔性多关节手不是把刚性臂涂黑,而是把惯量、碰撞安全、刚度梯度、肌腱迟滞补偿、受限空间可达性一起算进仿生骨骼里。


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