智能交互机器人的主要部件选型参考方案:伺服电机,减速机和减速齿轮,陀螺仪

智能交互机器人不同关节的运动性能需求是不一样的。在设计智能交互机器人关节时，需要充分考虑不同的运动需求，设计出既满足通用性又符合特殊性的关节。 一个关节实际是 一个转动机构，转动机构置于不同的坐标方向上，使得该关节具有在该坐标方向上的转 动范围。结合上面分析的范围约束和速度约束，可以确定关节设计所需要的部件及其参数。转动机构的设置可以由以下部件组成。

①直流伺服电机，它是转动机构的核心部件，其他部件都是以直流电机参数为中心 进行配置。电机的转动速度、扭矩、反馈信号频率和额定电压等参数是整个机器人控制系统的决定性因素之一。

②减速机和减速齿轮，它们主要作用是直流电机与智能交互机器人运动约束条件之间的 桥梁。减速装置可以降低电机的转动速度，加大输出扭矩。合理地设计减速比能让不同 关节的运动需求得到很好满足。

③陀螺仪，主要用于转动机构以及智能交互机器人运动加速度的反馈检测。它能很好地 反映智能交互机器人转动关节的运动状态和智能交互机器人的运动重心，这对于智能交互机器人步行 算法设计有着重要的作用。

(1)直流伺服电机选择。智能交互机器人驱动系统的电机除具有一般电机的基本功能 外，由于其特殊性，还具有下列特点及要求[96。

①可控性，驱动电机是将控制信号转变为机械运动的原件，可控性非常重要。

②准确性，要准确地使机械运动满足需求，需要要求电机具有高精度。

③可靠性，电机的可靠性关系到整个智能交互机器人的可靠性。

④快速性，智能交互机器人的控制指令经常变化，有些变化非常迅速，所以要求电机能做 出快速的响应。

⑤经济性，经济性是任何工程技术的一个重要指标，控制电机也毫不例外，况且控制 电机在智能交互机器人中所占经济价值比例较大，控制电机的经济性显得尤为重要。

⑥环境适应性，驱动电机要有良好的环境适应性，往往比一般电机的环境要求高 许多。

电机是将电能转化为机械能的部件，由此发生的力经过以减速器为核心的动力传递 系统到达负载端。在此过程中， 一部分力克服摩擦，以热能的形式耗散出去，因此传动效 率无法达到100%。在实际设计中，应该将上述路线的顺序倒过来，即以负载的大小和摩 擦系数及运动效率去推算电机的容量。施加于电机的负载大致可以划分成三种基本类 型：有效力、无效力、惯性力。智能交互机器人的驱动器大致有直流电机、步进电机、舵机。如 图3.14所示为电机选择的方法和步骤。从图中可知，决定电机容量时，涉及负载估算、 驱动对象运动规律确定、传动系统转动惯量折算等内容[96]。

(2)直流伺服电机选型。根据上面的分析，为本节设计的智能交互机器人选用了两种 类型的直流伺服电机，分别是上海瑞克科技发展有限公司的50SYXB-01 和 5 0SYXB- 02,质量大约为0.5～1.0kg, 规格如表3.3所示。从表中不难看出这种直流伺服电机 转速非常高，Z高可达到3000r/min(转/分钟);而其转矩又很小，不能直接用于关节驱 动装置。

小、重量轻、效率高等优点。智能交互机器人常用的传动和减速机构包括 RV 减速机构、谐波 减速机械、摆线针轮减速机构、行星齿轮减速机构、滚珠丝杠机构、螺旋传动机构、同步齿 形带机构。相对于其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度、高传动效率、高扭矩/体 积比、终身免维护等特点。因此，行星减速机多数安装在步进电机和伺服电机上，用来降 低转速和提升扭矩及匹配惯量。行星减速机主要由行星轮、太阳轮、外齿圈构成。它单 J减速Z小为3,Z大不超过10,减速机J数一般不超过3,但有部分大减速比定制的减 速机有4J减速，减速机额定输入转速Z高可达到18000r/m 以上，工作温度在—25~ 100℃,通过改变润滑脂可以改变其工作温度。本节设计的智能交互机器人使用的电机均是 伺服电机，而行星减速机能与伺服电机 一 起使用，它是降低转速、提升扭矩、匹配惯量的 Z佳选择 。

(4)精密行星减速机选型及其问题。选用精密行星减速机应考虑其结构类型、安装 形式、承载能力、输出转速、工作条件等因素。减速机的承载能力是在额定转速下，每天 工作10小时和启动数少于10time/h 及平稳无冲击的条件下得出的，所以应按以下步骤 进行选型[97]。

第 一 步，检查所选配置：

①根据负载类型和每小时启停次数及预期工作寿命确定使用系数fs。

(5)关节轴承设计。智能交互机器人的关节轴承要根据智能交互机器人的高度、重量和运动 特征来设计。本节设计的智能交互机器人体重达到80kg, 从而使得关节轴承的设计难度更 大。特别对于脚踝和膝盖等重要受力关节，更加对其受力和摩擦有着特殊要求。因此， 轴承设计需要考虑以下因素。

①选择合适的轴承类型。

②确定合适的轴承尺寸。

③配置的其他部件结构和设计。

④固定轴承方式。

⑤适当的公差配合和轴承的游隙或预紧。

⑥适当的密封系统。

⑦润滑剂类型和用量。

⑧安装和拆卸方式。 一般的轴多采用双支承结构，轴的径向位置由两个支承共同限 定，每个支承处应有起径向定位作用的向心或角接触轴承。轴向位置可以由两个支承各 限制一个方向的轴向位移，也可由一个支承限制不同的运转精度。因此，设计支承结构 时应根据轴的运动精度和工作条件，选择轴向定位的具体方案。

在同时承受径向载荷和轴向载荷的情况下，支承通常采用角接触轴承和圆锥滚子轴 承成对安装。两个轴承外圈宽端面相对安装(背对背安装),两个支承力作用点落在支承 跨距之外。这种排列方式支承跨距大，轴悬臂时刚性好，轴受热伸长时内、外圈呈脱开趋 势，因而轴不会卡死，故使用比较广泛。两个轴承外圈窄端面相对安装(面对面安装),两 个支承的力作用点落到支承跨距之内。这种排列方式结构简单，装拆和调试均较方便， 故使用也较广泛，主要用于短轴和温升不高的场合，但要注意一定要留有备用游隙。轴 向游隙也不宜过大，过大时会降低轴的运转精度。当轴向载荷较大，需多个轴承同时承 受时，常采用轴承外圈宽、窄端面相对安装的串联方式。各轴承力作用点均落在轴承的 同一侧，故称为同向排列或称为串联。采用此种排列方式时要注意结构上保证每个轴承 都能尽量均匀地承受载荷。本节设计的轴承充分考虑了上述因素，具有运动性能高，承 压能力强，可适用灵活性高，重量轻且强度高等条件，如图3.16所示。

(6)陀螺仪选型。惯性定位系统对于智能交互机器人实现未知环境下实时定位具有不可 替代的作用。陀螺仪是惯性定位系统中主要器件之一，它的性能好坏直接影响智能交互机器人的定位精度。陀螺仪种类繁多，例如，有液浮陀螺仪、静电陀螺仪、动力调谐陀螺仪、激 光陀螺仪和光纤陀螺仪等。光纤陀螺仪按原理又可以分为干涉型和谐振腔型；按结构可 以分为分立元件型、全光纤型和集成光学型；按测量方式可以分为开环型和闭环型等。 干涉型已经发展到了适用阶段，发展Z快的是全光纤型和集成光学型，集成型是发展方 向，谐振腔型目前正处在实验阶段。作为智能交互机器人的实验平台，器件精度和可靠性并 不要求苛刻，根据实际情况可以选择 Xsens 公司的MTI AHRS。

该陀螺仪是一个微型测 量姿态和航向系统(AHRS) 。 它的内部信号处理器功耗低，输出的航向角没有漂移，同 时提供经过校准的3D加速度、3D 角速度以及3D 磁场强度。其特点是360°全方位输出 (姿态和航向),长时间稳定性和快速动态响应相结合，输出三轴加速度、三轴角速度和三 轴地磁场强度，全固态微型MEMS 惯性器件。