智能交互機器人的主要部件選型參考方案:伺服電機,減速機和減速齒輪,陀螺儀

智能交互機器人不同關節(jié)的運動性能需求是不一樣的。在設計智能交互機器人關節(jié)時，需要充分考慮不同的運動需求，設計出既滿足通用性又符合特殊性的關節(jié)。 一個關節(jié)實際是 一個轉動機構，轉動機構置于不同的坐標方向上，使得該關節(jié)具有在該坐標方向上的轉 動范圍。結合上面分析的范圍約束和速度約束，可以確定關節(jié)設計所需要的部件及其參數(shù)。轉動機構的設置可以由以下部件組成。

①直流伺服電機，它是轉動機構的核心部件，其他部件都是以直流電機參數(shù)為中心 進行配置。電機的轉動速度、扭矩、反饋信號頻率和額定電壓等參數(shù)是整個機器人控制系統(tǒng)的決定性因素之一。

②減速機和減速齒輪，它們主要作用是直流電機與智能交互機器人運動約束條件之間的 橋梁。減速裝置可以降低電機的轉動速度，加大輸出扭矩。合理地設計減速比能讓不同 關節(jié)的運動需求得到很好滿足。

③陀螺儀，主要用于轉動機構以及智能交互機器人運動加速度的反饋檢測。它能很好地 反映智能交互機器人轉動關節(jié)的運動狀態(tài)和智能交互機器人的運動重心，這對于智能交互機器人步行 算法設計有著重要的作用。

(1)直流伺服電機選擇。智能交互機器人驅動系統(tǒng)的電機除具有一般電機的基本功能 外，由于其特殊性，還具有下列特點及要求[96。

①可控性，驅動電機是將控制信號轉變?yōu)闄C械運動的原件，可控性非常重要。

②準確性，要準確地使機械運動滿足需求，需要要求電機具有高精度。

③可靠性，電機的可靠性關系到整個智能交互機器人的可靠性。

④快速性，智能交互機器人的控制指令經(jīng)常變化，有些變化非常迅速，所以要求電機能做 出快速的響應。

⑤經(jīng)濟性，經(jīng)濟性是任何工程技術的一個重要指標，控制電機也毫不例外，況且控制 電機在智能交互機器人中所占經(jīng)濟價值比例較大，控制電機的經(jīng)濟性顯得尤為重要。

⑥環(huán)境適應性，驅動電機要有良好的環(huán)境適應性，往往比一般電機的環(huán)境要求高 許多。

電機是將電能轉化為機械能的部件，由此發(fā)生的力經(jīng)過以減速器為核心的動力傳遞 系統(tǒng)到達負載端。在此過程中， 一部分力克服摩擦，以熱能的形式耗散出去，因此傳動效 率無法達到100%。在實際設計中，應該將上述路線的順序倒過來，即以負載的大小和摩 擦系數(shù)及運動效率去推算電機的容量。施加于電機的負載大致可以劃分成三種基本類 型：有效力、無效力、慣性力。智能交互機器人的驅動器大致有直流電機、步進電機、舵機。如 圖3.14所示為電機選擇的方法和步驟。從圖中可知，決定電機容量時，涉及負載估算、 驅動對象運動規(guī)律確定、傳動系統(tǒng)轉動慣量折算等內(nèi)容[96]。

(2)直流伺服電機選型。根據(jù)上面的分析，為本節(jié)設計的智能交互機器人選用了兩種 類型的直流伺服電機，分別是上海瑞克科技發(fā)展有限公司的50SYXB-01 和 5 0SYXB- 02,質(zhì)量大約為0.5～1.0kg, 規(guī)格如表3.3所示。從表中不難看出這種直流伺服電機 轉速非常高，Z高可達到3000r/min(轉/分鐘);而其轉矩又很小，不能直接用于關節(jié)驅 動裝置。

小、重量輕、效率高等優(yōu)點。智能交互機器人常用的傳動和減速機構包括 RV 減速機構、諧波 減速機械、擺線針輪減速機構、行星齒輪減速機構、滾珠絲杠機構、螺旋傳動機構、同步齒 形帶機構。相對于其他減速機，行星減速機具有高剛性、高精度、高傳動效率、高扭矩/體 積比、終身免維護等特點。因此，行星減速機多數(shù)安裝在步進電機和伺服電機上，用來降 低轉速和提升扭矩及匹配慣量。行星減速機主要由行星輪、太陽輪、外齒圈構成。它單 J減速Z小為3,Z大不超過10,減速機J數(shù)一般不超過3,但有部分大減速比定制的減 速機有4J減速，減速機額定輸入轉速Z高可達到18000r/m 以上，工作溫度在—25~ 100℃,通過改變潤滑脂可以改變其工作溫度。本節(jié)設計的智能交互機器人使用的電機均是 伺服電機，而行星減速機能與伺服電機 一 起使用，它是降低轉速、提升扭矩、匹配慣量的 Z佳選擇 。

(4)精密行星減速機選型及其問題。選用精密行星減速機應考慮其結構類型、安裝 形式、承載能力、輸出轉速、工作條件等因素。減速機的承載能力是在額定轉速下，每天 工作10小時和啟動數(shù)少于10time/h 及平穩(wěn)無沖擊的條件下得出的，所以應按以下步驟 進行選型[97]。

第 一 步，檢查所選配置：

①根據(jù)負載類型和每小時啟停次數(shù)及預期工作壽命確定使用系數(shù)fs。

(5)關節(jié)軸承設計。智能交互機器人的關節(jié)軸承要根據(jù)智能交互機器人的高度、重量和運動 特征來設計。本節(jié)設計的智能交互機器人體重達到80kg, 從而使得關節(jié)軸承的設計難度更 大。特別對于腳踝和膝蓋等重要受力關節(jié)，更加對其受力和摩擦有著特殊要求。因此， 軸承設計需要考慮以下因素。

①選擇合適的軸承類型。

②確定合適的軸承尺寸。

③配置的其他部件結構和設計。

④固定軸承方式。

⑤適當?shù)墓�差配合和軸承的游隙或預緊。

⑥適當?shù)拿芊庀到y(tǒng)。

⑦潤滑劑類型和用量。

⑧安裝和拆卸方式。 一般的軸多采用雙支承結構，軸的徑向位置由兩個支承共同限 定，每個支承處應有起徑向定位作用的向心或角接觸軸承。軸向位置可以由兩個支承各 限制一個方向的軸向位移，也可由一個支承限制不同的運轉精度。因此，設計支承結構 時應根據(jù)軸的運動精度和工作條件，選擇軸向定位的具體方案。

在同時承受徑向載荷和軸向載荷的情況下，支承通常采用角接觸軸承和圓錐滾子軸 承成對安裝。兩個軸承外圈寬端面相對安裝(背對背安裝),兩個支承力作用點落在支承 跨距之外。這種排列方式支承跨距大，軸懸臂時剛性好，軸受熱伸長時內(nèi)、外圈呈脫開趨 勢，因而軸不會卡死，故使用比較廣泛。兩個軸承外圈窄端面相對安裝(面對面安裝),兩 個支承的力作用點落到支承跨距之內(nèi)。這種排列方式結構簡單，裝拆和調(diào)試均較方便， 故使用也較廣泛，主要用于短軸和溫升不高的場合，但要注意一定要留有備用游隙。軸 向游隙也不宜過大，過大時會降低軸的運轉精度。當軸向載荷較大，需多個軸承同時承 受時，常采用軸承外圈寬、窄端面相對安裝的串聯(lián)方式。各軸承力作用點均落在軸承的 同一側，故稱為同向排列或稱為串聯(lián)。采用此種排列方式時要注意結構上保證每個軸承 都能盡量均勻地承受載荷。本節(jié)設計的軸承充分考慮了上述因素，具有運動性能高，承 壓能力強，可適用靈活性高，重量輕且強度高等條件，如圖3.16所示。

(6)陀螺儀選型。慣性定位系統(tǒng)對于智能交互機器人實現(xiàn)未知環(huán)境下實時定位具有不可 替代的作用。陀螺儀是慣性定位系統(tǒng)中主要器件之一，它的性能好壞直接影響智能交互機器人的定位精度。陀螺儀種類繁多，例如，有液浮陀螺儀、靜電陀螺儀、動力調(diào)諧陀螺儀、激 光陀螺儀和光纖陀螺儀等。光纖陀螺儀按原理又可以分為干涉型和諧振腔型；按結構可 以分為分立元件型、全光纖型和集成光學型；按測量方式可以分為開環(huán)型和閉環(huán)型等。 干涉型已經(jīng)發(fā)展到了適用階段，發(fā)展Z快的是全光纖型和集成光學型，集成型是發(fā)展方 向，諧振腔型目前正處在實驗階段。作為智能交互機器人的實驗平臺，器件精度和可靠性并 不要求苛刻，根據(jù)實際情況可以選擇 Xsens 公司的MTI AHRS。

該陀螺儀是一個微型測 量姿態(tài)和航向系統(tǒng)(AHRS) 。 它的內(nèi)部信號處理器功耗低，輸出的航向角沒有漂移，同 時提供經(jīng)過校準的3D加速度、3D 角速度以及3D 磁場強度。其特點是360°全方位輸出 (姿態(tài)和航向),長時間穩(wěn)定性和快速動態(tài)響應相結合，輸出三軸加速度、三軸角速度和三 軸地磁場強度，全固態(tài)微型MEMS 慣性器件。