智能交互機(jī)器人的主要部件選型參考方案:伺服電機(jī),減速機(jī)和減速齒輪,陀螺儀

智能交互機(jī)器人不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能需求是不一樣的。在設(shè)計(jì)智能交互機(jī)器人關(guān)節(jié)時(shí)，需要充分考慮不同的運(yùn)動(dòng)需求，設(shè)計(jì)出既滿足通用性又符合特殊性的關(guān)節(jié)。 一個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)際是 一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)置于不同的坐標(biāo)方向上，使得該關(guān)節(jié)具有在該坐標(biāo)方向上的轉(zhuǎn) 動(dòng)范圍。結(jié)合上面分析的范圍約束和速度約束，可以確定關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)所需要的部件及其參數(shù)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置可以由以下部件組成。

①直流伺服電機(jī)，它是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件，其他部件都是以直流電機(jī)參數(shù)為中心 進(jìn)行配置。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、扭矩、反饋信號(hào)頻率和額定電壓等參數(shù)是整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的決定性因素之一。

②減速機(jī)和減速齒輪，它們主要作用是直流電機(jī)與智能交互機(jī)器人運(yùn)動(dòng)約束條件之間的 橋梁。減速裝置可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，加大輸出扭矩。合理地設(shè)計(jì)減速比能讓不同 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求得到很好滿足。

③陀螺儀，主要用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及智能交互機(jī)器人運(yùn)動(dòng)加速度的反饋檢測(cè)。它能很好地 反映智能交互機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和智能交互機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)重心，這對(duì)于智能交互機(jī)器人步行 算法設(shè)計(jì)有著重要的作用。

(1)直流伺服電機(jī)選擇。智能交互機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)除具有一般電機(jī)的基本功能 外，由于其特殊性，還具有下列特點(diǎn)及要求[96。

①可控性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)的原件，可控性非常重要。

②準(zhǔn)確性，要準(zhǔn)確地使機(jī)械運(yùn)動(dòng)滿足需求，需要要求電機(jī)具有高精度。

③可靠性，電機(jī)的可靠性關(guān)系到整個(gè)智能交互機(jī)器人的可靠性。

④快速性，智能交互機(jī)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(jī)能做 出快速的響應(yīng)。

⑤經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)濟(jì)性是任何工程技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，控制電機(jī)也毫不例外，況且控制 電機(jī)在智能交互機(jī)器人中所占經(jīng)濟(jì)價(jià)值比例較大，控制電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要。

⑥環(huán)境適應(yīng)性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有良好的環(huán)境適應(yīng)性，往往比一般電機(jī)的環(huán)境要求高 許多。

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，由此發(fā)生的力經(jīng)過以減速器為核心的動(dòng)力傳遞 系統(tǒng)到達(dá)負(fù)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(dòng)效 率無法達(dá)到100%。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該將上述路線的順序倒過來，即以負(fù)載的大小和摩 擦系數(shù)及運(yùn)動(dòng)效率去推算電機(jī)的容量。施加于電機(jī)的負(fù)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(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器大致有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)。如 圖3.14所示為電機(jī)選擇的方法和步驟。從圖中可知，決定電機(jī)容量時(shí)，涉及負(fù)載估算、 驅(qū)動(dòng)對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定、傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算等內(nèi)容[96]。

(2)直流伺服電機(jī)選型。根據(jù)上面的分析，為本節(jié)設(shè)計(jì)的智能交互機(jī)器人選用了兩種 類型的直流伺服電機(jī)，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(jī) 轉(zhuǎn)速非常高，Z高可達(dá)到3000r/min(轉(zhuǎn)/分鐘);而其轉(zhuǎn)矩又很小，不能直接用于關(guān)節(jié)驅(qū) 動(dòng)裝置。

小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。智能交互機(jī)器人常用的傳動(dòng)和減速機(jī)構(gòu)包括 RV 減速機(jī)構(gòu)、諧波 減速機(jī)械、擺線針輪減速機(jī)構(gòu)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、同步齒 形帶機(jī)構(gòu)。相對(duì)于其他減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性、高精度、高傳動(dòng)效率、高扭矩/體 積比、終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因此，行星減速機(jī)多數(shù)安裝在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)上，用來降 低轉(zhuǎn)速和提升扭矩及匹配慣量。行星減速機(jī)主要由行星輪、太陽(yáng)輪、外齒圈構(gòu)成。它單 J減速Z小為3,Z大不超過10,減速機(jī)J數(shù)一般不超過3,但有部分大減速比定制的減 速機(jī)有4J減速，減速機(jī)額定輸入轉(zhuǎn)速Z高可達(dá)到18000r/m 以上，工作溫度在—25~ 100℃,通過改變潤(rùn)滑脂可以改變其工作溫度。本節(jié)設(shè)計(jì)的智能交互機(jī)器人使用的電機(jī)均是 伺服電機(jī)，而行星減速機(jī)能與伺服電機(jī) 一 起使用，它是降低轉(zhuǎn)速、提升扭矩、匹配慣量的 Z佳選擇 。

(4)精密行星減速機(jī)選型及其問題。選用精密行星減速機(jī)應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)類型、安裝 形式、承載能力、輸出轉(zhuǎn)速、工作條件等因素。減速機(jī)的承載能力是在額定轉(zhuǎn)速下，每天 工作10小時(shí)和啟動(dòng)數(shù)少于10time/h 及平穩(wěn)無沖擊的條件下得出的，所以應(yīng)按以下步驟 進(jìn)行選型[97]。

第 一 步，檢查所選配置：

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

(5)關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)。智能交互機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸承要根據(jù)智能交互機(jī)器人的高度、重量和運(yùn)動(dòng) 特征來設(shè)計(jì)。本節(jié)設(shè)計(jì)的智能交互機(jī)器人體重達(dá)到80kg, 從而使得關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)難度更 大。特別對(duì)于腳踝和膝蓋等重要受力關(guān)節(jié)，更加對(duì)其受力和摩擦有著特殊要求。因此， 軸承設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。

④固定軸承方式。

⑤適當(dāng)?shù)墓�差配合和軸承的游隙或預(yù)緊。

⑥適當(dāng)?shù)拿芊庀到y(tǒng)。

⑦潤(rùn)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(jié)構(gòu)，軸的徑向位置由兩個(gè)支承共同限 定，每個(gè)支承處應(yīng)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(gè)支承各 限制一個(gè)方向的軸向位移，也可由一個(gè)支承限制不同的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。因此，設(shè)計(jì)支承結(jié)構(gòu) 時(shí)應(yīng)根據(jù)軸的運(yùn)動(dòng)精度和工作條件，選擇軸向定位的具體方案。

在同時(shí)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(duì)安裝。兩個(gè)軸承外圈寬端面相對(duì)安裝(背對(duì)背安裝),兩個(gè)支承力作用點(diǎn)落在支承 跨距之外。這種排列方式支承跨距大，軸懸臂時(shí)剛性好，軸受熱伸長(zhǎng)時(shí)內(nèi)、外圈呈脫開趨 勢(shì)，因而軸不會(huì)卡死，故使用比較廣泛。兩個(gè)軸承外圈窄端面相對(duì)安裝(面對(duì)面安裝),兩 個(gè)支承的力作用點(diǎn)落到支承跨距之內(nèi)。這種排列方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(shí)會(huì)降低軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。當(dāng)軸向載荷較大，需多個(gè)軸承同時(shí)承 受時(shí)，常采用軸承外圈寬、窄端面相對(duì)安裝的串聯(lián)方式。各軸承力作用點(diǎn)均落在軸承的 同一側(cè)，故稱為同向排列或稱為串聯(lián)。采用此種排列方式時(shí)要注意結(jié)構(gòu)上保證每個(gè)軸承 都能盡量均勻地承受載荷。本節(jié)設(shè)計(jì)的軸承充分考慮了上述因素，具有運(yùn)動(dòng)性能高，承 壓能力強(qiáng)，可適用靈活性高，重量輕且強(qiáng)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(duì)于智能交互機(jī)器人實(shí)現(xiàn)未知環(huán)境下實(shí)時(shí)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(jī)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(dòng)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(jié)構(gòu)可 以分為分立元件型、全光纖型和集成光學(xué)型；按測(cè)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(xué)型，集成型是發(fā)展方 向，諧振腔型目前正處在實(shí)驗(yàn)階段。作為智能交互機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，器件精度和可靠性并 不要求苛刻，根據(jù)實(shí)際情況可以選擇 Xsens 公司的MTI AHRS。

該陀螺儀是一個(gè)微型測(cè) 量姿態(tài)和航向系統(tǒng)(AHRS) 。 它的內(nèi)部信號(hào)處理器功耗低，輸出的航向角沒有漂移，同 時(shí)提供經(jīng)過校準(zhǔn)的3D加速度、3D 角速度以及3D 磁場(chǎng)強(qiáng)度。其特點(diǎn)是360°全方位輸出 (姿態(tài)和航向),長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)相結(jié)合，輸出三軸加速度、三軸角速度和三 軸地磁場(chǎng)強(qiáng)度，全固態(tài)微型MEMS 慣性器件。