智能交互機器人不同關節的運動性能需求是不一樣的。在設計智能交互機器人關節時，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。 一個關節實際是 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，可以確定關節設計所需要的部件及其參數。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是整個機器人控制系統的決定性因素之一。

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的運動狀態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為機械運動的原件，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經濟性，經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濟價值比例較大，控制電機的經濟性顯得尤為重要。

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

電機是將電能轉化為機械能的部件，由此發生的力經過以減速器為核心的動力傳遞 系統到達負載端。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、 驅動對象運動規律確定、傳動系統轉動慣量折算等內容[96]。

(2)直流伺服電機選型。根據上面的分析，為本節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展有限公司的50SYXB-01 和 5 0SYXB- 02,質量大約為0.5～1.0kg, 規格如表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，不能直接用于關節驅 動裝置。

小、重量輕、效率高等優點。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小時和啟動數少于10time/h 及平穩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根據負載類型和每小時啟停次數及預期工作壽命確定使用系數fs。

(5)關節軸承設計。智能交互機器人的關節軸承要根據智能交互機器人的高度、重量和運動 特征來設計。本節設計的智能交互機器人體重達到80kg, 從而使得關節軸承的設計難度更 大。特別對于腳踝和膝蓋等重要受力關節，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適當的公差配合和軸承的游隙或預緊。

⑥適當的密封系統。

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、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。這種排列方式結構簡單，裝拆和調試均較方便， 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。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。慣性定位系統對于智能交互機器人實現未知環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型和閉環型等。 干涉型已經發展到了適用階段，發展Z快的是全光纖型和集成光學型，集成型是發展方 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 量姿態和航向系統(AHRS) 。 它的內部信號處理器功耗低，輸出的航向角沒有漂移，同 時提供經過校準的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 (姿態和航向),長時間穩定性和快速動態響應相結合，輸出三軸加速度、三軸角速度和三 軸地磁場強度，全固態微型MEMS 慣性器件。