如何为专用机器人应用选择合适的机器人关节执行器？

为什么选择机器人关节正成为一项工程挑战？

机器人技术的发展正超越标准化的工业机器人手臂。人形机器人、协作机器人、移动机械臂、手术机器人、检测机器人、专用机器人手臂和智能自动化设备对机器人关节系统提出了日益多样化的要求。

对于传统的工业机器人，工程师可以选择相对标准化的伺服电机、精密齿轮箱、编码器和驱动器组合。然而，在开发新型或高度定制化的机器人平台时，这种方法就变得困难得多。

紧凑型机器人手腕可能需要极轻的重量和很小的安装空间。人形机器人腿部可能需要高扭矩密度、高刚度、快速动态响应和可靠的位置反馈。协作机器人可能需要扭矩传感和碰撞检测功能。手术机器人可能优先考虑精度、流畅的运动、紧凑的尺寸和低传动误差。

仅仅选择更大的电机或更高传动比的变速箱并不能总是解决这些要求。

真正的工程挑战在于确定哪种类型的机器人关节结构能够为整个机器人系统提供合适的扭矩、速度、精度、刚度、重量、反馈、安全性和集成性组合。

这时，集成式机器人关节驱动器就能提供切实可行的解决方案。

与其将电机、谐波减速器、编码器、驱动器、制动器和扭矩传感器视为完全独立的组件，不如将集成关节模块将关键功能组合成一个协调的单元，该单元可以根据机器人的要求进行设计。

从机器人问题入手，而不是从执行器规格入手。

机器人关节选择中最常见的错误之一是从产品规格入手。

工程师可能会首先问：

该执行器能提供多大的扭矩？

但仅凭扭矩并不能决定执行器是否合适。

更好的方法是从机器人需要解决的实际问题入手。

有效载荷是什么？

机器人链路有多长？

关节最大速度是多少？

关节加速和减速的频率如何？

所需的定位精度是多少？

有多少安装空间可用？

该关节能为机器人增加多少重量？

该关节是否需要支持外部力感应？

机器人需要绝对式编码器吗？

控制器使用的是 EtherCAT、CANopen 还是 CAN-FD？

垂直轴是否需要制动装置？

机器人是否需要内部布线？

该执行器能否在低温、多尘或其他严苛环境下运行？

这些问题描述的是实际的工程问题。

只有在了解了这些要求之后，才能选择合适的谐波执行器、电机配置、编码器架构、通信接口和机械结构。

问题 1 —机器人关节过重

对于多轴机器人而言，关节重量会造成一个问题，随着轴数的增加，这个问题会变得越来越严重。

更重的执行器不仅会增加机器人的总重量，还会增加前一个关节的负荷。

例如，手腕负重增加会提高肘关节的扭矩需求。肘关节扭矩的增加反过来又会增加肩关节的扭矩需求。

这会在机器人结构中产生连锁反应。

对于人形机器人和轻型机械臂来说，这个问题更加重要，因为每增加一公斤重量都会影响动态性能、能耗、有效载荷能力和控制响应。

解决方案：提高关节级扭矩密度

高扭矩密度机器人关节驱动器可以帮助工程师在不增加关节尺寸和重量的情况下实现所需的输出扭矩。

这也是谐波传动被广泛考虑用于紧凑型机器人关节的原因之一。

通过将高扭矩密度无框电机与紧凑型谐波减速器相结合，该执行器可以在相对较小的安装空间内产生相当大的输出扭矩。

对于每一克都至关重要的应用，集成关节架构还可以减少执行器周围所需的额外机械部件、安装结构、联轴器和外部传动部件。

HONPINE 根据扭矩、尺寸、重量和性能之间的所需平衡，提供不同的关节平台。

对于超紧凑型机器人关节，TCHL 平台专注于最大限度地减小关节尺寸和重量，同时保持强大的输出能力。

对于需要更宽扭矩范围和更高定制性的高性能应用，HPJM-PRO 提供了另一种配置。

从轻型到高负载机器人关节，HAG 提供了一个可扩展的平台。

目的并非推荐最大的执行器。

目的是找到能够可靠地满足机器人实际负载和动态要求的最小、最轻的关节。

问题 2 — 机器人需要高扭矩，但安装空间有限

专用机械臂面临的一个常见挑战是空间不足。

机械设计师可能有足够的空间容纳机器人连杆，但关节的直径或轴向长度却非常有限。

增大电机尺寸或许可以解决扭矩问题，但会带来另一个机械集成问题。

加装外部变速箱可能会增加整体长度。

添加外部编码器可能会使结构更加复杂。

外部电缆可能会干扰相邻接头。

解决方案：采用集成式谐波关节架构

紧凑型谐波驱动执行器可以将电机、减速器、编码器和驱动电子元件集成到一个关节级解决方案中。

这样一来，机械设计师就可以将关节视为一个功能模块，而不是独立设计每个组件。

空心轴结构可以提供另一个重要的优势。

与其在接头外部布线电缆和气动管路，不如利用接头内部空间进行电缆布线。

这对于多轴机械臂、人形机器人、手术机器人和紧凑型操作系统来说尤其有价值。

目标不仅仅是缩小执行器的尺寸。

目标是减少构建完整机器人关节所需的空间和机械复杂性。

问题3——需要高定位精度，但传输误差不可忽略

许多机器人应用需要的不仅仅是从 A 点移动到 B 点。

精密装配、点胶、研磨、焊接、半导体处理、光学设备和医疗机器人可能需要精确的轨迹跟踪和可重复的定位。

在这些应用中，传输特性变得至关重要。

反冲、扭转变形、编码器分辨率、结构刚度和控制响应都会影响机器人末端执行器的最终位置。

解决方案：将精密谐波传输与高分辨率反馈相结合

精密谐波齿轮电机可在紧凑的结构内提供高减速比和低背隙。

然而，reducer 本身只是解决方案的一部分。

反馈机制也很重要。

对于高精度机器人关节，绝对编码器可以直接向控制系统提供位置信息。

在要求更高的应用中，可以将电机侧编码器和输出侧编码器结合起来，以提供有关传动行为和实际关节输出的附加信息。

这样就形成了一个更完善的闭环控制架构。

因此，对于需要高重复性的应用，目标应该是评估整个传输和反馈链，而不是单独考虑减速器间隙或编码器分辨率。

问题 4 — 机器人需要与环境交互

单靠位置控制不足以满足所有机器人的需求。

想象一下机器人正在抛光一个表面。

机器人需要在沿特定轨迹运动时保持特定的接触力。

考虑一下协作机器人。

机器人需要识别意外的外部作用力并做出适当的反应。

设想一下一个人形机器人。

它的关节可能需要对与地面、物体或人的接触做出动态反应。

在这些应用中，机器人需要的信息不仅仅是位置和速度。

它需要理解力和扭矩。

解决方案：增加输出侧扭矩传感

集成扭矩传感器可以将传统的运动执行器转变为功能更强大的力控制接口。

当扭矩传感器在关节结构中位置合适时，控制器可以接收到有关作用于输出端的扭矩的信息。

这些信息可用于支持：

• 力-位置控制

• 碰撞检测

• 顺应性运动

• 接触检测

• 变装教学

• 精密装配

• 抛光和研磨

• 人机交互

HONPINE 的 TCHL 和 HAG 平台可以配置扭矩传感功能，适用于力反馈是机器人功能要求的应用。

关键在于，扭矩传感应该在机器人架构设计的初期就加以考虑，而不是事后添加。

机械集成、传感器位置、布线、采样率、控制带宽和控制器兼容性都会影响最终的力控制性能。

问题 5 — 机器人需要快速动态响应

人形机器人和高动态机械臂对关节驱动器的要求与传统的低速自动化机构不同。

频繁的加速和减速会产生很高的瞬时负荷。

执行器必须能够快速响应，同时应对不断变化的惯性和瞬态扭矩。

这意味着仅凭额定扭矩不足以选择执行器。

工程师还需要考虑峰值扭矩、允许负载扭矩、转子惯量、热容量、传动刚度、电机特性和控制带宽。

解决方案：使节点与动态载荷曲线相匹配

选择合适的机器人关节电机时，应根据实际运动曲线而不是仅仅根据最大静态负载来选择。

例如，持续承受高负荷的关节可能需要与短时高加速度运行的关节不同的配置。

因此，合适的执行器需要平衡以下几点：

持续扭矩+峰值扭矩+速度+惯性+热性能+传动刚度。

HONPINE 的不同谐波关节平台提供不同的性能范围，以便工程师可以根据每个关节的动态特性选择执行器。

这种方法对于人形机器人、高速机械臂以及其他需要频繁加速和减速的系统尤为重要。

问题 6——机器人需要兼具紧凑性和高刚度

减小执行器尺寸有时会带来结构上的挑战。

机器人关节不仅要产生扭矩，还要能够抵抗外部载荷引起的变形。

如果关节刚度不足，即使编码器本身具有非常高的分辨率，机器人也可能出现末端执行器定位误差。

这对于长臂机器人、重型载荷应用、精密加工、焊接和力控操作来说尤为重要。

解决方案：同时评估扭矩密度和机械刚度

因此，应根据扭矩密度和机械刚度来评估高性能谐波接头模块。

减速器、轴承、壳体、输出结构和安装接口共同决定了最终的连接刚度。

对于要求苛刻的机器人应用，工程师应考虑从电机到谐波传动装置再到机器人连杆的完整负载路径。

HONPINE 的不同关节平台涵盖不同的负载水平和结构要求，使工程师能够选择合适的配置，而不是在整个机器人中使用相同的关节架构。

问题 7 — 不同的机器人关节有着完全不同的要求

一个常见的误解是，一台机器人的每个关节都应该使用相同的执行器规格。

实际上，肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节和其他关节的要求可能完全不同。

例如，人形机器人的肩膀可能需要高扭矩和相对较大的操作范围，而手腕则可能优先考虑紧凑性和低惯性。

同样，工业机器人手臂的基轴可能需要较高的负载能力，而其末端关节可能需要较小的执行器。

解决方案：构建关节级执行器架构

工程师们不必为整个机器人选择一个执行器，而是将机器人划分为不同的关节类别。

典型的设计流程可能考虑以下因素：

高负荷接头

需要高连续扭矩、高峰值扭矩、高刚度和坚固的机械结构。

中等载荷节点

需要在扭矩、速度、重量和安装尺寸之间取得平衡。

轻型腕关节和末端关节

优先考虑重量轻、尺寸小、惯性小、响应速度快。

力控关节

需要输出扭矩传感和适当的反馈架构。

垂直接缝

为了安全起见，可能需要集成式制动装置。

这种方法可以让机器人制造商根据每个关节的实际功能对其进行优化。

问题 8 — 外部驱动器和多个组件增加了集成复杂性

传统的机器人关节可能由伺服电机、齿轮箱、编码器、外部伺服驱动器、制动器、电缆、连接器和其他机械接口组成。

每个组件都必须单独选择和集成。

这会导致更多的机械接口、更多的线路、更多的潜在故障点和更多的工程工作。

对于正在开发新平台的机器人制造商而言，这可能会显著增加开发时间。

解决方案：使用集成式机器人关节电机

集成式机器人关节电机将多个核心功能集成到一个模块中。

根据配置的不同，该接头可以集成：

• 无框力矩电机

• 谐波减频器

• 绝对编码器

• 驱动电子设备

• 制动

• 扭矩传感器

• 通信接口

• 内部连接器

这种方法使得工程师可以将执行器视为标准化的功能模块。

这样做的好处不仅仅是节省安装空间。

它还可以简化机械设计、电气布线、软件集成、测试和维护。

对于开发新型机器人平台的公司而言，这有助于缩短从原型到生产的过渡时间。

问题 9 — 机器人控制器使用不同的通信架构

不同的机器人制造商可能会使用不同的控制架构。

有些系统使用 EtherCAT 进行高速实时运动控制。

其他人可能会使用 CANopen 或 CAN-FD 进行分布式执行器控制。

某些应用可能需要额外的数字或模拟接口。

如果执行器与控制器架构不匹配，工程师可能需要开发额外的通信硬件或软件。

解决方案：选择与联合体一起的通信接口

因此，在选择执行器时，应将沟通因素考虑在内。

HONPINE 的不同联合平台支持多种通信选项，包括 EtherCAT、CANopen 和 CAN-FD，具体取决于型号和配置。

这样一来，执行器架构就可以与机器人的整体控制系统相匹配，而不是迫使机器人制造商围绕执行器重新设计控制器。

对于 OEM 机器人开发商而言，这种兼容性在从原型系统过渡到生产系统的过程中尤为重要。

问题 10 — 特殊机器人并非总能使用标准执行器

这或许是新兴机器人公司面临的最重要挑战之一。

标准的执行器可能扭矩正确，但直径不对。

它的尺寸可能合适，但峰值扭矩不足。

它在机械上可能契合，但缺乏必要的通信协议。

它可能满足扭矩要求，但会增加过多的重量。

它可以提供位置反馈，但不能提供应用所需的扭矩传感。

这就是为什么专用机器人系统通常需要定制的关节驱动器的原因。

解决方案：使执行器与机器人匹配，而不是使机器人与执行器匹配。

对于专用机械臂，应将执行器与机械结构和控制架构一起进行评估。

潜在的定制需求可能包括：

机械结构：外径、轴向长度、空心轴、安装接口和连接器位置。

性能：额定扭矩、峰值扭矩、转速、减速比和刚度。

反馈：编码器分辨率、电机侧/输出侧编码器配置和扭矩传感。

控制：EtherCAT、CANopen、CAN-FD 和其他通信要求。

安全功能：具备保持制动、STO 等保护功能。

环境：工作温度、防护要求和特定应用环境条件。

这时，拥有产品平台和工程定制能力的联合模块供应商，比只提供标准变速箱的供应商能提供更大的价值。

如何为不同的机器人应用选择合适的谐波关节模块？

与其问哪个产品“最好”，工程师们不如先确定他们需要解决什么问题。

适用于超紧凑型机械臂和轻型关节

当主要挑战是空间有限和关节重量过大时，应优先考虑紧凑的尺寸、低质量、低惯性和足够的扭矩密度。

对于这些应用，可以考虑采用高度集成且紧凑的联合架构，例如 HONPINE 的TCHL 平台。

典型应用包括紧凑型协作机器人、桌面机械臂、机械腕、医疗机构和精密自动化。

适用于高性能机械臂

当机器人需要更高的扭矩、更高的精度、更广泛的配置选项和更强的动态性能时，需要根据完整的负载和运动曲线来选择关节。

当应用需要高扭矩密度、精确谐波传输、绝对编码器反馈、工业通信和定制时，可以考虑使用HPJM-PRO 平台。

适用于人形机器人和工业机器人平台

人形机器人和工业机器人通常需要更广泛的关节性能。

不同的关节可能需要截然不同的扭矩水平、速度、刚度、反馈系统和安全功能。

HAG 平台提供可扩展的关节架构，涵盖广泛的扭矩范围，并提供绝对编码器、扭矩传感器和制动器等选项。

主要优势不仅仅是最大扭矩。

它能够构建一个关节级执行器平台，该平台可以适应同一机器人内的不同位置。

实用的机器人关节选择过程

对于机器人制造商而言，遵循结构化的流程可以简化执行器选择。

步骤 1 — 定义机械载荷

确定有效载荷、连杆长度、重力载荷、外力、惯性以及最大允许关节扭矩。

不要只计算额定工作扭矩，还要考虑加速、减速、紧急停止和潜在的冲击载荷。

步骤 2 — 定义运动轮廓

确定所需的速度、加速度、减速度、占空比、工作频率以及连续负载与间歇负载。

这有助于确定关节是应该针对连续扭矩、峰值扭矩还是高速动态响应进行优化。

步骤 3 — 定义物理约束

确定最大接头直径、轴向长度、总允许重量、空心轴要求、安装方法和内部电缆布线要求。

对于紧凑型机器人，应在选择执行器之前定义这些约束条件。

步骤 4 — 定义准确性和反馈要求

确定定位精度、重复性、编码器分辨率，以及是否需要电机侧和输出侧反馈。

如果应用需要力控制，请确定是否需要集成输出扭矩传感器。

步骤 5 — 定义控制架构

确认通信协议、控制器兼容性、电压、反馈接口、控制模式和所需的安全功能。

这样可以防止机械选择在以后造成电气集成问题。

步骤 6 — 选择合适的联合平台

只有在确定了前面的要求之后，才能选择合适的执行器平台。

这样一来，不同的 HONPINE 平台就可以根据不同的需求进行匹配，而不是将一个标准执行器应用于每个应用。

为什么基于应用的方法比基于产品的方法更好？

对于机器人制造商而言，最有价值的执行器供应商不一定是产品目录最大的供应商。

更重要的问题是供应商能否理解执行器和机器人之间的关系。

关节驱动器会影响：

机器人重量→关节扭矩→结构设计→能耗→动态响应→控制性能→有效载荷→整体机器人架构。

因此，选择机器人关节是一个系统级的工程决策。

HONPINE 的方法是为不同的应用需求提供不同的谐波关节平台，同时在标准配置无法满足机器人设计要求时支持定制。

这样一来，客户就可以从实际应用问题入手，反向推导出合适的联合架构。

一个工程合作伙伴满足不同的机器人关节需求

新型机器人平台可能需要几种不同类型的关节。

肩部可能需要较大的扭矩。

肘关节可能需要在扭矩和重量之间取得平衡。

手腕可能需要超紧凑的设计。

力控关节可能需要集成扭矩传感器。

垂直接头可能需要制动器。

另一个接头可能需要特定的空心轴尺寸或通信接口。

与其将这些项目视为完全独立的项目，不如采用通用的执行器平台和工程合作伙伴，这样可以简化开发过程。

HONPINE 的 HPJM-PRO、TCHL 和 HAG 平台为这些要求提供了不同的起点，而定制化则允许关节架构适应特定的机器人。

目标并非让每个机器人都使用相同的执行器。

目标是帮助每个机器人找到符合自身机械和控制要求的执行器配置。

从机器人概念到生产：构建合适的关节架构

对于开发新产品的机器人公司而言，执行器的选择会对整个机器人产生长期影响。

在机械结构、控制器、软件和线路都已开发完成后再更改接头可能会既昂贵又耗时。

因此，在架构设计的早期阶段就应该考虑执行器。

合适的谐波机器人关节执行器可以在一个集成平台上提供机器人所需的机械传动、电机、反馈、控制接口和可选传感功能。

对于开发人形机器人、协作机器人、工业机器人手臂、专用机器人手臂、医疗机器人、移动机械臂和先进自动化设备的公司而言，这可以降低从关节层面向上开发机器人的复杂性。

为您的应用找到合适的谐波机器人关节解决方案

没有一种通用的机器人关节驱动器能够完美适用于所有机器人系统。

正确的解决方案取决于负载、速度、精度、重量、刚度、安装空间、反馈、力控制、通信、安全性和环境要求之间的关系。

轻型机器人手腕可能需要与人形机器人膝盖完全不同的驱动器。

精密医疗机器人可能需要与重型工业机械臂不同的反馈。

协作机器人可能优先考虑扭矩感知，而工业机器人可能优先考虑刚度和连续扭矩。

这就是为什么 HONPINE 提供多个谐波关节执行器平台，而不是单一的标准化配置。

HPJM-PRO、TCHL 和 HAG 为不同的机器人架构提供不同的技术基础，而定制化则有助于使执行器适应特定应用的机械和控制要求。

如果您正在开发人形机器人、协作机器人、工业机械臂、专用机械臂、医疗机器人、AGV/AMR 机械臂或精密自动化系统，那么最佳的起点不一定是产品目录。

首先要明确工程问题。

明确所需的扭矩、速度、重量、尺寸、精度、刚度、反馈、通信和安全要求。

然后选择满足这些要求的联合架构。

HONPINE 帮助机器人工程师从“我们应该购买哪种执行器？”转变为“我们的机器人实际需要什么样的关节解决方案？”