适用于轻量化和专用机器人的10项机器人关节模块挑战与解决方案

机器人技术的发展正超越传统的工业机器人架构。人形机器人、协作机器人、轻型机械臂、医疗机器人、移动机械臂和专用机器人系统对机器人关节提出了越来越高的要求。

在这些应用中，选择机器人关节模块并非仅仅比较额定扭矩或减速比。工程师必须考虑关节将如何影响整个机器人，包括整体重量、机械结构、动态响应、电缆布线、传感、控制、安全性和安装空间。

轻型机器人的腕关节可能需要极低的质量和惯性，而肩关节则可能需要高扭矩和高刚度。力控机器人可能需要集成扭矩传感功能，而垂直关节可能需要制动器。特殊用途的机械臂可能具有独特的机械结构，需要灵活的安装方式和内部电缆布线。

这些要求使得传统的电机和减速器组合难以集成。

因此，真正的挑战并非仅仅在于找到一款规格合适的电机或谐波减速器，而在于找到一种能够满足整个机器人系统在机械、传感、控制和集成等方面要求的机器人关节架构。

本文探讨了 10 个常见的机器人关节模块挑战，以及可以帮助开发人员构建更轻、更紧凑、更精确、更适用于特定应用的机器人的工程解决方案。

1. 如何在不牺牲扭矩的情况下减轻机器人关节的重量？

重量是轻型机器人设计中最重要的因素之一。对于人形机器人、协作机器人、轻型机械臂和移动机械臂来说，尤其如此。

关节重量的影响远不止于关节本身。当手腕重量增加时，肘关节必须产生更大的扭矩才能移动它。肘关节负荷的增加反过来又会影响肩关节。因此，关节重量的微小增加都可能导致机器人上游关节所需扭矩的显著增加。

因此，应该在系统层面考虑关节重量，而不是仅仅将其作为单个组件的规格。

同时，减轻重量不能以牺牲扭矩、刚度、精度或可靠性为代价。仅仅选择更小的电机虽然可以减轻重量，但也可能降低机器人的负载能力和动态性能。

解决方案：提高关节整合度和扭矩密度

传统的机器人关节可能需要电机、谐波减速器、编码器、驱动器、制动器、传感器、连接器和支撑机械结构。如果这些组件是独立设计的，那么额外的外壳、支架、联轴器和接口都会增加重量和安装空间。

集成式机器人关节模块采用了一种不同的方法，将关键功能整合到一个优化的组件中。这可以减少不必要的机械接口，同时提高关节的有效扭矩密度。

对于轻型机器人系统而言，这种方法比简单地减小单个组件的尺寸更有效。

TCHL谐波关节模块专为对重量轻、尺寸紧凑有要求的应用而设计。其集成架构将谐波传动、电机、反馈和其他功能元件整合在一个紧凑的关节结构中，有助于工程师减轻机器人其他部分的机械负担。

2. 如何在有限的关节空间内整合更多功能？

现代机器人关节需要在极小的空间内执行多种功能。除了产生运动之外，关节可能还需要位置反馈、扭矩传感、驱动电子元件、通信接口、制动和电气连接。

在人形机器人手腕、紧凑型机械臂、灵巧型机器人系统、医疗机器人和其他专用机器中，这尤其具有挑战性。可用的安装空间可能已被结构部件、轴承、电缆、传感器或其他机械装置占据。

将每个功能作为独立组件添加，会增加接头的直径或轴向长度。此外，还会产生更多需要设计和测试的机械和电气接口。

解决方案：将关节视为一个完整的功能子系统

工程师们不必分别设计电机、减速器、编码器、驱动器和传感系统，而是可以将整个关节视为一个功能子系统。

这使得在机械和电气设计过程中可以同时考虑多种功能。目标并非仅仅是缩小每个组件的尺寸，而是在保持机器人所需性能的前提下，减小整个关节的总体积。

这种方法还可以降低开发复杂性。机器人制造商可以将更多的工程资源集中在自身具有竞争力的技术上，例如机器人机械结构、运动规划、感知、人工智能、末端执行器和应用软件。

对于开发新型机器人平台的公司而言，集成关节可以成为一种工程捷径，而不会在功能上造成妥协。

3. 如何在紧凑型机器人中实现内部电缆布线？

随着机器人系统变得越来越小、关节越来越灵活，电缆管理变得越来越困难。

多轴机器人可能需要电源线、编码器线路、通信线路、传感器连接线和气动管道。如果这些线缆走线在外部，可能会干扰关节运动，增加机械结构的尺寸，并带来额外的维护需求。

对于人形机器人和专用机械臂来说，这个问题变得更加重要，因为这些机器人的关节可能需要在保持简洁紧凑的机械结构的同时，进行大范围的旋转。

解决方案：采用空心轴连接结构

空心轴机器人关节内部空间可用于容纳电缆、管道和其他功能连接。工程师无需将这些组件布置在关节外部，而是可以将它们集成到机械结构中。

这可以简化周围的机器人结构，减少电缆外露。它还可以帮助工程师在相邻关节之间创建更简洁的布线路径。

因此，对于紧凑型机器人手腕、医疗机械臂、轻型机器人手臂和专用自动化设备而言，空心轴结构在选择关节模块时可能是一个重要的设计考虑因素。

关键问题不仅在于执行器能否产生所需的扭矩。工程师还应该考虑，能否在不增加线缆管理问题的情况下，将关节物理集成到机器人中。

4. 机器人如何获得精确的扭矩反馈？

对于许多传统的运动控制应用而言，位置反馈已经足够。然而，机器人越来越需要与周围环境进行物理交互。

执行精密插入的机器人需要检测接触情况。抛光机器人需要控制接触力。协作机器人可能需要检测意外的外部载荷。灵巧机器人可能需要调节施加在物体上的力。

在这些应用中，仅仅知道关节位置是不够的。控制系统还需要关节处产生的扭矩信息。

解决方案：将扭矩传感集成到关节中

集成扭矩传感器可以提供有关关节实际负载情况的信息，并支持闭环力和位置控制。

这对于力控装配、碰撞检测、接触检测、柔顺性控制、研磨、抛光和人机交互等应用都非常有用。

然而，将扭矩传感器作为独立的外部元件添加进来，会带来新的设计挑战。传感器本身需要占用空间，增加重量，并引入额外的机械和电气接口。

这时，集成解决方案的价值就显得尤为突出。

TCHL谐波关节模块将输出侧力/力矩传感功能集成到关节结构中。对于既需要轻量化又需要力反馈的紧凑型机器人而言，这可以省去在关节周围添加单独的大型传感组件的麻烦。

其结果不仅仅是增强了传感能力，更是一种实现力感知机器人运动的更紧凑的途径。

5. 如何在不显著增加接头尺寸的情况下添加扭矩传感功能？

扭矩传感可以改善机器人交互，但也可能在传感能力和机械紧凑性之间引入难以权衡的因素。

独立的扭矩传感器可能需要在减速器和机器人输出结构之间预留额外的安装空间。它还会增加关节的重量，并引入额外的连接器和线路。

对于大型工业机器人而言，这些因素或许可以控制。但对于轻型腕部、人形手或紧凑型机械臂而言，它们的影响则要大得多。

解决方案：结合传动比和扭矩测量

将扭矩传感集成到关节结构中，使得传感功能成为执行器的一部分，而不是另一个外部组件。

当机器人需要兼具轻量化、紧凑尺寸和力反馈功能时，这一点尤其有用。

TCHL谐波关节模块便是这种方法的例证。它将谐波传动与集成扭矩传感相结合，使工程师能够将驱动、传动和力反馈作为一个整体关节级解决方案来考虑。

对于轻型人形机器人、协作机器人、医疗机械臂和专用机械臂而言，这一点尤其有价值，因为添加另一个组件可能会破坏原有的机械设计。

6. 机器人的每个关节都应该使用相同的执行器吗？

在整个机器人中使用相同的执行器配置可以简化采购和机械开发。然而，这并不一定能造就性能最佳的机器人。

不同的关节执行不同的功能。

肩关节可能需要高扭矩和高刚度。肘关节可能需要在扭矩和动态响应之间取得平衡。腕关节可能优先考虑轻量化和低惯性。垂直关节可能需要制动装置，而力敏关节可能需要集成扭矩反馈。

因此，试图为每个关节使用同一个致动器可能会造成不必要的妥协。

解决方案：使关节结构与关节功能相匹配

更好的方法是根据关节的实际运行要求对其进行分类。

高负载关节应优先考虑扭矩容量、刚度、热性能和可靠性。轻量化关节应优先考虑质量、惯性、紧凑性和动态响应。精密关节需要精确的传动和高质量的反馈。力控关节需要可靠的扭矩测量和控制集成。安全关键型垂直关节可能需要制动和额外的保护功能。

这就是为什么机器人制造商可能需要在同一个机器人平台上使用多种类型的关节模块的原因。

HONPINE 的 HPJM-PRO、TCHL 和 HAG 平台可以根据扭矩、尺寸、重量、反馈、控制和安全要求的不同组合进行评估，而不是将一个关节视为通用解决方案。

7. 特殊用途机械臂如何适应非标准安装要求？

并非所有机器人系统都遵循传统六轴工业机器人的机械结构。

专用机械臂、医疗机械臂、科研平台、人形机器人和定制自动化设备的机械结构可能千差万别。执行器可能需要从特定方向安装，或者集成到形状特殊的关节中。

传统执行器只有一种安装方式，这可能会迫使工程师增加支架或重新设计周围结构。这可能会增加重量、降低刚度、占用宝贵的安装空间，并使装配复杂化。

解决方案：选择具有柔性机械接口的连接件

机器人关节应该适应机器人结构，而不是强迫机器人适应执行器。

多种安装方式可以为机械设计提供更大的自由度。这在机器人安装空间有限或关节结构非常规的情况下尤为有用。

TCHL谐波关节模块支持多种连接配置，使工程师能够将执行器作为完整机械结构的一部分进行评估。对于专用机器人而言，这种灵活性与扭矩和精度同等重要，因为它能够减少关节周围所需的额外机械结构。

8. 机器人制造商如何降低关节集成复杂性？

由各个部件组装而成的机器人关节需要大量的工程工作。

电机需要与谐波减速器匹配。编码器需要集成到控制系统中。驱动器需要与机器人控制器通信。电缆和连接器需要穿过机械结构进行布线。制动器和传感器可能还需要单独的控制和电源接口。

每增加一个组件，就会创建一个新的接口。

每个接口都需要进行测试。

对于开发新型机器人平台的公司而言，在实际机器人应用得到验证之前，这可能会消耗大量的工程资源。

解决方案：使用集成式机器人关节模块

集成式关节模块将多种功能整合到一个标准化的子系统中。

这可以简化机械集成、电气布线、通信、调试、维护和系统验证。

更重要的是，它使机器人制造商能够专注于自己的专业领域。

人形机器人开发商可以专注于人工智能、感知、运动规划和灵巧操作。工业自动化公司可以专注于生产流程和机器架构。医疗机器人公司可以专注于精准运动和临床需求。

关节模块不再是机器人制造商需要从头开始开发的另一个子系统，而成为一项使能技术。

9. 机器人关节如何与不同的控制架构协同工作？

机器人关节并非独立部件，而是机器人完整运动控制系统的一部分。

通信协议、编码器反馈、控制模式、数字接口和安全功能都需要与机器人控制器协同工作。

根据应用场景的不同，机器人可以使用 CAN、CANopen、EtherCAT、CAN-FD 或其他通信架构。最佳选择取决于控制系统、同步要求和机器人整体架构。

解决方案：联合评估控制系统

在选择联合模块之前，工程师应确定所需的控制架构。

重要的考虑因素包括通信协议、编码器反馈、位置和速度控制、扭矩控制、同步、数字 I/O、安全功能和控制器兼容性。

采用合适的通信和反馈架构的集成机器人关节可以减少接口开发并简化多轴同步。

对于机器人制造商而言，当数十个关节需要与中央控制器可靠通信时，这一点尤为重要。

目标不应该是选择通信选项最多的关节，而应该是选择能够提供实际机器人所需接口和控制能力的关节。

10. 当标准电机和减速器无法满足全部要求时，工程师应该怎么办？

许多机器人开发项目最终都会遇到这样的情况：单个组件看起来合适，但组合在一起却无法正常工作。

电机或许能提供足够的扭矩，但占用空间过大。谐波减速器或许能提供所需的精度，但需要额外的组件才能构成完整的关节。独立的扭矩传感器或许能提供所需的反馈，但会使关节过重。执行器或许能满足机械安装要求，但缺乏机器人控制器所需的通信架构。

在这种情况下，问题不一定出在单个组件的性能上。

问题在于完整的执行器架构与机器人不匹配。

解决方案：从应用程序入手，而不是从产品目录入手

在选择机器人关节模块之前，工程师应该明确关节实际需要完成的任务。

扭矩和速度决定了基本的驱动要求，而重量和安装尺寸决定了关节是否能物理适配机器人。精度和刚度影响运动性能，而编码器和扭矩反馈则决定了控制器可以获取哪些信息。

通信架构决定了关节如何与机器人控制器集成。安装配置和空心轴设计会影响机械集成和电缆布线。制动和安全功能对于垂直或协作应用尤为重要。

还应考虑环境条件，特别是对于在严苛的工业环境或特殊应用中运行的机器人而言。

一旦确定了这些要求，就可以根据完整的应用情况而不是单一规格（例如额定扭矩）来选择接头。

实用的机器人关节模块选择过程

理想情况下，机器人关节模块的选择应该在机械架构的早期阶段就开始。

首先，计算实际关节载荷。仅考虑静态有效载荷是不够的。加速度、减速度、机器人姿态、惯性、外力、紧急停止以及潜在的冲击载荷都会影响所需的持续扭矩和峰值扭矩。

接下来，确定可用的安装空间。在比较不同的执行器方案之前，应明确最大直径、轴向长度、接头重量、空心轴要求和安装配置等参数。

接下来需要确定反馈需求。传统的定位轴可能只需要高分辨率的位置反馈，而执行物理交互的机器人可能需要集成扭矩传感。

控制架构也应尽早考虑。通信协议、控制器兼容性、编码器反馈、控制模式和安全功能都会直接影响关节的适用性。

最后，从系统层面评估所选关节。即使某个关节在规格表中看起来非常出色，但如果它会增加机器人的整体重量、使电缆布线复杂化、减少可用空间或需要进行重大的机械重新设计，则该关节可能仍然不适用。

哪些机器人应用最能受益于集成关节解决方案？

当同时存在多个工程限制时，集成式机器人关节模块就显得尤为重要。

人形机器人

人形机器人需要兼顾轻量化、高扭矩密度、紧凑尺寸、动态响应、精确反馈以及日益复杂的物理交互等诸多特性。不同的关节对性能的要求也各不相同，因此，在机器人架构开发过程中，灵活的关节平台至关重要。

轻型协作机器人

协作机器人需要在有效载荷、重量、安全性、精度和动态响应之间取得平衡。集成关节可以降低机械和电气结构的复杂性，同时提供控制系统所需的反馈和通信功能。

特种用途机械臂

专用机械臂的机械结构通常与传统工业机器人有显著差异。它们可能需要特殊的安装方式、内部电缆布线、集成扭矩传感、紧凑的尺寸或定制接口。

对于这些系统而言，机械灵活性和系统集成可能比简单地选择扭矩最大的执行器更重要。

医疗和精密机器人

医疗机器人和精密自动化设备通常需要紧凑的尺寸、平稳的运动、精确的反馈和高机械精度。在这些应用中，关节必须被视为完整精密运动系统的一部分，而不是孤立的电机-减速器组合。

工业自动化和专用设备

机器人关节技术的应用范围不仅限于传统机械臂。半导体设备、光学设备、自动化检测系统、精密定位机构以及其他专用机械可能需要结构紧凑、精度高、运动可控且集成灵活的旋转驱动装置。

HONPINE如何解决机器人关节问题？

不同的机器人系统需要不同的性能组合。

轻型腕关节未必需要与重型肩关节相同的驱动器。力控关节未必需要与传统定位轴相同的配置。垂直关节可能需要制动器，而紧凑型机器人则可能优先考虑轻量化和内部电缆布线。

因此，HONPINE 从应用角度出发选择机器人关节，而不是简单地推荐一个标准执行器。

当项目特别注重轻量化结构、紧凑集成、灵活安装、内部电缆布线和集成扭矩传感时，TCHL 谐波接头模块尤其适用。

对于需要更宽扭矩范围、高动态性能和高度集成配置的应用，HPJM-PRO 提供了另一个平台，用于评估谐波传输、电机、编码器、驱动器和可选安全功能所需的组合。

对于需要扭矩、刚度、反馈、制动和通信等不同组合的工业机器人、协作机器人、人形机器人和精密自动化设备，HAG 系列提供了另一种针对特定应用的关节选择方案。

目的并非选择规格最高的产品。

目的是找到最适合该机器人的关节结构。

从机器人关节组件到完整的工程解决方案

机器人关节技术正在超越传统的电机和减速器的组合。

现代机器人系统越来越要求关节在紧凑的机械结构内集成驱动、传输、反馈、传感、控制、通信、电缆管理和安全功能。

这一趋势对于人形机器人、轻型机械臂、协作机器人、医疗机器人、专用机械臂和紧凑型自动化系统尤为重要。

对于这些应用，工程师不应只问：

“哪个机器人关节的扭矩最大？”

更好的问题是：

“哪种机器人关节架构能够满足我们机器人的机械、传感、控制和集成要求？”

这种视角上的转变可以提高关节选择的有效性。它使工程师能够将执行器作为整个机器人系统的一部分进行评估，从而降低在开发过程后期进行昂贵的机械重新设计的风险。

正在寻找适合您应用的机器人关节模块？

每个机器人系统都有不同的工程要求。

合适的接头取决于扭矩、速度、重量、尺寸、刚度、精度、传感、通信、安装、安全性和运行环境之间的关系。

HONPINE 提供多种谐波机器人关节平台，并可在选择合适的解决方案时综合评估这些要求。

对于需要集成扭矩传感、灵活安装和内部电缆布线的轻巧紧凑型机器人系统，TCHL 可以被视为一种紧凑型谐波关节解决方案。

对于需要更高性能和更广泛扭矩覆盖范围的应用，HPJM-PRO 提供了另一个集成机器人关节平台。

对于具有不同扭矩、刚度、反馈和安全要求的工业机器人、协作机器人、人形机器人和精密自动化应用，HAG 也可以作为整体关节架构的一部分进行评估。

关键在于根据机器人需要实现的目标来选择关节，而不是强迫机器人设计去适应标准执行器。

合适的机器人关节模块不仅仅是一个拥有最高规格的组件，而是一个能够完美适配整个机器人的解决方案。