协作机器人关节中的 DD 电机与谐波减速器：哪种更好？

介绍

协作机器人设计用于人机共享同一工作空间的环境中。这与传统工业机器人相比，对机器人关节设计提出了不同的要求。

协作机器人关节需要提供足够的扭矩和定位精度，同时还要保持紧凑的尺寸、轻巧的重量、平稳的运动、灵敏的控制和适当的力交互。

这使得机器人关节传动方式的选择尤为重要。

协作机器人关节可考虑的两种技术是直驱电机（DD电机）和谐波减速器。直驱电机直接驱动关节，无需机械减速级；而谐波减速器则将高速伺服电机与高传动比精密变速器相结合。

两种技术并非各方面都更优。更实际的问题是，哪种方案能够为特定的协作机器人提供扭矩密度、反向驱动能力、动态响应、关节尺寸、刚度、热性能和控制要求之间的最佳平衡。

本文比较了用于协作机器人关节的DD电机和谐波减速器，并解释了每种技术在什么情况下可能是更好的选择。

协作机器人关节需要什么？

在比较DD电机和谐波减速器之前，了解协作机器人关节的要求非常重要。

与简单的旋转机构不同，机器人关节必须反复加速、减速、反转方向，并在携带运动部件和有效载荷的同时保持精确的位置。

因此，该接头需要同时满足多个要求。

扭矩密度很重要，因为执行器需要产生足够的扭矩，同时又不能使机器人手臂过重。

低反冲对于保持定位精度和可预测的运动至关重要。

当机器人需要对外部作用力做出自然反应时，反向驱动能力就变得非常重要。

动态响应会影响机器人加速、减速和对运动变化做出反应的速度。

刚度会影响机器人在负载下保持其指令位置的能力。

热性能也很重要，因为协作机器人经常在紧凑的关节腔内长时间运行。

根据机器人架构的不同，这些要求可能会导致不同的传动方式选择。

谐波减速器在协作机器人关节中的工作原理是什么？

谐波减速器通常与伺服电机结合使用，形成高性能机器人关节驱动装置。

电机以相对较高的速度运转，而谐波传动装置提供较高的减速比，将电机输出转换为机器人关节所需的低速、高扭矩运动。

紧凑的传动结构使得相对较小的电机能够在关节处产生更高的输出扭矩。

这也是谐波减速器被广泛考虑用于机器人关节的主要原因之一。

谐波减速器还可以提供非常低的反冲，这对于需要精确定位和协调多轴运动的应用来说非常有价值。

对于协作机器人而言，高减速比、紧凑尺寸、低反冲和高扭矩密度的这种组合对于肩关节、肘关节和其他承重关节尤其有用。

然而，谐波减速器仍然是一种机械传动装置。

其动态性能、效率、扭转特性和反向驱动能力取决于具体的减速器设计、减速比、负载和运行条件。

因此，工程师应该评估整个接头，而不是假设每个谐波减振器都提供相同的性能。

DD电机在协作机器人关节中的工作原理是什么？

直驱电机采用了不同的方法。

电机没有在电机和机器人关节之间设置减速机构，而是直接由电机驱动输出。

由于没有传统的机械减速级，该系统可以采用更少的传动部件。

这可以带来诸多好处。

由于没有机械减速级，消除了传动装置中存在的齿轮间隙，并能直接建立电机扭矩与关节运动之间的关系。

DD电机也能提供出色的动态响应。

当关节需要快速加速、减速或频繁改变方向时，直接驱动可能很有吸引力，因为电机和负载之间的机械传动元件较少。

另一个重要特性是反向驱动能力。

与高齿轮比关节相比，直接驱动关节通常更容易反向驱动，因此，对于力相互作用和柔顺运动很重要的应用而言，直接驱动电机很有吸引力。

限制因素是扭矩。

由于没有减速机构来倍增电机扭矩，DD 电机本身必须产生所需的关节扭矩。

对于高扭矩协作机器人关节，这可能需要更大、有效直径更大、热容量更高的电机。

谐波减速器与直驱电机在协作机器人关节扭矩方面的比较

扭矩密度是这两种方法之间最重要的区别之一。

采用谐波减速器后，电机无需直接产生最终关节扭矩。减速机构在降低转速的同时，增大了输出扭矩。

这样更容易制造紧凑型高扭矩接头。

直驱电机必须直接产生所需的输出扭矩。

对于低扭矩关节而言，这可能不是一个重大的限制。

然而，随着所需关节扭矩的增加，电机尺寸、电流和热需求也会显著增加。

因此，谐波传动对于需要在有限的机械范围内实现高扭矩的协作机器人关节来说可能很有吸引力。

当所需扭矩适中，设计更加注重直接驱动、高动态响应和反向驱动能力时，DD 电机就变得更有意思了。

哪种方式能提供更好的反向驱动能力：直驱电机还是谐波减速器？

反向驱动能力在协作机器人中尤为重要。

机器人可能需要检测外部作用力、对接触做出反应，并在人群周围安全运行。

高齿比变速器能够抵抗外部运动，因为负载必须通过变速器驱动电机。

直驱电机没有这种减速机构。

负载直接与电机连接，这使得关节能够自然地响应外部作用力。

这是力敏机器人应用中采用DD电机的最有力论据之一。

然而，这并不意味着谐波机器人关节不能支持力控制。

谐波关节可利用高分辨率编码器反馈、电机电流信息或集成扭矩传感器来支持力和扭矩控制。

因此，实际性能取决于完整的联合架构。

对于需要高度灵敏的力交互的应用，工程师不仅应该评估传动类型，还应该评估编码器配置、扭矩传感、控制算法和机械摩擦。

哪种更适合协作机器人关节？

谐波减速器的另一个优势在于其结构紧凑。

谐波减速器能够在相对较小的体积内提供较高的减速比。

这样就可以将电机和变速器集成到一个紧凑的接头壳体中。

对于六轴协作机器人来说，这一点很重要，因为每个关节都会影响机器人的整体尺寸和重量。

减少上游关节的质量也可以减少机器人手臂下游关节所需的扭矩。

DD 电机可以省去减速器，但这并不一定意味着整个接头的尺寸会更小。

电机需要直接产生所需的扭矩，因此高扭矩 DD 电机可能需要相对较大的直径。

因此，移除减速器并不会自动导致机器人关节变小。

正确的比较应该基于完整的执行器结构，包括电机、轴承、外壳、编码器和冷却结构。

谐波减速器与直驱电机在机器人关节精度方面的比较

这两种技术都能支持高精度机器人关节，但它们实现的方式不同。

谐波减速器具有吸引力，因为它们可以提供极低的齿隙和较高的减速比。

这使得它们适用于需要精确角度定位的应用。

DD电机完全消除了机械减速反冲。

然而，没有齿轮箱反冲并不能保证更高的系统精度。

最终的机器人关节精度还受以下因素影响：

• 编码器分辨率

• 轴承精度

• 电机控制

• 结构变形

• 热膨胀

• 机械刚度

对于协作机器人而言，这些因素需要综合评估。

具有优秀编码器反馈但结构刚度不足的 DD 电机可能无法胜过设计良好的谐波关节。

同样，低反冲谐波减速器无法补偿编码器反馈不良或结构变形过大。

哪种更适合高速协作机器人运动？

当高速连续旋转运动和快速动态响应至关重要时，DD 电机具有天然优势。

由于电机直接驱动负载，无需减速级来传递运动。

这在需要频繁加速和减速的应用中可能很有价值。

谐波减速器也能支持机器人快速运动，但最大输出速度受传动装置和所选减速比的限制。

因此，对于需要高输出速度但扭矩相对较低的协作机器人关节而言，DD 电机可能是一个很有吸引力的选择。

对于需要在相对较低的输出速度下实现高扭矩的关节，谐波传动可能是一种更实用的解决方案。

谐波减速器与直驱电机在协作机器人力控制中的比较

在协作机器人领域，力控制变得越来越重要。

装配、抛光、插入、检测和人机交互等应用要求机器人能够响应接触力，而不是简单地遵循预定义的位置轨迹。

由于电机直接连接到输出端，因此DD电机自然很适合这些应用。

电机扭矩与关节扭矩之间的机械关系相对直接。

然而，谐波接头也可以设计用于力控应用。

例如，集成机器人关节可以使用输出端编码器或扭矩传感器来获取有关关节运动或扭矩的更直接信息。

这可以显著提高控制系统区分电机侧运动和实际输出运动的能力。

因此，对于高性能协作机器人关节而言，问题不应该仅仅是：

直驱电机还是谐波减速器？

更好的问题是：

该关节能够多精确地测量和控制输出扭矩？

谐波接头模块可以集成比减速器更多的功能

现代机器人关节模块不仅仅是谐波减速器。

一个完整的联合模块可能包含：

• 伺服电机

• 谐波减频器

• 编码器

• 司机

• 制动

• 扭矩传感器

• 住房

• 轴承

这种程度的集成可以减少构建机器人关节所需的工程工作量。

对于协作机器人制造商而言，集成式谐波关节模块还可以提供更标准化的机械和电气接口。

在开发具有不同有效载荷能力的多个机器人模型时，这会很有用。

主要优势不仅在于谐波减速器本身，还在于能够将传动、电机、传感和控制组件集成到一个紧凑的执行器中。

何时应该为协作机器人选择谐波减速器？

当协作机器人关节需要兼具高扭矩、紧凑尺寸和低反冲时，谐波减速器值得考虑。

它特别适用于执行器需要承受较大负载但同时保持相对轻便的关节。

典型应用可能包括：

• 协作机器人手臂

• 六轴协作机器人

• 人形机器人关节

• 移动机械臂

• 精密机械臂

对于这些应用，谐波传输可以在扭矩密度、精度和封装尺寸之间提供实际的平衡。

然而，减速器的选择应根据实际扭矩、转速、负载惯性、占空比和热条件来决定，而不是简单地选择最高的减速比。

何时应该为协作机器人选择直驱电机？

当直接驱动和高动态响应是主要设计要求时，DD 电机可能更合适。

典型考虑因素包括：

• 高反向驱动能力

• 快速加速和减速

• 连续旋转

• 直接扭矩控制

• 低机械传动复杂性

DD 电机对于某些腕关节、力敏机构和专用协作机器人架构来说尤其具有吸引力。

当接头需要在极其紧凑的壳体内实现非常高的扭矩时，它们可能就不那么吸引人了。

在这种情况下，直接产生扭矩所需的额外电机尺寸可能会成为一个重要的设计限制。

DD电机与谐波减速器：哪种更适合不同的机器人关节？

即使是同一台机器人，不同轴的最佳技术也可能有所不同。

肩关节或基座关节通常需要高扭矩，因为它支撑着机器人结构和有效载荷的大部分。

因此，谐波连接模块对于这些位置来说可能很有吸引力。

肘关节也需要较大的扭矩和紧凑性，因此谐波传动在许多设计中是一种实用的选择。

腕关节通常有不同的需求。

重量更轻、速度更快、动态响应更重要，因此根据机器人架构，DD 电机可能值得评估。

这意味着机器人制造商不一定需要为每个关节使用完全相同的执行器架构。

不同的关节位置可能对扭矩、速度、惯性和力控制有不同的要求。

如何为协作机器人选择直驱电机和谐波减速器？

通过评估实际设计优先级，可以简化选择过程。

如果接头需要高扭矩密度、紧凑的尺寸、高减速比和极低的齿隙，那么谐波减速器通常是一个很好的选择。

如果联合体优先考虑直接驱动、反向驱动、高动态响应和低机械传动复杂性，则 DD 电机可能更具吸引力。

如果应用需要高度灵敏的力控制，则应将这两种技术与传感架构一起进行评估。

扭矩传感器、双编码器配置和合适的伺服控制可以对机器人关节的最终性能产生重大影响。

结论：协作机器人应选择直驱电机还是谐波减速器？

直驱电机和减速机之间没有绝对的优劣之分。

当协作机器人关节需要高扭矩密度、紧凑尺寸、低反冲和高减速比时，谐波减速器通常更具吸引力。

当直接驱动、反向驱动、高动态响应和连续旋转运动是主要要求时，DD 电机就更具吸引力了。

对于许多紧凑型协作机器人手臂而言，谐波关节模块能够有效地兼顾扭矩、精度和集成度。而对于强调直接力交互和动态响应的专用关节，直接驱动电机则能提供显著优势。

最重要的一点是要评估整个机器人关节，而不仅仅是电机或减速器。

电机扭矩、减速比、编码器反馈、承载能力、结构刚度、热性能、力传感和控制架构都会影响最终性能。

因此，对于开发协作机器人的机器人制造商而言，合适的解决方案可能是：对于高扭矩轴采用谐波关节模块，对于选定的高速或力敏关节采用直接驱动架构，具体取决于机器人的机械和控制要求。

HONPINE 为不同的机器人运动需求提供谐波减速器、谐波旋转执行器、机器人关节模块和 DD 电机解决方案，使工程师能够根据实际应用选择合适的传动架构。