HONPINE HAG 谐波执行器：集成驱动和 STO 的高性能机器人关节运动

现代机器人关节需要的不仅仅是精密齿轮箱。随着工业机器人、协作机器人、人形机器人和智能自动化系统变得越来越紧凑和动态，机器人关节执行器必须在一个运动系统中同时具备高定位精度、快速响应、紧凑集成、可靠反馈和功能安全性等特性。

HONPINE HAG谐波执行器专为新一代机器人运动控制而设计。它将高精度谐波齿轮机构、无框力矩电机、高分辨率编码器和集成伺服驱动器集成到一个紧凑的机器人关节执行器中。可选的安全扭矩关闭 (STO) 和制动功能为需要受控扭矩关闭和负载保持的应用提供了额外的安全选项。

HAG 支持 EtherCAT、CANopen、CAN-FD 和 RS485 Modbus，为机器人和工业自动化应用提供完整的运动控制平台。

HONPINE HAG谐波执行器是什么？

HAG谐波执行器是一款集成式机器人执行器，它将精密旋转运动所需的主要部件组合在一个单元中。

HAG 没有使用单独的谐波减速器、电机、编码器和外部伺服驱动器，而是将这些组件集成到一个紧凑的机器人关节解决方案中。

集成架构包括：

• 高精度谐波传输

• 无框扭矩电机

• 20 位高速边编码器

• 19 位输出端编码器

• 集成伺服驱动

• 可选库存转移订单

• 可选刹车

• 空心轴

多种工业通信接口

这种一体化设计减少了对独立外部驱动组件的需求，并可以简化机器人关节的机械和电气集成。

对于机器人制造商而言，其结果是更紧凑的运动控制架构，外部组件更少，并且可以更直接地访问关节的位置、速度和当前控制功能。

为什么集成谐波致动器对现代机器人至关重要？

传统的机器人关节结构通常需要分别安装和连接多个组件。电机、谐波减速器、编码器和伺服驱动器可能占据机器人的不同区域，并且需要额外的电缆和连接器。

随着机器人关节变得越来越小、越来越复杂，这种方法可能会带来以下挑战：

• 安装空间

• 电缆布线

• 热管理

• 电气集成

• 系统调试

• 运动控制配置

集成式谐波致动器通过将关键运动部件组合成一个单元来应对这些挑战。

HAG 架构尤其适用于人形机器人、协作机器人、工业机器人手臂和紧凑型自动化系统，因为这些设备的可用关节空间有限，而动态运动性能至关重要。

用于闭环运动控制的双侧高分辨率反馈

HAG谐波执行器的一个显著特点是其高分辨率编码器配置。

HAG在高速侧采用20位编码器，在输出侧采用19位编码器。这种双侧反馈架构为控制系统提供了电机侧和输出侧运动的详细信息。

这为什么重要？

机器人关节不仅需要知道电机是如何旋转的，还需要知道减速机构之后实际输出运动的准确信息。

输出侧反馈可以帮助控制系统监控实际关节位置，并补偿控制系统内的运动误差。

这对于需要以下功能的机器人应用尤其有价值：

• 精确定位

• 可重复运动

• 平滑方向反转

• 动态轨迹控制

• 在负载变化下运行稳定

高分辨率反馈和谐波传输的结合使 HAG 能够作为一个完整的闭环机器人运动系统运行，而不仅仅是一个电机和齿轮箱的组合。

用于机器人关节的高精度谐波传动

谐波传递机构是HAG执行器的关键元件。

谐波齿轮技术因其减速比高、尺寸紧凑、定位精度高、齿隙小等特点，被广泛应用于机器人关节中。

对于机器人应用而言，这些特性非常重要，因为变速箱直接影响电机旋转和关节运动之间的关系。

HAG 将谐波传动装置与无框扭矩电机和集成控制电子设备相结合，打造出紧凑型旋转执行器，专为机器人运动而优化。

这种架构可以帮助机器人设计人员实现高水平的运动性能，而无需在每个关节旁边安装传统的外部伺服驱动器。

集成驱动架构降低系统复杂性

伺服驱动器集成在 HAG 执行器的底座中。

这是 HAG 与使用外部驱动器的传统谐波致动器架构之间的一个重要区别。

由于驱动器集成在执行器中，机器人设计人员可以减少单独安装的组件数量，并简化关节周围的电气连接。

其益处包括：

更紧凑的系统架构：

该硬盘无需单独的安装位置。

简化接线：

减少外部连接有助于降低线缆复杂性。

更便捷的系统集成：

电机、谐波传动装置、编码器和驱动器被设计成一个运动控制单元。

减少安装空间：

这种一体化结构适用于紧凑型机器人关节。

对于人形机器人和其他空间受限的机器人平台而言，这些特性尤其有价值。

STO 用于更安全的机器人运动控制

随着机器人与人类的距离越来越近，并被部署在医疗、实验室、协作和智能制造环境中，安全变得越来越重要。

HAG谐波执行器可配备STO（安全扭矩关闭）功能。

STO（瞬时停止）是一项安全功能，旨在通过禁用驱动器的扭矩产生能力来防止电机产生扭矩。重要的是，STO 并非仅仅依靠普通的软件指令来停止电机。

对于安全相关系统，必须先将STO输入维持在所需的安全状态，才能恢复正常的扭矩输出。该功能的设计使其无法通过普通的软件调试方法被绕过。

这为防止意外电机扭矩的应用提供了一个额外的面向硬件的安全层。

STO在HAG执行器中是如何工作的？

当 STO 功能被触发时，执行器的电机扭矩输出立即被禁用。

然而，对于具有垂直或重力加载关节的应用，仅靠停止电机扭矩可能不足以阻止机械负载移动。

因此，HAG 也可以配备制动器。

当STO（短时锁定）触发时，制动器可用于保持连接点稳定，降低负载在重力作用下坠落的风险。系统确认安全状态符合要求后，在应用安全架构允许的情况下，可通过控制系统和通信接口释放制动器。

这种组合提供了两种不同的功能：

• STO：防止电机产生驱动扭矩。

• 制动器：必要时可机械地固定负载。

这些功能应根据适用的安全标准和制造商的风险评估，集成到完整的机器安全架构中。

为什么STO和制动功能在医疗和高安全应用中如此重要？

用于医疗设备、实验室自动化、协作机械和其他人机交互系统的机器人执行器可能需要采取额外的措施来控制意外运动。

考虑一个支撑垂直负载的机器人关节。如果移除电机扭矩而没有合适的保持机构，重力可能会导致负载移动。

制动器可以提供机械保持，而 STO 可以禁用电机扭矩产生。

这使得 STO + 制动 + 高分辨率反馈的组合作为面向安全的运动架构的一部分特别有用。

然而，执行器上存在 STO 并不能自动使整个机器人或医疗设备获得安全认证。

最终的安全性能取决于整个系统，包括安全控制器、线路、机械制动器、风险评估、软件架构和适用的标准。

支持 EtherCAT、CANopen、CAN-FD 和 Modbus 的灵活集成

机器人关节执行器需要与机器人控制器进行可靠的通信。

HAG支持多种工业通信接口，包括：

• EtherCAT 与 CiA 402

• CANopen 与 CiA 402

• CAN-FD

• RS485 Modbus

这使得HAG能够集成到不同的机器人和自动化架构中。

对于需要同步运动和实时控制的多轴机器人系统，EtherCAT 提供了一个合适的通信平台。

CANopen 和 CAN-FD 可用于不同的分布式运动控制架构，而 RS485 Modbus 为工业设备集成提供了另一种选择。

HAG 还支持双 24 V 数字输入和输出以及 ±10 V 模拟接口，为机器级控制提供了更大的灵活性。

多种运动模式适用于不同的机器人控制策略

高性能机器人关节需要支持的不仅仅是基本的位置控制。

HAG支持多种操作模式，包括：

• 轮廓位置模式

• 剖面速度模式

• 扭矩模式剖面

• 循环同步位置

• 循环同步速度

• 循环同步电流

• 模拟控制

• 归航模式

这些控制模式使执行器能够适应不同的机器人架构和运动控制要求。

例如，循环同步模式可用于高级网络运动控制系统，而轮廓模式可以简化特定自动化应用的运动指令。

这种灵活性使得 HAG 既适用于机器人关节开发，也适用于工业运动控制设备。

USB调试和实时参数监控

开发高性能机器人关节不仅仅是硬件的问题，高效的调试和参数调优同样重要。

HAG 提供 USB 调试接口，使工程师能够访问重要的控制信息并监控驱动器状态。

工程师可以在调试期间使用位置、速度和电流控制回路，并调整 PID 参数。

在针对不同的机器人机构、有效载荷和运动曲线优化执行器性能时，这有助于缩短开发时间。

针对可变载荷的高级惯性识别

机器人关节经常在不断变化的负载条件下运行。

机械臂可以携带不同的工具或工件，而人形机器人随着姿态的变化，关节负荷可能会不断变化。

HAG 包含先进的惯性识别功能，可提高对不同负载条件的适应性。

通过识别机械负载的变化，控制系统可以更好地调整其运动控制参数以适应实际运行条件。

这种功能在有效载荷和关节动力学频繁变化的机器人应用中尤其有用。

工业运营的全面保护

HAG 集成了多种保护功能，以支持在工业环境中可靠运行。

保护功能包括：

• 过压保护

• 欠压保护

• 过流保护

• 过温保护

• 跟踪错误保护

• 同步错误保护

• 通信故障保护

• STO

该执行器还专为工业运行条件而设计，具有抗振动性、高绝缘性能，并且根据配置不同，防护等级最高可达 IP40。

这些功能有助于保护执行器和整个运动系统免受常见的电气、热、通信和控制异常的影响。

空心轴设计，简化电缆布线

HAG采用中空轴结构，为内部电缆布线提供了更大的灵活性。

电缆和其他组件可以穿过执行器的空心部分，而不是完全放置在接头的外部。

对于机械臂和人形机器人而言，内部电缆布线有助于减少外部电缆暴露，并支持更简洁的机械集成。

空心结构对于空间有限且电缆管理是机械设计重要组成部分的连接处尤其有用。

HAG谐波致动器可用于哪些领域？

HAG 结合了谐波传输、高分辨率反馈、集成驱动电子设备、通信接口和可选安全功能，使其适用于各种精密运动应用。

工业机器人

HAG 可用作机器人关节驱动器，适用于需要精确和可重复旋转运动的机器人手臂。

协作机器人

集成架构有助于减少关节周围的外部组件，并支持紧凑型协作机器人设计。

人形机器人

人形机器人需要结构紧凑、重量轻、性能优异的关节系统，能够进行动态协调的运动。

集成式 HAG 架构有助于将电机、谐波传动、编码器和驱动功能集成到一个紧凑的关节封装中。

医疗和实验室自动化

对于医疗和实验室自动化设备，可选的 STO 和制动功能可以提供额外的安全相关设计选项，以满足受控扭矩停机和负载保持的需求。

最终的安全实施方案必须始终在整机层面进行验证。

工业自动化

HAG 支持 EtherCAT、CANopen、CAN-FD 和 Modbus，可集成到先进的工业自动化和多轴运动控制系统中。

HAG谐波致动器与传统外部驱动架构的比较

HAG 与传统谐波致动器系统的主要区别在于集成度。

传统架构可能需要：

电机 + 谐波减速机 + 编码器 + 外部伺服驱动器 + 附加线路

HAG 将关键的运动控制组件集成到：

谐波传动 + 无框力矩电机 + 双侧编码器 + 集成驱动器

可选的 STO 和制动功能可以进一步扩展执行器在安全应用方面的功能。

这种集成方法可以降低系统复杂性，并为机器人制造商提供更紧凑的基础，以设计高性能机器人关节。

HONPINE HAG：不仅仅是谐波齿轮电机

传统的谐波齿轮电机主要作用是将电机转速转换为可控的旋转扭矩。

HAG谐波执行器更进一步，将机械传动装置、电机、反馈系统、驱动电子设备、通信接口和可选的安全功能集成到一个机器人执行器中。

这使得 HAG 特别适合那些寻求完整的机器人关节执行器而不是独立谐波齿轮箱的工程师。

它由以下要素组成：

• 20 位高速侧反馈

• 19 位输出端反馈

• 集成伺服驱动

• 高精度谐波传输

• STO 和可选刹车

• 空心轴

• EtherCAT / CANopen / CAN-FD / Modbus

• 高级惯性识别

• 多重保护功能

为开发紧凑、精确、响应迅速且安全可靠的机器人运动系统奠定了基础。

关于谐波致动器的常见问题

什么是谐波致动器？

谐波致动器是一种集成的旋转运动单元，通常将电机、谐波抑制机构、编码器和驱动电子设备结合在一起，以提供可控的高精度旋转运动。

谐波减振器和谐波执行器有什么区别？

谐波减速器主要是一种机械传动部件，用于降低转速并增加扭矩。谐波执行器则将减速器与其他部件（例如电机、编码器和驱动电子设备）组合在一起，构成一个完整的运动控制单元。

为什么机器人关节需要输出编码器？

输出编码器提供关节实际输出端位置的反馈信息。这可以改善闭环控制，并使控制器能够监测实际的机械输出，而不仅仅依赖于电机侧的反馈。

机器人执行器中的STO是什么？

STO 代表安全扭矩关闭 (Safe Torque Off)。它是一种安全功能，旨在通过禁用驱动器的扭矩产生能力来防止电机产生扭矩。STO 应作为完整机器安全架构的一部分来实现。

STO能否防止垂直机器人关节坠落？

STO（瞬时停止）功能可以解除电机扭矩，但它本身并不能机械地保持受重力负载的轴。对于需要在扭矩解除后保持负载的应用，可能需要合适的机械制动器。

HAG格式适用于人形机器人吗？

是的。紧凑的集成架构、谐波传输、高分辨率反馈、空心轴和集成驱动等特性，使得HAG非常适合用于开发紧凑型机器人关节，包括在人形机器人领域的潜在应用。

HAG支持哪些通信协议？

HAG 支持 EtherCAT（CiA 402）、CANopen（CiA 402）、CAN-FD 和 RS485 Modbus，为不同的机器人和工业自动化控制架构提供了灵活性。

结论

下一代机器人关节正在超越传统的电机、齿轮箱、编码器和外部驱动器的组合。

现代机器人系统越来越需要在单个执行器中实现高精度、紧凑集成、高分辨率反馈、智能控制、灵活通信和功能安全。

HONPINE HAG谐波执行器将这些功能整合到一个集成的机器人运动解决方案中。

HAG 采用双侧高分辨率编码器、精密谐波传动装置、集成驱动电子元件、可选的 STO 和制动功能、空心轴结构、多种工业通信协议和先进的运动控制功能，为工业机器人、协作机器人、人形机器人、医疗自动化和先进工业设备提供高性能平台。

对于开发下一代机器人关节的工程师来说，HAG 提供了一条从精确谐波传输到集成智能运动控制的实用途径。