带扭矩传感器的谐波关节执行器如何提升机器人力控能力？

对于开发人形机器人的工程师、协作机器人和力控机器人系统而言，选择一体化机器人关节，考量的不只是额定扭矩、速度和尺寸。一个关键区别在于：关节是根据电机电流估算扭矩，还是直接测量减速器输出端的实际扭矩。

许多宣称支持力控的伺服关节，主要依靠电机电流估算扭矩。然而，谐波减速器内部的摩擦和传动特性会影响电机侧扭矩与传递到外部机构的扭矩之间的关系。这可能使碰撞检测、力估算和柔顺运动控制变得复杂。

HONPINETCHL谐波关节执行器在谐波减速器输出法兰处集成了扭矩传感器，可直接测量输出扭矩。通过提供来自关节输出侧的反馈，它能为力敏感应用中的机器人控制器提供更直接的信号，包括碰撞检测、拖动示教、柔顺装配、康复机器人和力反馈遥操作。

本文将说明估算扭矩与实测扭矩的区别，并探讨HONPINE配备扭矩传感器的TCHL谐波关节模块在实际中的应用。

基于电机电流的扭矩估算与实际输出扭矩测量

为什么电机电流不等于输出扭矩？

在许多传统伺服关节中，扭矩是根据电机电流估算的。这种方法可用于运动控制，但电机电流主要反映电机产生的电磁扭矩，并不直接测量传递至外部负载的扭矩。

经过谐波减速器后，电机侧扭矩与输出扭矩之间的关系可能受到传动摩擦、迟滞、与背隙相关的特性以及运行条件的影响。

实际应用中可能会遇到以下问题：

空载运动时的扭矩读数：即使关节没有承受显著的外部负载，减速器内部的摩擦也可能产生阻力扭矩。

正反方向的读数不同：在外部负载相近的情况下，传动摩擦和迟滞可能导致关节正向和反向运动时估算出的扭矩值不同。

碰撞检测的权衡：阈值设得过高可能延迟碰撞检测；阈值设得过低，则可能在正常运动期间触发误报警。

因此，对于要求灵敏力检测的应用，仅依靠电机电流估算可能并不足够。

HONPINE TCHL输出扭矩传感器如何工作？

配备扭矩传感器的HONPINE TCHL-TM / TH版本在谐波减速器的输出法兰处安装了扭矩传感器。该关节并非仅根据电机电流推算扭矩，而是直接测量输出侧扭矩。

根据所提供的产品规格，扭矩反馈可从对象字典条目0x303A读取，单位为0.01 N·m。

输出扭矩传感器的指定性能包括：

• 扭矩传感器分辨率：0.5% F.S.

• 输出扭矩测量精度：1% F.S.

• 来自减速器输出侧的扭矩反馈。

此处，F.S.表示满量程。应根据传感器规定的满量程范围和制造商的测量条件来理解这些百分比。

直接测量输出扭矩，可提供更能代表传递至外部机构扭矩的信号。这有助于降低根据电机电流估算输出扭矩时的不确定性影响，但传感器本身仍存在测量噪声、校准限制和动态响应方面的约束。

HONPINE TCHL谐波关节执行器的实际应用

以下应用展示了输出扭矩反馈如何用于人形机器人、协作机器人及其他力敏感机器人系统。具体控制模式和安全架构取决于机器人设计、控制器能力及应用要求。

1. 人形机器人的全身力感知

典型控制方式：CSP（周期同步位置）模式，并使用输出扭矩反馈。

在人形机器人中，来自多个关节的力信息可支持协调运动控制、接触检测以及与周围环境的交互。

自适应行走与步态控制

髋、膝和踝关节可提供输出扭矩反馈，帮助控制器估算接触状态并在行走过程中调整关节指令。这些信息可支持机器人适应斜坡、不平整地面和地面接触变化，从而有助于提高步态稳定性。

全身碰撞检测

当多个关节都能提供扭矩反馈时，控制器可以监测手臂、躯干和腿部受到的意外外部作用，而不只是依赖末端执行器上的力传感器。这有助于扩大碰撞检测范围，但检测算法必须考虑重力、惯性、加速度和正常接触力。

拖动示教与轨迹记录

操作人员可以手动引导选定的机器人关节，同时由控制器利用扭矩反馈帮助识别外力。系统可以记录由此产生的运动轨迹，以供后续回放。在某些示教应用中，这可能减少对额外外部力传感器的需求。

关节健康监测

行走及其他动作过程中采集的扭矩波形，有助于识别摩擦变化、异常阻力、卡滞或其他偏离预期关节状态的情况。这些信号可用于状态监测和维护规划，但不能单独证明谐波减速器已经磨损或损坏。

2. 康复与辅助外骨骼机器人

典型控制方式：CSP位置控制；在系统支持且适用时，可采用闭环扭矩控制。

康复及辅助外骨骼需要协调机器人产生的扭矩与人体运动。输出扭矩反馈可帮助控制器响应用户施力和外部负载变化。

下肢康复外骨骼

关节扭矩反馈有助于估算用户的运动意图，并在站立、行走和康复训练过程中协调辅助动作。控制器可根据选定的康复策略和测得的关节状态调整辅助力度。

上肢辅助外骨骼

输出扭矩反馈可在用户举起或操作负载时支持力辅助。当达到预设的力或负载限值时，控制器可以调节辅助力度并降低指令扭矩。

重要安全注意事项：康复设备会直接与人体接触。如果应用使用TCHL的0xFF闭环扭矩控制模式，则必须按照制造商说明配置并验证所提供控制文档中标识为3401h的相关速度限制参数。应根据适用的固件和对象字典确认该参数的确切定义和单位。此外，还需要适当的机械限位、急停、故障处理和独立安全措施。

3. 协作机器人手臂的柔顺操作

典型控制方式：CSP模式，并使用关节扭矩反馈。

协作机器人通常需要在人附近作业，并执行需要受控接触、柔顺性或力敏感运动的任务。

碰撞检测与柔顺响应

来自多个关节的扭矩反馈有助于机器人检测其结构不同位置发生的意外接触。根据安全架构，机器人可以通过降低速度、让步或停止来响应。

但是，仅集成扭矩传感器并不能确保协作安全。必须对完整的机器人应用进行风险评估，并按照适用的安全要求进行验证。

精密装配

在螺钉紧固、卡扣装配和零件插入过程中，关节扭矩反馈可帮助控制器识别阻力增大或意外接触。检测到卡滞或异常负载时，机器人可以停止或调整运动，以降低损坏精密塑料零件和电子元件的风险。

仍建议使用末端执行器力传感器的情况

对于在工具尖端涉及极小侧向力的精密研磨或抛光，安装在末端执行器附近的六轴力/扭矩传感器仍可能是更合适的选择。关节扭矩感测特别适用于监测关节级负载并支持柔顺运动；安装在工具上的传感器则能够更接近实际工作点测量力和力矩。

4. 压装与夹紧应用

在压装、夹紧和测试夹具中，TCHL的输出扭矩信号可用于支持受控接触以及与力相关的过程监测。

控制器可以利用扭矩反馈检测工件何时接触夹具、识别阻力增加，并调整运动以适应细微的位置偏差。配合合适的机械模型和经过校准的工装，关节扭矩可用于调节压装过程。

需要注意，关节扭矩并不等于实际的线性压装力。将输出扭矩换算为接触力时，必须考虑机构几何形状、力臂、摩擦以及其他载荷路径特性。

5. 收卷与放卷张力控制

线材、薄膜和卷对卷搬运系统通常需要稳定的张力，以防止材料断裂、拉伸或变形。

配备扭矩传感器的关节可为控制器提供输出扭矩反馈，用于调节收卷或放卷扭矩。在机械结构允许的情况下，该反馈可支持张力调节，并帮助系统响应材料负载变化。

还应根据材料、卷筒直径、惯性和设备设计限制最大转速与加速度。输出扭矩并非对卷材张力的直接测量；两者之间的关系取决于卷绕半径和传动机构。

6. 研磨与去毛刺

研磨和去毛刺过程中，即使存在细微的位置误差和表面几何形状变化，机器人也必须与工件保持适当接触。

输出扭矩反馈可帮助控制器监测关节负载并调整运动，以实现更柔顺的交互。这有助于对铸件和机加工零件进行去毛刺，同时减少过大的接触载荷。

如果应用要求精确调节工具尖端的接触力，控制系统可能还需要末端执行器力传感器、经过校准的力模型或额外的过程反馈。

7. 主从式力反馈遥操作

典型控制方式：0xFF闭环扭矩控制模式，前提是控制器和固件支持。

力反馈遥操作使操作人员能够操控远程机器人，同时接收远端机器人所遇到的力的信息。

主端：操作人员一侧关节中的扭矩传感器用于测量操作人员与主设备之间的交互作用。

从端：远程机器人使用所支持的闭环扭矩控制模式，在设定限值范围内再现指令扭矩或交互行为。

采用适当的双边控制架构后，系统可以将远程接触力信息反馈给操作人员，帮助其在远程操作时感知环境阻力。

潜在应用包括危险环境检查、专业应急救援作业，以及在人员难以到达或无法安全进入的区域进行远程操作。

主端和从端信号必须经过适当的缩放和稳定处理。必须妥善处理通信延迟、意外接触和连接中断，以避免力反馈不稳定或不安全。

8. 实验室研究与测试夹具

TCHL谐波关节执行器也可作为执行器和测量部件，用于机器人研究和机械测试。

关节耐久性与扭矩加载测试

在测试夹具中，以支持的闭环扭矩控制模式运行的关节可以向部件或测试组件施加受控扭矩曲线。集成的输出扭矩传感器可提供反馈，用于监测施加的扭矩并比较指令值与测量值。

测试精度取决于夹具刚度、对准情况、校准、控制带宽和测量不确定度。

高校与研究平台

在人形机器人和力控研究中，输出扭矩反馈可支持：

• 使用CSP位置控制和扭矩反馈开发阻抗控制算法。

• 手动引导和拖动示教实验。

• 关节级接触检测和柔顺运动研究。

• 使用所支持的0xFF模式进行闭环扭矩控制实验。

根据实验要求，这些功能使研究人员能够探索不同的力控策略，而不一定需要为每个关节额外安装独立的扭矩传感器。

HONPINE TCHL谐波关节执行器——技术规格

下表汇总了所提供的TCHL系列扭矩感测和扭矩输出规格。

以上扭矩值根据所提供的规格列出。发布前请确认扭矩单位是否为N·m。

请确认“2000 rpm”指的是电机转速还是输出转速，并确认所列的所有连续扭矩额定值是否适用于相同的运行条件。

短横线表示未提供TCHL-11对应规格，并不一定意味着该功能不可用。

请确认所述±3% F.S.噪声底的定义和测量条件，以及确定传感器分辨率和精度所采用的方法。

如何选择配备扭矩传感器的机器人关节？

评估适用于人形机器人或协作机器人的一体化关节时，工程师不应只关注产品是否宣称支持力控。

首先，确定扭矩信号的来源。基于电机电流的估算与直接测量输出扭矩是两种不同的方法，各自具有不同的局限性。

接下来，检查传感器的测量范围、分辨率、精度、噪声、响应特性和校准条件。这些规格会影响反馈在碰撞检测、柔顺运动和扭矩调节中的实际效果。

控制接口和运行模式同样重要。请确认产品支持所需的通信协议、对象字典条目、反馈单位、CSP运行和闭环扭矩控制功能。同时验证速度限制、过载处理、通信故障和急停逻辑的行为。

最后，根据应用要求匹配关节的连续和峰值扭矩、速度、尺寸、质量及热特性。配备传感器的关节只是力控系统的一部分；机器人动力学、控制算法、机械设计和系统级安全验证仍不可或缺。

结论——使用HONPINE TCHL打造更出色的力感知机器人

随着人形机器人和协作机器人不断发展，可靠的力反馈对于柔顺运动、接触检测、装配、康复和远程操作正变得越来越重要。

HONPINETCHL谐波关节执行器在减速器输出侧集成扭矩感测功能，提供直接的输出扭矩反馈，而非完全依赖基于电机电流的估算。结合适当的控制算法和经过验证的系统级防护措施后，该反馈可支持多种力敏感机器人应用。

对于选择一体化机器人关节的工程师而言，关键问题不只是关节是否支持力控，还包括扭矩如何测量、如何使用反馈，以及完整系统如何应对意外接触和故障。

联系HONPINE，了解更多有关配备扭矩传感器的TCHL谐波关节执行器、技术文档以及适用于人形机器人、协作机器人手臂、外骨骼和研究平台的集成方案。