机器人关节模块如何控制位置和扭矩？

介绍

机器人关节模块不仅仅是电机和齿轮箱的组合。在现代机器人系统中，关节必须精确控制位置、速度和扭矩，同时还要响应不断变化的负载和运动指令。

因此，集成式机器人关节模块通常结合了几个关键组件，包括伺服电机、精密减速器、编码器、电机驱动器、控制器接口，以及在某些设计中还包括扭矩传感器。

这些组件共同构成了一个闭环运动控制系统。

简化的位置控制过程如下：

运动指令 → 控制器 → 电机驱动器 → 伺服电机 → 精密减速器 → 机器人关节 → 编码器反馈

对于扭矩控制，可以使用额外的反馈路径：

扭矩指令 → 电机驱动器 → 伺服电机 → 精密减速器 → 关节输出 → 扭矩反馈 → 控制器

通过不断比较指令运动与实际关节反馈，机器人关节模块能够实现精确定位和可控扭矩输出。

本文解释了机器人关节模块内部如何控制位置和扭矩，编码器和扭矩传感器如何实现闭环控制，以及这些技术对于人形机器人、协作机器人、工业机器人和其他先进机器人系统的重要性。

什么是机器人关节模块？

机器人关节模块是一种集成的运动单元，旨在驱动机器人的一个旋转轴。

根据设计，机器人关节模块可能集成：

• 伺服电机

• 精密减速器

• 电机侧编码器

• 输出端编码器

• 电机驱动器

• 扭矩传感器

• 制动

• 通信接口

• 温度和保护传感器

机器人关节并非由单独的组件构成，而是采用集成模块将多个运动控制元件组合成一个紧凑的组件。

这种方法可以减少机械集成工作，简化布线，提高系统紧凑性，并提供更一致的控制性能。

对于人形机器人和协作机器人来说，这种集成度尤其有用，因为关节空间有限，而且执行器通常必须从相对较小的封装中提供高扭矩。

机器人关节模块如何控制位置？

位置控制是机器人关节模块的基本功能之一。

目标很简单：使实际关节位置尽可能精确地跟随指令位置。

例如，机器人控制器可以命令关节旋转 45°。

然后，联合模块必须：

• 接收目标位置。

• 确定所需的电机运动。

• 启动电机。

• 通过变速箱降低电机转速。

• 测量实际位置。

• 将实际位置与目标位置进行比较。

• 如果出现错误，请纠正电机指令。

• 这个过程不断重复。

编码器在位置控制中的作用

编码器是机器人关节模块中最重要的反馈组件之一。

编码器将机械旋转转换成控制系统可以解释的电反馈信号。

根据架构的不同，编码器可以安装在电机侧、输出侧或两者上。

电机侧编码器主要提供以下信息：

• 电机位置

• 电机转速

• 电机旋转方向

• 换向

• 高速控制反馈

输出端编码器测量经过减速机构后机器人关节的实际旋转位置。

这种区别很重要。

由于减速比的存在，电机可能旋转数千圈，而机器人关节的旋转速度却要低得多。

因此，仅测量电机轴并不总是能提供有关实际输出位置的完整信息。

电机侧编码器与输出侧编码器

电机侧编码器

电机侧编码器位于电机轴附近。

它通常用于：

• 场导向控制

• 机动换向

• 速度反馈

• 电机位置反馈

• 伺服控制

由于电机高速旋转，编码器必须提供快速可靠的反馈。

输出端编码器

输出端编码器测量机器人关节实际输出的位置。

它可以帮助控制系统检测指令输出位置与实际输出位置之间的差异。

当传输系统引入少量以下物质时，这一点尤其有价值：

• 弹性形变

• 传输错误

• 反弹

• 轴挠度

• 机械顺应性

因此，对于高精度机器人关节，输出侧位置反馈可以提供额外的控制层。

为什么要在机器人关节模块中使用双编码器？

双编码器架构同时利用电机侧和输出侧的反馈。

控制系统可以使用电机侧编码器进行快速电机控制，同时使用输出侧编码器监测实际关节位置。

这种架构可以提高联合模块的以下能力：

• 保持精确的输出定位

• 检测传输错误

• 补偿机械偏差

• 监测关节活动度

• 支持高级控制策略

对于人形机器人、协作机器人和精密机器人机械臂等应用而言，这种额外的反馈可能很有价值。

机器人关节如何到达目标位置？

位置控制通常作为闭环系统运行。

简化的控制序列如下：

目标位置 → 位置控制器 → 电机指令 → 电机驱动器 → 伺服电机 → 精密减速器 → 机器人关节 → 编码器反馈

控制器不断评估目标位置与测量位置之间的差异。

这种差异被称为位置误差。

如果实际位置在目标后方，控制器会调整电机指令。

当关节接近目标时，调整指令以减少过冲并提高稳定性。

具体的控制算法取决于伺服系统和应用，但原理保持不变：

测量 → 比较 → 校正 → 重复

机器人关节模块如何控制扭矩？

对于许多现代机器人来说，仅靠位置控制是不够的。

机器人还必须知道它对周围环境施加了多大的力。

当机器人出现以下情况时，这一点尤为重要：

• 抓住一个物体

• 与表面发生物理接触

• 散步

• 攀登

• 执行组装

• 与人类互动

• 操作精密部件

扭矩控制使机器人能够调节关节处产生的旋转力。

而不是简单地下达命令：

将关节旋转至 30°。

该机器人还可以发出以下指令：

在保持所需位置的同时，施加可控的扭矩。

这使得机器人从纯粹的位置驱动机器转变为更具自适应性的运动系统。

机器人关节如何产生扭矩？

电机在其轴上产生扭矩。

精密减速器根据其减速比改变电机转速和扭矩。

简化后的关系式是：

电机扭矩 → 精密减速器 → 关节输出扭矩

更高的减速比可以在降低输出转速的同时产生更高的输出扭矩。

然而，实际输出扭矩还取决于传动效率和运行条件。

因此，机器人关节的选择不能仅仅基于电机扭矩。

工程师还应考虑：

• 还原率

• 额定扭矩

• 峰值扭矩

• 传输效率

• 机器人有效载荷

• 关节速度

• 加速度

• 占空比

• 外力

• 关节惯性

如何测量机器人关节扭矩？

机器人关节模块扭矩的估算或测量有多种方法。

基于电流的转矩估算

对于许多伺服电机而言，电磁转矩与电机电流有关。

因此，控制器可以根据测量的电流来估算电机扭矩。

这种方法很有用，因为它不一定需要单独的扭矩传感器。

然而，估计的电机扭矩并不总是与机器人关节输出端的实际扭矩相同。

机械传动损耗、摩擦、变形和其他因素都会影响最终输出扭矩。

扭矩传感器反馈

扭矩传感器直接在机械传动装置或输出结构的适当位置测量扭矩。

配备集成扭矩传感器的机器人关节模块可以向控制系统提供直接的力相关反馈。

这可以支持：

• 扭矩控制

• 力控制

• 碰撞检测

• 合规控制

• 接触检测

• 安全的人机交互

• 精确操控

对于与环境进行物理交互的机器人而言，直接扭矩反馈可能特别有价值。

位置控制和扭矩控制如何协同工作？

在高级机器人关节模块中，位置和扭矩不应总是被视为独立的功能。

他们可以协同作战。

例如，想象一个协作机器人向一个物体移动。

在自由移动过程中，机器人可以优先进行位置控制。

当机器人与物体接触时，扭矩或力反馈就变得更加重要。

控制系统可以根据接触情况减小指令运动或调整施加的扭矩。

这样可以培养更顺从的行为。

位置控制

关节应该向哪里移动？

速度控制

关节活动的速度应该有多快？

扭矩控制

关节应该施加多大的旋转力？

这些控制层可以在伺服控制架构中协同工作。

为什么扭矩控制对人形机器人很重要？

人形机器人对关节控制提出了特别高的要求。

人形机器人必须在不断变化的环境中移动时持续保持身体平衡。

例如，在行走过程中：

• 髋关节位置发生变化。

• 膝盖支撑着身体的一部分重量。

• 脚踝与地面接触。

• 外部环境不断变化。

• 机器人必须保持平衡。

仅凭位置信息可能无法完全描述机器人的物理状态。

扭矩和力信息可以提供有关机器人如何与其环境交互的更多信息。

这就是高性能人形机器人执行器越来越多地采用组合式设计的原因之一：

高扭矩密度 + 精确位置反馈 + 扭矩反馈

为什么扭矩传感对协作机器人很重要？

协作机器人通常与人类密切合作。

这与在独立工作单元内运行的传统工业机器人提出了不同的要求。

协作机器人可能需要检测到意外接触并做出适当反应。

扭矩敏感型机器人关节可以帮助识别异常载荷情况。

例如：

• 正常运动 → 预期扭矩

• 意外接触 → 扭矩偏差

• 控制器响应 → 降低扭矩 / 停止 / 改变轨迹

然而，扭矩传感只是机器人安全系统的一部分。整体安全性还取决于机器人控制器、软件、机械设计、传感架构、风险评估以及适用的安全标准。

精密减速器在机器人关节模块中起什么作用？

精密减速器是机器人关节模块中的另一个关键部件。

机器人电机通常以相对较高的速度运转。

然而，机器人关节通常需要：

• 降低转速

• 更高的输出扭矩

• 高定位精度

• 低传输误差

• 紧凑的机械尺寸

• reducer 弥合了这种差异。

谐波减速器可以在紧凑的封装中提供高减速比，使其适用于许多机器人关节。

当应用需要扭矩、速度、效率、刚性和成本的不同组合时，也可以使用行星减速器。

因此，传动结构对机器人关节模块的整体性能有直接影响。

反冲如何影响机器人关节位置和扭矩控制？

在机器人传动系统中，反冲是一个重要的考虑因素。

如果传动部件之间的机械间隙过大，电机可能会运转但不会立即产生预期的输出运动。

这会降低定位精度。

它还会使扭矩控制变得复杂，因为电机运动和输出运动之间的关系变得难以预测。

因此，低背隙精密减速器被广泛应用于需要精确运动的机器人应用中。

对于机器人手臂、人形机器人、数控旋转轴和精密自动化等应用而言，低传动误差可能是一个重要的选择标准。

闭环控制：现代机器人关节模块的核心

现代机器人关节控制背后最重要的概念是闭环控制。

闭环系统不会简单地发出指令就假设关节已经正确移动。

相反，它会持续测量关节的实际状态。

简化后的架构是：

指令 → 控制器 → 驱动器 → 电机 → 减速器 → 关节输出 → 编码器/扭矩传感器 → 反馈 → 控制器

这种反馈回路使系统能够检测预期行为与实际行为之间的差异。

如果没有反馈，该系统的运行更像是一个开环机制。

通过反馈，控制器可以不断纠正其指令。

机器人关节模块中使用了哪些通信接口？

机器人关节模块通常需要与更高级别的机器人控制器进行通信。

常见的工业通信技术包括：

• 能

• CANopen

• 以太网

• RS-485

• 工业以太网协议

通信接口允许机器人控制器发送命令并接收来自关节的反馈。

根据架构的不同，联合模块可以交换以下信息：

• 目标位置

• 目标速度

• 目标扭矩

• 实际位置

• 实际速度

• 实际扭矩

• 电机温度

• 故障状态

• 编码器状态

EtherCAT 通常被选用于需要同步多轴控制和快速通信的机器人系统。

CAN 和 CANopen 也可以作为分布式机器人关节的实用解决方案，因为必须平衡系统架构、成本和通信要求。

为什么集成在机器人关节模块中如此重要？

将电机、减速器、编码器和电子元件集成到一个关节模块中，可以提供几个潜在的优势。

H3：紧凑型机械设计

高度集成的执行器可以减少独立组件所需的空间。

这在以下情况下尤其有用：

• 人形机器人关节

• 机械手腕

• 灵巧的双手

• 协作机器人

• 紧凑型机器人手臂

减少布线

当驱动和反馈组件集成到关节中时，可能需要更少的外部连接。

这可以简化机器人组装和线缆管理。

更便捷的系统集成

预集成的机器人关节模块可以减少匹配所需的工程工作量：

• 发动机

• 变速箱

• 编码器

• 司机

• 控制器

该模块可以被视为一个标准化的运动单元。

更紧凑的控制架构

将传感和驱动电子元件集成到更靠近机械传动装置的位置，也有助于减少执行器与其反馈组件之间的物理距离。

这对于小型机器人系统来说很有价值。

工程师在选择机器人关节模块时应考虑哪些因素？

选择机器人关节模块时，不应仅以额定扭矩为依据。

工程师应评估全部运行要求。

1. 额定扭矩

确定正常运行期间所需的连续扭矩。

2. 峰值扭矩

考虑加速、冲击或短时动态运动期间所需的最大扭矩。

3. 输出速度

该关节必须在保持必要扭矩的同时达到所需的旋转速度。

4. 减排率

减速比会影响输出速度、输出扭矩、电机工作点、反向驱动能力和动态响应。

5. 定位精度

考虑编码器分辨率、传动精度、齿隙和伺服整体性能。

6. 扭矩反馈

确定基于电流的扭矩估计是否足够，或者是否需要直接扭矩传感。

7. 重量

对于移动机器人和人形机器人而言，关节重量对系统动力学和能量消耗有直接影响。

8. 通信接口

确保联合模块支持所需的控制架构，例如 CAN/CANopen 或 EtherCAT。

9. 热性能

执行器在连续运行过程中必须散热。

10. 机械尺寸

该模块必须安装在可用的连接空间内，且不能影响结构强度。

机器人关节模块控制在不同应用场景中的应用

不同的机器人优先考虑不同的控制特性。

人形机器人

人形机器人通常需要：

• 高扭矩密度

• 轻量级

• 尺寸紧凑

• 高定位精度

• 动态扭矩控制

• 可靠的反馈

髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节和腕关节的要求可能大相径庭。

协作机器人

协作机器人通常会优先考虑：

• 低反冲

• 流畅的动作

• 扭矩传感

• 遵守

• 碰撞检测

• 低噪音

工业机器人手臂

工业机器人通常非常注重：

• 高重复性

• 高刚性

• 使用寿命长

• 稳定的扭矩输出

• 精确位置控制

灵巧的机械手

机械手需要不同的平衡：

• 小型

• 低惯性

• 精确位置控制

• 精细扭矩控制

• 快速响应

这就是为什么没有一个理想的机器人关节模块能够适用于所有机器人应用的原因。

HONPINE机器人关节模块如何支持集成运动控制？

HONPINE公司开发基于精密传动和伺服运动控制技术的集成机器人关节模块。

根据型号和应用的不同，集成式机器人关节模块可以组合以下组件：

• 精密减速器

• 伺服电机

• 高分辨率编码器

• 驱动电子设备

• 扭矩传感

• 工业通信接口

对于人形机器人、协作机器人、机械臂和其他紧凑型机器人系统，这种集成架构可以降低机械集成的复杂性，同时提供闭环运动控制所需的反馈。

例如，HONPINE 的 TCHL 谐波关节模块将扭矩传感器集成到关节架构中，并支持闭环扭矩和位置控制应用。

其他集成执行器架构可以围绕谐波或行星传动、编码器反馈、电机驱动和通信要求的不同组合进行配置。

关于机器人关节模块控制的常见问题

什么是机器人关节模块？

机器人关节模块是一个集成的机器人运动单元，通常包含电机、精密减速器、编码器以及驱动一个机器人关节所需的其他组件。

机器人关节模块如何控制位置？

控制器向关节模块发送目标位置。电机驱动器驱动电机，编码器测量实际位置。控制器持续比较目标位置和实际位置，并调整电机指令以减少位置误差。

机器人关节模块如何控制扭矩？

扭矩可以通过基于电机电流的扭矩估算或来自集成扭矩传感器的直接扭矩反馈进行控制。控制系统根据所需的扭矩调整电机指令。

为什么机器人关节中要使用两个编码器？

双编码器架构可以提供电机侧和输出侧的反馈。这使得控制系统能够同时监测电机运动和关节的实际输出位置。

每个机器人关节都需要扭矩传感器吗？

不。有些应用可以利用电机电流来估算扭矩。当需要精确的力控制、柔顺性、接触检测或人机物理交互时，直接扭矩传感就显得更有价值。

位置控制和扭矩控制有什么区别？

位置控制决定机器人关节的运动方向。扭矩控制决定关节施加的旋转力的大小。先进的机器人可以根据任务需要结合这两种控制方法。

为什么编码器在机器人执行器中很重要？

编码器提供有关旋转位置的反馈，并根据系统情况提供速度和方向的反馈。这种反馈使控制器能够执行闭环运动控制。

谐波减速器适用于机器人关节模块吗？

谐波减速器因其减速比高、尺寸紧凑、齿隙小、定位精度高等优点，被广泛应用于机器人关节中。然而，合适的传动装置取决于应用所需的扭矩、转速、效率、刚度、反驱动能力以及成本要求。

结论

现代机器人关节模块通过电机、精密减速器、编码器、驱动器、控制器以及（在需要时）扭矩传感器的协调操作来控制位置和扭矩。

位置控制高度依赖于精确的反馈。编码器将电机或关节输出的实际位置告知控制系统，使控制器能够持续修正运动。

扭矩控制增添了另一层智能。通过估算电机电流或使用扭矩传感器直接测量扭矩，机器人可以调节关节处产生的力，并更有效地响应外部负载。

因此，精密传动、高分辨率反馈、伺服驱动技术和闭环控制的结合是现代机器人关节设计的核心。

随着人形机器人、协作机器人和灵巧机器人系统变得越来越动态和紧凑，集成机器人关节模块对于实现扭矩、精度、重量、传感和控制之间所需的平衡变得越来越重要。

对于机器人制造商和系统集成商而言，选择合适的关节模块不仅仅取决于电机功率或齿轮箱传动比。完整的运动控制架构——包括反馈、扭矩传感、通信、热性能、机械尺寸和控制要求——决定了机器人关节在实际应用中的性能表现。