HONPINE HPJM 一体化机器人关节模组如何在紧凑空间内实现高扭矩？

随着机器人变得日益紧凑、功能日益复杂，机器人制造商面临着一个常见的工程挑战：如何在不增加各关节安装空间的情况下实现更高的输出扭矩？

HONPINEHPJM 一体化机器人关节模组通过紧凑的机械集成、优化的线缆布线和节省空间的安装结构应对这一挑战。工程师不应只着眼于缩小模组的外部尺寸，还可以优化整个关节组件，包括内部零部件、电气连接、安装接口和多关节布局。

本文将介绍使用 HONPINE 一体化机器人关节模组，在紧凑空间内实现高扭矩的三种主要方法。

1. 优化模组本身：利用内置特性减少空间需求

模组的硬件、机械结构和电气架构为空间优化奠定了基础。选型初期就应考虑这些特性，因为它们决定了最小安装空间。

选择高扭矩密度的一体化关节模组

HPJM 模组将 FOC 伺服驱动板、无框力矩电机、高精度编码器、谐波减速器和交叉滚子轴承集成在一个壳体内。

与由伺服电机、外置驱动器和独立减速器组成的传统分布式配置相比，这种一体化设计无需外置驱动器外壳、额外安装支架和连接联轴器。它还减少了独立部件之间的安装间隙和对准要求，有助于缩小整个关节组件占用的空间。

选型建议：首先确保所选模组满足所需的连续额定扭矩和峰值扭矩；随后，在应用条件允许时考虑选择外径更小的型号。避免仅为获得过大的扭矩余量而选择不必要的大尺寸模组。请参阅产品规格表，并比较输出扭矩相近的型号。在输入转速、效率、热性能及其他运行条件也适用的前提下，较高的减速比可能使较小外径的模组满足相同的输出扭矩要求。

利用中空轴设计进行内部线缆布线

该模组采用较大的中心通孔，电源线缆和通信线缆可直接穿过关节。

设计人员可以将线缆穿过中空中心，而不是沿关节外侧布线。这有助于避免外部线缆环和连接器增大组件的径向尺寸。

对于多个关节串联的机械臂和人形机器人肢体，线缆可以穿过连续关节的内部通道布设。这样可以减少对外部线缆槽和防护罩的需求，使整体结构更加紧凑。

权衡编码器配置与空间需求

编码器配置会同时影响模组功能和外围部件所需的空间。

双编码器版本（2E）：模组内置输出侧反馈编码器，无需外接 3.6 V 多圈备用电池。这可以省去独立电池仓和安装支架所需的空间。不过，断电后不会保留多圈位置信息，因此恢复供电后系统可能需要执行回零程序。

单编码器版本：如果所选配置需要多圈备用电池，机器人整体设计必须为电池及其安装结构预留空间。对于断电后需要保留多圈位置信息且安装空间充足的应用，可以考虑此选项。

对于空间受限的应用，双编码器版本可能有助于减少外围部件数量。不过，最终选择还应考虑位置保持要求和机器人的控制策略。

仅在应用需要时选择制动器

该模组提供带制动器和不带制动器两种配置。

如果机器人的机械结构具有独立锁止机构，或者关节在断电时无需保持较大的重力负载，可以考虑选择不带制动器的版本。这有助于缩短模组的轴向长度并简化安装结构。

如果关节在断电时必须保持位置，通常更适合选择带制动器的版本。选型前应评估所需保持扭矩和安全条件。

2. 优化线缆布线：通过改进连接器和布线布局减少外部凸出

不合理的线缆布线会使连接器和线缆弯折处产生不必要的凸出，占用径向和轴向安装空间。这是紧凑型机器人设计中容易忽略的问题。

连接器尺寸和布线要求的详细信息，请参阅产品手册第 4 章“电气接口”和第 7 章“线缆布线”。

优先采用后置板载连接器，省去转接板

所有HPJM 型号均通过板载连接器将通信、电源和电池接口直接集成到电机后盖上。此设计无需额外的外置转接 PCB，因此可以省去转接板厚度及其安装支架占用的空间。

连接器选择：

对于 80–110 mm 及更小尺寸的模组，可使用间距为 1 mm 的 XKB X1002 系列紧凑型连接器。

较大尺寸的模组使用紧凑型 MOLEX 连接器。与 XT60 连接器或更大型的工业圆形连接器相比，这些较小的连接器有助于减少电机后盖后方的轴向凸出。

实际连接器类型应根据模组型号、电流要求和产品手册中的接口规格进行选择。

控制线缆方向并预留连接器间隙

产品手册中的线缆规格表列出了不同接口所需的间隙高度。设计机器人外壳内部空腔时，应遵循这些规定的间隙，避免不必要地增大外壳尺寸。

EtherCAT 和 CAN 通信线缆的连接器需垂直于后盖拔插。连接后，应沿外壳内部空腔布置线缆，并预留足够的弯曲空间。避免线缆向径向外侧弯曲或凸出，以免增大关节整体直径。

电源连接器选择：

对于紧凑型 30–40 mm 模组，可使用间距为 1.25 mm 的 2 针连接器代替 XT30 连接器，以减少电源接口的凸出。在安装空间极为有限时，这一点尤其有用。

对于更高功率的模组，可根据电气规格要求选择 XT30UPB-M 电源插座。

优化多模组网络拓扑，减少冗余线缆

在人形机器人肢体和多关节机械臂中，网络拓扑会直接影响线缆数量和安装空间。

EtherCAT 通信：采用菊花链连接，依次连接 IN 和 OUT 端口。主控制器只需使用一根网线连接到第一个关节模组，相邻模组之间再用短线缆连接。这样可以避免从每个关节分别布设网线回到控制器。

CAN 通信：也可以采用菊花链或手拉手式总线连接。无需将每个关节分别通过独立线缆连接回主控制器。

电源供电：在优先考虑可靠性和电压稳定性的情况下，通常更适合为每个关节单独供电。根据电气架构，也可以考虑树形拓扑。应谨慎采用电源菊花链供电：虽然这种方式可以减少线缆数量，但必须仔细评估压降和电流分配。只有在布线和供电要求允许时，它才更适合低功率模组。

对于高功率关节，单独供电可能需要更多线缆，但有助于更好地控制压降和电源分配。

通过中空轴布线，省去外部线缆槽

电源线缆、CAN 线缆和 EtherCAT 线缆均可穿过关节的中空通孔布设，使线缆保持在机械结构内部。

这样可以减少对外部线缆槽和防护罩的需求。因此，外部壳体可以更贴近模组电机直径设计，无需为裸露线缆额外预留径向空间。

重要布线注意事项：

线缆不得拉得过紧。必须预留足够的松弛量，以适应关节的全部旋转范围。即使在机械行程极限位置，线缆也不得对连接器施加过大的拉力。

还必须避免异物、凸出的扎带和其他部件压靠或阻塞中空通孔的内壁。

3. 优化安装结构：尽量减少机械安装间隙

即使关节模组本身十分紧凑，不合理的安装结构也会增大机器人的整体尺寸。优化定位结构、紧固件布局以及相邻关节之间的接口，有助于消除不必要的装配空间。

采用定位止口，省去中间转接法兰

在机械设计条件允许时，可在负载侧结构件上直接加工定位止口，使其与关节模组的输出法兰相匹配。这样负载侧部件便可直接连接到模组，无需中间转接法兰。

模组的输出法兰已带有定位结构。在负载侧部件上设计匹配结构，可以减少组件的轴向厚度并简化机械连接。

定位配合应根据实际止口尺寸、公差和装配要求进行规定。在适用情况下可考虑 H7/h7 配合，但不应将其视为适用于所有关节安装的通用要求。

还必须控制配合面的圆度、平面度和表面状况。在应用有此要求时，可将 0.01 mm 的平面度公差作为设计目标。避免在精密配合面上涂漆，因为涂层厚度可能影响配合和定位精度。

采用对角顺序紧固螺栓并设计沉孔

在负载侧安装法兰上设计沉孔或埋头孔，确保螺栓头不凸出结构表面。这有助于减少不必要的轴向间隙。

装配时，应按对角顺序紧固螺栓，并遵循规定的紧固扭矩。装配规范要求时，可使用中强度螺纹锁固剂。

避免增加不必要的垫圈或隔套，因为这些部件会增加叠加零件数量和整体安装厚度。但是，如果设计或紧固件制造商的规格要求使用垫圈及其他紧固件，则不得省略。

HPJM 关节集成了交叉滚子轴承，可在额定能力范围内承受径向和轴向载荷。如果内置轴承能够充分承受应用中的外部载荷和倾覆力矩，通常无需额外安装外部支撑轴承。

在没有明确结构要求的情况下增加额外轴承，可能会增大轴向和径向尺寸，还可能导致安装结构过约束，引起振动、异常噪声、过早磨损或使用寿命缩短。

决定是否需要额外支撑前，应始终根据模组技术规格核实外部负载能力和安装结构。

使壳体尽可能贴近安装面

关节模组的后盖应尽可能贴近机器人外壳的安装面，同时满足连接器、线缆安装和维护所需的最小间隙。

外部壳体可围绕电机外径进行设计，以形成紧凑的外形空间。避免设计过大的内部空腔，或在电机壳体与周围结构部件之间留出不必要的大间隙。

这种做法可以减少闲置空间，有助于保持机器人整体结构紧凑。

避免造成不必要间隙的安装错误

一些常见的安装错误会迫使设计人员增大部件之间的间隙，造成安装空间浪费。

这些错误包括仅依靠平面接触而不使用定位止口、定位结构深度不足，以及配合面上残留加工毛刺或凸起。

定位结构不充分时，设计人员可能需要增大安装间隙以避免干涉。这不仅会增大整体尺寸，还可能影响装配一致性。

安装前，应清除负载侧法兰上的毛刺和加工碎屑，并彻底清洁所有配合面，确保部件正确贴合。

将多个关节紧凑地串联布置

对于人形机器人手臂和腿部等多关节结构，紧凑的串联布局有助于缩短肢体整体长度。

在机械接口条件允许时，可将一个关节的输出法兰直接连接到下一个关节的后盖或安装接口。省去不必要的中间隔套和转接结构，同时保留线缆弯曲和装配所需的最小间隙。

如果连接模组的中空通孔彼此对齐，线缆便可沿内部路径穿过连续关节。这样可以减少外部线缆布线，有助于使肢体整体结构更加紧凑。

结论

在紧凑空间内实现高扭矩，并非只是选择更小的机器人关节模组。它需要协同优化模组内部架构、编码器和制动器配置、连接器选择、线缆布线、安装接口以及多关节布局。

HONPINEHPJM 一体化机器人关节模组将关键运动控制组件集成在紧凑的壳体内。充分利用其一体化结构和中空轴设计，并优化周边机械和电气布局，机器人制造商便可在满足扭矩和运动控制要求的同时，减少不必要的安装空间。

对于人形机器人、机械臂和其他多关节系统，有效的空间优化从模组选型阶段开始，并贯穿整个机械和电气设计过程。