如何为 7 自由度机械臂选择谐波关节执行器？

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。本文将介绍如何为七自由度机械臂选择谐波关节执行器。

七自由度（7-DOF）机械臂比通常用于控制末端执行器在三维空间中位置和姿态所需的六个自由度多一个自由度。这个额外的自由度称为运动学冗余。

通过适当的机械设计和控制算法，这种冗余可提供更高的运动灵活性，支持避障和奇异点规避，并实现类似人臂的柔顺运动。

这些能力使 7-DOF 机械臂在医疗机器人、精密装配、柔性加工以及复杂环境作业等领域的研发中具有重要价值。

那么，应如何为 7-DOF 机械臂选择关节模组？

如何为 7-DOF 机械臂选择谐波关节执行器？

使每个执行器匹配关节的负载要求

在同一执行器系列中，较大的机架尺寸通常可提供更大的输出扭矩，并支持更高的关节负载。然而，执行器应根据各个关节的具体要求进行选择，而非仅依据其型号。

在许多机械臂配置中，距离末端执行器较远的关节需要支撑负载以及机械臂更多的下游部件。因此，这些关节通常需要更大的输出扭矩。

肩关节就是一个典型示例。由于其支撑机械臂的大部分重量，并且与末端执行器负载之间的距离较大，因此该位置通常会选用较大的谐波关节执行器。

相比之下，腕关节需要仔细考虑腕部弯曲和旋转、工具负载以及末端组件的整体质量。当较小、更轻的关节模组能够满足所需的扭矩和运动规格时，通常较为适用。

选择原则是计算每个关节的负载要求，并据此匹配执行器，而不是在整条机械臂上简单使用相同的模组。

示例：HONPINE TCHL 谐波机器人执行器

为说明这一方法，以下以采用 HONPINE TCHL 系列谐波机器人执行器的 7-DOF 机械臂配置为例。

在此示例中，肩部使用TCHL 20 关节模组，腕部使用 TCHL 14 关节模组。

TCHL 14 采用紧凑轻量化设计，具有中空结构和用于线缆布线的通道。这些特点使其可用于空间受限的腕部和机器人颈部组件，其中减轻末端质量是重要的设计目标。

该配置用于说明选型方法，并非适用于所有 7-DOF 机械臂的通用建议。

为什么 7-DOF 手术机械臂需要更先进的谐波关节模组？

七自由度冗余设计结合合适的运动规划和避障技术，可使手术机械臂在受限工作空间内拥有更大的操作自由度。

这种灵活性有助于系统满足复杂外科手术的定位和进入要求。

本文所述的机械臂能力还包括手动引导运动、电机驱动运行、基于 API 的远程控制，以及自动负载识别与补偿。

支持这些功能对关节传感、控制响应和系统集成提出了较高要求。

扭矩传感与快速力控制

对于本文讨论的力控手术机械臂配置，集成式高精度扭矩传感器是关节模组设计的重要组成部分。

这些传感器为力敏控制和碰撞检测提供反馈。该应用所述的性能指标包括 0.5 N 的力控精度和超过 1,000 Hz 的控制更新速率。

其预期能力是在毫秒级对接触力作出响应，以支持插入和受控螺钉旋入等精细任务。

这些指标需要与明确的配置和测试方法关联，不应视为每个关节模组或每台完整机械臂均具备的规格。

高带宽扭矩控制与柔顺运动

高带宽力控制可概括为：

高带宽闭环扭矩控制 + 柔顺控制算法

其目标是使系统的扭矩或力响应足够快速且准确，以满足预期任务需求。

集成式高分辨率扭矩传感器可提供该控制方法所需的反馈。整体响应还取决于传感、驱动和控制算法的集成方式。

基于冗余的运动规划与避障

基于冗余的避障可通过三个关键要素来描述：

运动学冗余 + 零空间投影 + 分层任务优先级优化

额外的自由度使机械臂在保持所需末端执行器任务的同时，拥有更多调整自身构型的选择。

运动规划可协调多个具有不同优先级的目标，例如：

1. 遵守关节限位，以支持安全运行。

2. 在以能效为优化目标的前提下，尽量减少不必要的关节运动和关节速度。

3. 保持合适的机械臂构型，并管理与奇异点的接近程度。

当具有足够的冗余运动空间时，控制器可更灵活地兼顾避障等次要任务。能否满足所有目标仍取决于可用工作空间、关节限位和任务约束。

HONPINE HAG 系列谐波关节模组

针对高要求的运动控制应用，HONPINE 提供 HAG 系列谐波关节模组。

HAG 系列适用于需要精确运动控制和先进力传感能力的应用。安全扭矩关闭（STO）可作为可选功能提供，具体取决于所选型号和配置。

该选项可作为完整机器人系统安全设计的一部分加以考虑。仅凭该选项本身不应被视为确认某个关节模组或机械臂已获准用于特定医疗应用。

在评估HAG 谐波关节模组时，请确认特定配置所需的传感性能、控制接口和可用安全功能。

了解更多适用于 7-DOF 机械臂的谐波执行器

选择谐波关节执行器的第一步，是了解每个关节需要完成的功能。肩关节、肘关节和腕关节对扭矩、重量、安装空间、传感和控制的要求可能不同。

如需了解更多适用于 7-DOF 机械臂的谐波旋转执行器和关节模组信息，请联系 HONPINE。