如何选择机器人关节执行器：工程师应检查的 3 项关键标准？

选择机器人关节执行器并非只是选择扭矩最大或尺寸最小的型号。对于工业机器人、协作机器人、人形机器人及其他机器人系统，执行器选型会直接影响关节性能、控制稳定性、机械集成和开发周期。

合适的机器人关节执行器需要满足各关节的机械要求，同时还要与机器人的编码器、控制器、通信网络和电源架构正确配合。

对于开发机械臂或人形机器人的工程师而言，在比较执行器规格之前，有三个标准尤其值得关注：扭矩与减速比匹配、编码器与通信兼容性，以及制造商的技术文档和集成支持。

1. 比较机器人关节执行器前，先计算扭矩和减速比

选择机器人关节执行器的第一步，是计算每个关节的实际负载要求。

机器人并非每个关节都需要相同的执行器。肩、肘、髋、膝、腕等关节的负载、力臂、运动曲线和所需加速度不同，其扭矩要求可能存在显著差异。

工程师不应从产品目录开始，而应先明确每个关节所需的持续扭矩、峰值扭矩、速度、减速比和工作周期。

必须分别考虑持续扭矩和峰值扭矩

持续扭矩是指执行器在正常运行期间能够输出的扭矩，而峰值扭矩与短时加速、减速、外部负载或动态运动有关。

仅以峰值扭矩作为选型标准，可能导致执行器在参数上看似足够强大，却不适合持续运行。

因此，机器人关节的选型过程应考虑：

• 持续或额定扭矩

• 峰值扭矩

• 关节速度

• 所需加速度

• 减速比

• 工作周期

• 外部径向和轴向负载

• 工作温度

• 可用安装空间

实际扭矩要求应根据机器人的机械结构和运动曲线进行计算，而不是根据执行器的最大规格进行估算。

减速比直接影响机器人关节性能

减速比是选择机器人关节执行器时的另一项重要参数。

较高的减速比能够提高输出扭矩和定位分辨率，但也可能影响输出速度、折算惯量、效率和可反驱性。

因此，应结合电机特性和关节要求选择减速比。

例如，高负载的肩关节或髋关节可能优先考虑高输出扭矩和扭矩密度，而腕关节则可能更重视紧凑尺寸、低惯量和动态响应。

这也是为什么机器人可能会在不同关节使用不同尺寸和减速比的执行器，而不是在整台机器人中使用同一种执行器型号。

使执行器架构与关节相匹配

不同的传动技术也会影响最终的关节设计。

对于需要高减速比、紧凑尺寸、低回差和高定位精度的机器人关节，谐波执行器可能具有吸引力。在优先考虑扭矩密度、效率、速度或机械架构的场景中，行星传动执行器可提供另一种选择。

关键在于，应根据关节的实际机械要求选择传动类型，而不是简单地选择标称扭矩最高的技术方案。

对于机器人制造商而言，一种实用方法是在联系供应商之前创建逐关节需求表。这样可以依据相同的工程标准，评估执行器尺寸、减速比、电机额定参数和编码器配置。

2. 编码器和通信配置会决定集成时间

扭矩和机械尺寸决定执行器能否在物理上驱动关节。然而，编码器和通信配置决定了执行器能否轻松集成到机器人控制系统中。

这在机器人开发早期阶段经常被低估。

机器人关节执行器可能具有出色的机械性能，但如果其编码器接口、通信协议、布线或控制架构与机器人现有系统不匹配，仍可能带来大量集成工作。

单编码器还是双编码器？

应根据机器人的控制架构评估编码器配置。

单编码器可为某些关节控制系统提供足够的反馈。要求更高的机器人关节则可能受益于双编码器架构，其中电机侧和输出侧的反馈可用于更先进的运动控制。

两个反馈位置可提供有关传动和关节运动的不同信息。

例如，电机侧反馈对于电机换相和高速控制可能很重要，而输出侧反馈可提供关于实际关节位置更直接的信息。

对于需要高定位精度、柔顺控制、力控制或先进传动补偿的应用，工程师应评估单编码器架构是否足够。

还应考虑编码器分辨率。更高的编码器分辨率可提供更精细的位置反馈，但实际改善效果取决于整个控制系统、机械刚度、传动特性和伺服整定。

CAN、CANopen、EtherCAT 或其他接口？

通信协议是选择机器人关节执行器时的另一项重要考虑因素。

CAN 和 CANopen 因其架构相对简单且适用于多轴通信，常用于分布式运动系统。

当机器人需要在多个关节与中央控制器之间进行高速同步通信时，EtherCAT 可能具有优势。

正确的选择取决于机器人的整体控制架构。

在采购执行器之前，工程师应确认：

• 支持的通信协议

• 通信周期要求

• 节点或轴配置

• 布线和连接器定义

• CANopen 对象字典或等效通信文档

• 适用时的 EtherCAT 配置文件

• 错误代码和诊断信息

• 参数配置方法

• 固件和软件兼容性

不应将执行器视为独立电机进行评估，而应将其作为完整机器人控制系统的一部分进行评估。

文档比更高额定参数的执行器更能节省时间

最常见的集成问题之一不一定是硬件故障，而只是缺乏技术信息。

如果制造商仅提供基础规格表，工程师可能仍需要自行确定连接器引脚定义、通信参数、编码器设置、控制命令、故障代码和调试程序。

能够提供完整技术文档的供应商可以显著减少这种不确定性。

对于机器人关节执行器，有用的文档应包括产品数据表、接线图、通信协议、参数列表、控制说明、机械图纸和故障排除信息。

理想情况下，应在作出采购决定之前而不是执行器到货后提供这些文档。

3. 评估制造商的技术文档和工程支持

第三项标准经常被忽视，因为它不会出现在传统的执行器规格表中。

但是，对于机器人制造商和系统集成商而言，供应商的工程支持会直接影响开发时间。

执行器只是机器人关节的一个组件。工程师仍需要将其集成到机械结构、电气系统、通信网络和运动控制软件中。

因此，具备技术能力的执行器供应商应提供的不仅仅是产品目录。

下单前检查技术文档

在选择机器人关节执行器之前，应向供应商索取完整技术资料包。

至少应检查制造商能否提供：

机械文档：3D 模型、尺寸图纸、安装信息、轴规格、允许负载和安装要求。

电气文档：连接器定义、接线图、电压要求、电流额定值、制动器接线和编码器接口。

控制文档：通信协议、控制参数、运行模式、错误代码和调试说明。

性能文档：额定扭矩、峰值扭矩、速度、减速比、效率、回差、重复定位精度、编码器分辨率和工作条件。

故障排除文档：过温保护、过载行为、制动器运行、通信故障、编码器错误及其他常见问题。

这些文档的质量，是评估供应商是否真正具备机器人应用工程经验的一种实用方式。

机械集成与额定扭矩同样重要

机器人关节执行器可能满足扭矩要求，但仍可能因其机械外形尺寸而不适用。

因此，工程师应评估完整的执行器组件，包括：

• 整体直径

• 轴向长度

• 重量

• 安装接口

• 输出轴或法兰

• 电缆走线

• 空心轴要求

• 制动器配置

• 编码器位置

• 冷却要求

这对于人形机器人和紧凑型机械臂尤为重要，因为每一克重量和每一毫米尺寸都会影响整体机械设计。

高扭矩密度的紧凑型执行器有助于减小关节尺寸和机器人质量，但前提是执行器的安装和电缆架构与机器人兼容。

应尽早确认环境条件

执行器的额定扭矩和速度通常是在规定的运行条件下给出的。

温度、湿度、振动、安装方向、工作周期和冷却条件都会影响实际性能。

例如，在较高温度下运行可能触发热保护或需要进行扭矩降额。低温运行也会改变润滑和摩擦特性。

因此，如果机器人系统将在接近执行器环境极限的条件下运行，工程师应在最终确定执行器型号前，向制造商索取建议的降额条件。

谐波执行器与其他机器人关节执行器架构

对于精密机器人关节，关键决策之一是使用谐波执行器、行星执行器，还是其他集成传动架构。

谐波执行器将电机与谐波减速机构结合，可在相对紧凑的组件中提供高减速比。这使该架构尤其适用于对空间、重量、定位精度和回差有要求的机器人关节。

然而，谐波传动并非自动成为每个关节的最佳选择。

选型应考虑完整的要求组合，包括扭矩、速度、效率、回差、刚度、可反驱性、重量、尺寸、工作周期和控制要求。

例如，高精度机器人腕关节可能更重视紧凑性和定位性能，而重载关节则可能优先考虑扭矩密度和热容量。

因此，正确的问题不是“哪种执行器的扭矩最高？”，而是“在可用的机械和电气约束条件下，哪种执行器架构能够提供所需的关节性能？”

实用的机器人关节执行器选型流程

实用的选型流程可分为三个阶段。

第一，计算每个关节的机械要求。确定持续扭矩、峰值扭矩、速度、加速度、减速比、工作周期、允许关节尺寸和最大重量。

第二，确定电气和控制架构。确认电机电压、编码器配置、通信协议、控制器兼容性、制动器要求、布线和反馈架构。

第三，评估供应商的技术支持。索取机械图纸、3D 模型、接线图、通信文档、参数定义、故障排除信息和样机调试程序。

这一流程有助于避免机器人开发中的常见错误：依据少数几个主要规格选择执行器，却在原型机已装配完成后才发现集成问题。

为什么扭矩密度在机器人关节执行器选型中很重要？

对于现代机器人系统，扭矩密度值得特别关注。

机器人关节必须产生足够的扭矩，同时尽可能少地增加质量和体积。这对于人形机器人和轻量化机械臂尤为重要。

安装在末端关节的较重执行器还会增加上游关节必须承受的负载，从而可能在机器人的整体机械结构中产生连锁影响。

因此，工程师应结合执行器重量和尺寸评估扭矩，而不是将扭矩视为独立规格。

一项有用的工程指标是输出扭矩、执行器质量和安装体积之间的关系。

这正是紧凑型谐波执行器和集成式机器人关节执行器对于需要高扭矩密度的应用而言特别有价值的地方。

向机器人关节执行器制造商提出的问题

下单前，机器人制造商应能够获得几个实用问题的明确答案。

执行器能否在实际工作周期内提供所需的持续扭矩和峰值扭矩？

为满足所需关节速度，可提供哪些减速比？

支持何种编码器配置？

执行器是否兼容 CAN、CANopen、EtherCAT 或机器人的现有通信架构？

是否提供机械图纸和 3D 模型？

是否提供完整的接线图和连接器定义？

制造商能否提供通信文档和调试支持？

发生过载或过温情况时会怎样？

如果关节需要在断电后保持位置，是否提供制动器？

供应商能否支持定制化的机械、电气或通信要求？

这些问题通常比传统产品宣传册更能说明供应商是否适合。

结论：将机器人关节执行器作为完整系统进行选择

在 2026 年选择机器人关节执行器时，不应从简单比较扭矩数值开始。

更好的方法是遵循实际工程决策顺序：首先使扭矩、速度和减速比与机械要求相匹配；然后验证编码器和通信兼容性；最后评估制造商的文档和工程支持。

对于机器人系统而言，执行器性能不仅取决于电机和减速器，还取决于传动装置、编码器、控制器、机械结构和控制软件之间的相互作用。

对于开发工业机器人、协作机器人、人形机器人及其他精密机器人系统的制造商而言，这种系统级方法可以降低集成风险，并缩短从执行器选型到形成可工作的机器人关节的路径。

HONPINE 开发用于机器人和工业自动化应用的集成运动解决方案，包括谐波伺服执行器、谐波机器人关节模块、直流驱动轮模块和精密传动部件。通过综合评估执行器扭矩、传动架构、反馈配置、机械集成和控制兼容性，工程师可以选择不仅在参数上强大，而且便于集成到最终机器人的机器人关节执行器。