如何选择机器人关节电机以提升末端执行器性能？

引言

在设计机器人手臂时，选择合适的机器人关节电机并不仅仅是选择最高扭矩、最小尺寸或最先进的传动技术。每个机器人关节的最终目的都是支持末端执行器的运动和性能。

机器人手臂可使用夹爪、真空工具、相机、焊枪、检测装置、点胶头、螺丝刀或其他专用工具。每种末端执行器对负载能力、运动速度、加速度、定位稳定性和动态响应都有不同要求。

因此，机器人关节电机的选型应从机器人手臂末端所需的性能开始。

末端执行器的质量、重心、尺寸、运动周期、加速度要求和工作任务都会影响机器人关节所需的性能。这些要求随后可转化为电机扭矩、输出速度、减速比、关节质量和传动特性。

在许多机器人系统中，谐波关节电机或行星关节电机均可提供有效的解决方案。最佳选择取决于完整机器人手臂必须实现的性能，而非单个部件的规格。

本文将说明末端执行器要求如何影响机器人关节电机的选型，以及工程师如何根据真实机器人手臂性能评估谐波关节电机和行星关节电机。

为什么机器人关节电机选型应从末端执行器开始？

末端执行器是机器人手臂执行实际工作的部位。

机器人关节电机并非仅通过产生扭矩来创造价值。其作用是驱动机器人手臂的连杆，使末端执行器能够到达、定位、加速、减速，并与工件或周围环境交互。

这意味着，机器人的最终性能应在末端执行器处进行评估。

机器人可能具备足够的关节扭矩，但末端执行器性能仍然不佳。手臂可能在快速运动后振动、加速过慢、需要过长时间才能稳定，或在外部载荷作用下发生位置变化。

因此，机器人关节电机选型的第一步应是明确末端执行器必须实现的目标。

应综合考虑所需负载、工具质量、重心、工作范围、最高速度、加速度、定位稳定性和运行周期。

明确这些要求后，工程师即可评估完整机器人手臂所需的性能，并为每个轴选择合适的机器人关节电机。

末端执行器质量如何影响机器人关节电机要求？

末端执行器组件通常不仅包括工具本身。

完整的机器人末端组件可能包括夹爪、换刀装置、力传感器、相机、电缆、连接器、真空部件、工艺设备以及工件。

所有这些部件都会增加机器人手臂承载的负荷。

但是，机器人关节电机选型不应仅基于质量。

重心位置同样重要。

紧凑且较重的工具所产生的关节力矩，可能低于一个距离机器人法兰较远的较轻工具。

对于简化的静态工况，负载力矩可表示为：

T = m ×g×L

其中，T为所需扭矩，m为质量，g为重力加速度，L为关节轴与重心之间的有效距离。

随着机器人手臂改变位置，有效力臂也可能发生变化。

这意味着，机器人关节电机要求应根据完整运动范围计算，而不是基于单一静态位置。

选择机器人关节电机时，为什么工具惯量很重要？

末端执行器质量只是动态负载的一部分。

工具的转动惯量会对机器人关节电机性能产生重大影响。

即使总质量相对较低，偏离旋转轴较远的工具也可能需要较大的加速扭矩。

转动惯量可简化为：

J = m×r²

其中，J表示转动惯量，m表示质量，r表示质量与旋转轴之间的距离。

与距离的平方关系意味着，增大工具质量与旋转轴之间的距离会显著增大惯量。

在加速和减速过程中，机器人关节电机必须产生额外扭矩。

该动态扭矩可表示为：

T = J× α

其中，α为角加速度。

因此，对于配备长夹爪、检测工具、相机、工艺头或延长换刀装置的机器人手臂，应将惯量与负载能力一并评估。

按静态扭矩判断似乎足够的机器人关节电机，在快速运动时可能无法提供所需的动态性能。

机器人关节电机质量如何影响机器人手臂动态性能？

机器人关节电机的质量会成为机器人手臂本身的一部分。

这对于距离机器人底座较远的关节尤其重要。

靠近手臂末端的重型关节会成为其他机器人关节的下游负载。每个运动周期中都必须对这一附加质量进行加速和减速。

因此，为一个轴选择不必要的大型关节电机可能会增加其他轴的扭矩要求。

这种影响可能会累积。

较大的关节电机会增加下游质量。更高的下游质量可能需要更大的上游电机。更大的上游电机又会为机器人结构增加更多质量。

这就是为什么机器人关节电机选型应考虑完整机器人手臂的质量分布。

对于高速应用，减少不必要的远端质量有助于提高末端执行器加速度，并降低整个机器人的机械负载。

为什么扭矩密度对末端执行器性能很重要？

扭矩密度是选择机器人关节电机时的重要参数，因为机器人系统必须在输出能力、尺寸和质量之间取得平衡。

具有足够扭矩的紧凑型关节电机有助于减小机器人手臂尺寸。轻量化关节可减小下游质量。较低的下游质量可降低其他关节所需的扭矩。

这些优势可以提升末端执行器的动态性能。

但是，目标并非只是选择尺寸尽可能小的机器人关节电机。

尺寸不足的电机可能连续扭矩不足、热容量有限或过载能力较差。

目标是选择能够在输出扭矩、关节质量、安装尺寸和动态要求之间提供适当平衡的机器人关节电机。

这对于设计用于高速搬运、检测、机床上下料和自动装配的机器人手臂尤为重要。

谐波关节电机与末端执行器性能

谐波关节电机通常通过在紧凑的关节结构中集成电机、谐波传动系统及其他运动部件而设计。

当机器人手臂需要在紧凑安装空间内实现高减速比时，这类解决方案具有优势。

对于机器人系统，谐波关节电机能够在支持紧凑机械结构的同时，提供相对于其尺寸较高的输出扭矩。

当安装空间有限，或缩小关节尺寸有助于改善机器人手臂整体设计时，这一点具有价值。

谐波传动技术也适用于需要受控旋转定位的应用。

例如，当所需的扭矩、尺寸和定位性能组合与系统特性相匹配时，用于精密装配、检测、紧凑型自动化设备和受控物料搬运的机器人手臂可从谐波关节电机中受益。

但是，谐波关节电机仍应根据完整机器人应用进行评估。

在最终选择前，应综合考虑所需输出速度、工作周期、外部负载、加速度、机械刚度和末端执行器惯量。

行星关节电机与末端执行器性能

行星关节电机采用行星减速系统，在机器人关节内实现速度与扭矩转换。

行星传动系统广泛应用于工业运动应用中，并可在减速比和性能配置方面提供灵活方案。

对于机器人手臂，当所需输出速度、扭矩、效率和系统配置与应用特性相匹配时，行星关节电机可能是合适的选择。

不同减速比可支持电机速度与输出速度之间的不同关系。

当机器人手臂需要在快速运动与输出扭矩之间实现特定平衡时，这可能会很有用。

不应仅将行星关节电机视为谐波关节电机的低性能替代方案。

这两种技术具有不同的机械特性。

合适的选择取决于末端执行器任务、所需运动曲线、可用安装空间、输出扭矩、速度要求和完整机器人手臂架构。谐波关节电机与行星关节电机对比

谐波关节电机与行星关节电机的比较应从机器人任务开始，而不是笼统地说明哪种技术更好。

当机器人手臂需要紧凑结构、高减速比、高扭矩密度以及在有限安装空间内实现精确旋转运动时，谐波关节电机可能更合适。

当应用需要在输出速度、传动效率、减速比和机械配置之间实现不同平衡时，行星关节电机可能较为适用。

最终决策应考虑完整运行工况。

这包括末端执行器质量、负载、重心、工具惯量、所需速度、加速度、工作周期、机器人手臂尺寸和安装要求。

最佳机器人关节电机不一定是扭矩最高或采用最复杂传动技术的产品。

它是能够使完整机器人手臂高效、可靠地实现所需末端执行器性能的关节电机。

关节刚度如何影响末端执行器稳定性？

末端执行器稳定性受到机器人手臂完整机械结构的影响。

关节、传动系统、轴承、壳体、安装接口和机器人连杆均可能在负载下发生微小机械变形。

这些影响可在整个机器人手臂中累积。

对于长臂展机器人，靠近底座处的微小角位移可能在末端执行器处产生更大的位置变化。

这意味着，仅凭输出扭矩不足以评估机器人关节电机。

当应用需要稳定的工具定位时，也应考虑机械刚度。

这对于涉及精密装配、检测、插装、点胶、抛光及其他末端执行器与工件之间关系必须保持稳定的机器人应用尤为重要。

目标是将关节电机作为完整机械系统的一部分进行评估。

动态响应与末端执行器稳定时间

机器人可能能够快速到达目标位置，但末端执行器仍需要额外时间才能稳定。

在加速和减速后，机器人手臂内部的振动会影响末端执行器的稳定过程。

这一稳定时间可直接影响实际生产周期。

例如，如果机器人必须等待振动减弱后末端执行器才能开始下一项操作，那么提高机器人最高速度并不总能提升生产率。

机器人关节电机选型可通过关节质量、输出惯量、机械刚度、传动特性以及机器人各轴之间的动态相互作用等因素影响这一行为。

因此，对于高速自动化应用，工程师应考虑末端执行器能够多快地移动、停止和稳定。

目标不应只是高最高速度。

目标应是在完整运行周期内实现有效的运动性能。

针对不同末端执行器任务选择机器人关节电机

不同末端执行器对机器人关节电机提出不同要求。

物料搬运夹爪可能需要较强的负载能力和高效的重复运动。精密装配工具可能需要受控定位和稳定运动。视觉系统可能需要低振动和快速稳定。工艺工具可能需要在变化的外部负载下连续运行。

因此，机器人关节电机选型应基于实际工作任务。

任务决定末端执行器要求。

末端执行器要求决定机器人手臂所需性能。

机器人手臂性能要求继而决定每个机器人关节电机的扭矩、速度、质量、刚度和传动要求。

这种系统级方法有助于避免仅根据目录规格选择机器人关节。

机器人关节电机选型的系统级方法

实用的机器人关节电机选型流程首先应明确末端执行器和任务。

完整末端组件应包括工具、负载、传感器、连接器、电缆及其他已安装设备的质量。

随后应评估重心和转动惯量。

可利用所需运动范围、速度、加速度和周期时间来确定机器人手臂的动态性能要求。

随后可利用机械模型估算每个关节在整个工作范围内承受的静态和动态负载。

随后可根据输出扭矩、连续运行要求、速度、质量、尺寸、传动配置和安装条件评估所需的关节特性。

初步选定关节电机后，应将其实际质量和尺寸纳入完整机器人手臂模型。

随后可再次评估系统，以确定所选机器人关节电机如何影响最终末端执行器性能。

这种迭代方法可帮助工程师避免不必要的过度选型，同时保持足够的性能和可靠性。

HONPINE 谐波关节电机和行星关节电机解决方案

HONPINE为机器人和工业自动化应用提供集成运动产品，包括谐波关节电机和行星关节电机解决方案。

不同机器人应用可能需要不同的输出扭矩、减速比、速度、尺寸和关节质量组合。

因此，机器人关节电机选型应考虑完整机器人系统，而非单项规格。

重要的应用信息可包括末端执行器类型、负载、工具质量、重心、机器人手臂臂展、连杆质量、所需输出速度、加速度、运行周期和可用安装空间。

这些参数可为评估每个关节的性能要求提供基础。

根据应用情况，谐波关节电机可为需要高减速比和高扭矩密度的紧凑型机器人架构提供优势。

当需要在输出速度、传动配置和机械要求之间实现不同平衡时，行星关节电机可提供替代解决方案。

通过评估完整机器人手臂以及末端执行器所需的性能，设计人员可为应用选择更均衡的关节电机架构。

结论

机器人手臂的性能最终在末端执行器处衡量。

因此，机器人关节电机选型应从最终任务开始，而非从产品规格开始。

末端执行器的质量和重心会影响关节负载。工具惯量会影响加速度要求。关节质量会影响完整机器人手臂的动态性能。机械刚度会影响末端执行器稳定性。所有机器人关节的综合性能会影响末端执行器移动和稳定的速度。

谐波关节电机和行星关节电机均可为机器人系统提供有效解决方案，但应根据应用的实际要求进行选择。

最佳机器人关节电机并不只是功率最大、尺寸最小或减速比最高的解决方案。

它是能够为完整机器人手臂在扭矩、速度、质量、尺寸、动态性能和可靠性之间提供适当平衡的关节电机。

通过从末端执行器的要求出发，并逆向分析机器人手臂，工程师能够开发出更高效、更面向应用的关节电机架构。

HONPINE为机器人和自动化应用提供谐波关节电机和行星关节电机解决方案，帮助系统设计人员根据完整机器人系统的性能要求评估集成式旋转运动解决方案。