如何选择和使用机器人关节模块？

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。在本文中，我将以 HONPINE HPJM 谐波关节模组系列为例，介绍如何选择和调试机器人关节模组，内容涵盖机械安装、电气接线、通信配置和控制设置。

机器人关节模组将驱动电子装置、减速机构、编码器和制动器集成在一个紧凑的圆柱形组件中。不过，收到模组并不意味着机器人已经可以运行。选型不当可能迫使您重新设计接线和通信架构，而连接不当则可能导致通信错误，并在调试过程中反复报警。

实施工作常常因缺少一套将产品选型与成功运行衔接起来的清晰流程而延误。了解完整的工作流程，有助于工程师避免不必要的修改，并让系统更高效地投入运行。

1. 如何选择机器人关节模组：以 HPJM 系列为例

HONPINE HPJM 系列的外径范围为 30 至 170 mm，各种规格均提供单编码器和双编码器配置。这为不同尺寸的关节提供了多种选择，适用于从灵巧手中的紧凑型关节到大型人形机器人的髋关节等应用。

应尽早确定的一项选择是通信接口。单编码器 HPJM 模组采用 CAN 通信，双编码器版本支持 CAN 和 EtherCAT。手部应用通常采用 RS-485，具体取决于所选执行器和系统架构。

在 HONPINE，我们强调在完成机械设计之前确定通信总线和电源架构。这些决策会影响控制器、布线布局和集成方案。如果等到原型组装完成后才确定，可能会导致不必要的修改。

2. 为什么集成式关节模组更易于安装和使用？

现代轻型关节模组的主要优势之一，是许多集成工作已在工厂完成，从而简化客户的实施过程。HPJM 谐波关节模组将伺服驱动器、编码器系统、无框力矩电机、制动器和谐波减速器集成在一个组件中。

这种集成设计简化了安装和运行，同时减少了日常维护需求。大通孔还可为线缆和气动管路留出布线空间，帮助工程师整理机器人内部的连接线路。

机械安装仍需谨慎处理。虽然模组简化了集成，但安装精度仍须由周边结构保证。机械部件必须确保安装面和对中精度符合要求。集成式设计并不意味着可以忽视安装的精确性和牢固性。

3. 电气接线：电源与通信

电气接线主要包括电源和通信两类连接。这两类连接都需要谨慎处理，因为连接错误可能导致模组无法运行或在调试过程中发生故障。

HPJM 模组采用矩形电源连接器，并设有指定的正、负极端子。连接电源前，请根据具体型号的连接器图纸确认极性。CAN 接口有三个连接端：H 为 CAN 高电平，L 为 CAN 低电平，G 为地线。

EtherCAT 接口提供独立的 IN 和 OUT 端口，通信信号包括 Tx+、Tx−、Rx+ 和 Rx−。采用 T568B 线缆颜色编码时，这些信号分别对应白/橙、橙、白/绿和绿。准备或检查线缆时，务必遵循模组指定的连接器引脚定义。

在双编码器模组上，EtherCAT 和 CAN 接口可以同时存在。不过，两个接口的控制指令不能同时生效。EtherCAT 的优先级高于 CAN，因此控制器配置必须考虑预期的指令来源。

4. 通信配置：CAN 和 EtherCAT

通信将各个关节连接成一个协同工作的机器人系统。CAN 和 EtherCAT 各有不同的配置要求，选择时应考虑控制器平台、关节数量和所需更新频率。

HPJM 系列标称的 CAN 通信速率为 1 Mbps。在使用 7 台电机的应用中，通信更新频率约为 300 Hz。每个模组都必须分配唯一的 CAN ID。按顺序分配 ID，有助于管理、排查和扩展包含多个模组的系统。

HPJM 系列支持 100 Mbps 的 EtherCAT 通信，支持的通信更新频率最高可达 4 kHz。EtherCAT 的设计目标是在多个从站设备间保持较短的通信周期。实际可实现的更新频率仍应根据具体主站、网络配置和过程数据要求进行确认。

EtherCAT 系统由一个主站和多个从站组成。主站可以是 TwinCAT 或 CODESYS 等软件平台，也可以是 Inovance、HCFA 等制造商提供的兼容 PLC。在初期测试阶段，使用运行 TwinCAT 或 CODESYS 的计算机，可以方便地验证通信和基本运行情况。

连接网络时，将主站的 EtherCAT 连接线接至第一个从站的 IN 端口，再将该从站的 OUT 端口连接到下一个从站的 IN 端口。其余模组依此连接。保持正确的 IN 至 OUT 连接顺序，有助于确保网络拓扑和从站识别符合预期。

5. 控制与调试：使关节运动起来

完成接线和通信配置后，下一步是让关节正确响应控制器。可用的运行模式包括位置控制、速度控制、电流或转矩控制，以及力位混合控制。这些模式适用于从定位、轨迹跟踪，到与人员、工具及周围环境进行柔顺交互等应用。

HPJM 关节电机遵循 IEC 61800-7 框架和 CiA 402 驱动器状态机。实际调试过程依次包括初始化、禁用状态、准备就绪、使能和运行。控制器必须针对每次状态转换发出相应指令，而不能在上电后立即发送运动指令。具体的状态转换顺序和 controlword 设置应遵循所选模组的文档说明。

HPJM 模组还提供报警代码以及绿色和蓝色状态指示灯，便于故障排查。常见问题包括 CAN 接口无法打开、通信设备已被其他应用程序占用、驱动芯片故障、过压、欠压和编码器故障。相应的故障排查说明介绍了如何检查和解决这些情况。

调试期间，在发送运动指令之前，应读取状态字和任何活动故障信息。这有助于识别实际问题，减少不必要的反复尝试。

6. HONPINE 如何帮助客户避免选型失误

HONPINE 提供多个机器人关节模组系列，以满足不同的应用需求。我们的谐波关节模组包括HPJM、TCHL和HAG系列；我们的行星关节模组包括JRM和HPA系列。在选型初期，我们会评估客户的预算和运行工况，并推荐合适的配置。

成功应用机器人关节模组需要完成五个相互关联的步骤：选择正确的规格、准确牢固地安装模组、完成电气接线、配置通信网络，以及根据驱动器状态机对模组进行调试。每个步骤都有助于确保可靠运行，而前期的决策会影响后续工作。

在选型、原型开发、小批量生产和批量交付的全过程中，HONPINE 均提供专属的一对一技术支持。请告知我们您的关节负载要求、控制器平台和生产计划，我们将协助您选择适用于具体应用的机器人关节模组。