如何为机器人机械臂选择合适尺寸的机器人关节模组？实用工程指南

简介

为机器人选择合适的机器人关节模组是机械臂设计的重要环节，但关节选型不应从简单比较电机扭矩额定值开始。机械臂是一个耦合机械系统，一个关节的性能可直接影响其他关节的负载、惯量和动态性能要求。

一种常见方法是根据机器人的额定负载选择关节模组。这可能导致设计过大或过小，因为负载只是总载荷的一部分。关节还必须驱动下游机械结构，包括连杆、末端执行器、电缆、传感器和其他集成组件。在加速和减速过程中，需要额外扭矩来克服转动惯量。因此，所选关节必须在保持适当安全裕量的同时，满足静态和动态要求。

关节质量是另一个容易被忽视的因素。较重的关节可能具有更大的扭矩能力，但如果额外质量安装在远离机器人底座的位置，则会增加机械臂其余部分承受的惯性负载。这最终可能需要更大的上游电机，并降低整个系统的加速性能。

因此，机器人关节尺寸选型的目标并不是选择可用的最大关节，而是确定能够满足所需扭矩、速度、刚度、热性能和使用条件的最小实用关节，同时避免不必要地增加机械臂的质量和惯量。

本文介绍了一种用于机械臂机器人关节模组选型的实用工程方法，重点涵盖负载计算、转动惯量、关节质量、扭矩密度、机械集成和系统级优化。

1. 机器人关节选型应从机械模型开始

在选择机器人关节模组之前，应将机械臂表示为包含连杆尺寸、连杆质量、负载、末端执行器、关节位置和近似重心的机械模型。

该模型的目的不一定是在项目初期创建复杂仿真。简化的机械模型已可提供有关各轴扭矩要求的宝贵信息。

对于每个关节，工程师需要了解该关节必须驱动多少下游质量，以及这些质量距离关节轴线有多远。

简单的静态近似可表示为：

T = m × g × L

其中，T 表示重力扭矩，m 表示下游质量，g 表示重力加速度，L 表示关节轴线与质心之间的垂直距离。

该方程说明，所需扭矩不能仅根据负载确定。机器人自身连杆和组件的质量可能成为扭矩要求的重要组成部分，特别是在机械臂处于伸展位置时。

因此，正确的关节尺寸选型流程应从机械结构开始，而不是从产品目录开始。

2. 负载只是关节载荷的一部分

当机械臂被描述为具有一定负载能力时，很容易认为负载决定了所需的关节扭矩。

实际上，关节负责驱动完整的下游总成。

根据机器人结构的不同，这可能包括负载、末端执行器、连杆、轴承、电缆、传感器以及位于机械臂更远端的其他关节模组。

质量距离关节轴线越远，其对重力扭矩的贡献越大。

例如，当机械臂水平伸展时，关节轴线与下游质心之间的距离可能显著增加。机械臂折叠时产生相对较小扭矩的相同负载，在机械臂完全伸展时可能产生更大的扭矩。

这意味着，关节尺寸选型应考虑具有代表性及最不利的机器人姿态，而不是依赖单一标称位置。

实际问题不仅仅是：

"机器人的负载是多少？"

而是：

"在最严苛的工作条件下，该关节必须驱动的下游总质量是多少，该质量位于何处？"

这一差异是设计可靠机械臂的基础。

3. 动态运动会增加惯性扭矩

静态扭矩计算提供了有用的起点，但对于需要快速加速和减速的机械臂而言，这还不够。

在动态运动过程中，关节还必须产生扭矩，以加速下游结构的转动惯量。

基本关系为：

T_inertia = J × α

其中，J 表示等效转动惯量，α 表示角加速度。

因此，总扭矩要求可视为：

T_required = T_gravity + T_inertia + T_external

外部项可能包括由末端执行器、工艺负载、电缆力或其他应用特定扰动产生的力。

当机械臂用于高速拾放、机床上下料、装配、检测或其他需要频繁加速和减速的应用时，这一点尤为重要。

在静态条件下看似足够的关节，在动态运行期间可能需要显著更大的扭矩。

因此，工程师应尽可能采用实际运动曲线。仅最大速度并不能确定动态扭矩要求。加速度、减速度、负载分布以及运动结构的转动惯量同样重要。

4. 关节质量会改变整个机器人的要求

机器人关节尺寸选型中最重要的考虑因素之一，是所选关节本身的质量。

当关节模组安装到机械臂中时，其重量会成为其他关节下游负载的一部分。

这意味着选择较重的关节可能改变整个机械系统的扭矩要求。

考虑一个简单示例。如果在机械臂末端附近安装较重的关节，其质量会增加靠近机器人底座的关节必须加速的负载。如果额外质量需要更大的上游关节，则上游关节本身也会变得更重，进而再次增加负载。

这就在关节尺寸与机器人质量之间形成了系统级关系。

考虑转动惯量时，这种影响会更加显著。对于简化的点质量，转动惯量可近似为：

J = m × r²

其中，m 为质量，r 为距旋转轴的距离。

由于距离为平方关系，远端质量相对较小的增加，可能对上游关节所承受的惯量产生不成比例的大影响。

这就是为什么选择扭矩能力过大的关节有时会降低整体机器人性能，而不是提高性能。

通常，最佳关节是在不增加不必要质量的前提下提供足够性能的关节。

5. 扭矩密度是机械臂设计的关键参数

对于机械臂而言，最大扭矩很重要，但不应孤立地看待。

扭矩密度为比较机器人关节模组提供了另一种有用方式。

从实际角度看，扭矩密度描述了关节相对于其质量或物理体积所能提供的输出扭矩。

高扭矩密度关节可在保持机器人结构紧凑轻量的同时提供所需输出扭矩。

当关节安装在远离机器人底座的位置时，这一点尤为有价值。

降低远端质量可减少上游关节的扭矩和惯量要求。因此，轻量化、高扭矩密度关节的优势可延伸至其安装轴以外。

例如，如果紧凑型谐波关节模组能够以低于较大替代方案的质量提供所需扭矩，那么远端重量的降低可改善机械臂整体的机械平衡。

这有助于实现更高加速度、更低能耗、更小结构负载和更优动态响应。

因此，在比较候选机器人关节电机或谐波机器人关节模组时，工程师应考虑输出扭矩、关节质量、外形尺寸与实际应用要求之间的关系。

6. 不要以相同理由过度放大每个关节

在整个机械臂中使用超大关节似乎可以简化工程设计，因为同一产品可用于多个轴。

但是，这种方法可能带来不必要的质量和成本。

适用于高负载轴的关节，对低负载轴而言可能过大。在不需要的位置安装更大的关节会增加机器人质量，却不一定提高其有效性能。

额外质量还会增加其他关节的负载。

对于机械臂制造商，更好的目标是建立具有多种合适尺寸和扭矩等级的标准化关节平台。

这样既可保持相同的基本机械和电气设计理念，又可根据每个轴的实际要求选择不同的关节能力。

标准化可降低工程和生产复杂性，但标准化并不意味着每个轴都应使用完全相同的关节。

理想的方法是在保持适当扭矩重量平衡的同时，尽量减少关节变型数量。

7. 必须结合扭矩评估机械尺寸

机器人关节模组必须装入机械臂结构内，但紧凑的外形尺寸不应脱离所需机械性能单独评估。

可用安装空间、安装接口、关节长度、输出结构、轴承布置、电缆走线和周边组件都会影响最终关节设计。

扭矩充足但轴向长度过大的关节，可能需要对机械臂结构进行重大重新设计。

同样，紧凑型关节可能在机械上适配，但其连续扭矩或热容量不足以满足预期工作周期。

这就是为什么关节选型应与机械设计同步进行。

对于每个候选模组，工程师应将产品的扭矩和速度特性与其整体尺寸和质量进行比较。目标是确定该关节能否在可用机械空间内满足机器人的性能要求。

对于紧凑型机械臂，扭矩、质量、直径和安装体积之间的这种平衡，可能比任何单项规格都更重要。

8. 应根据运动曲线评估连续扭矩和峰值扭矩

机械臂在运行过程中的扭矩要求并非恒定不变。

不同的机器人姿态和运动阶段可能产生显著不同的负载。

在加速期间，由于关节必须克服转动惯量，所需扭矩可能增加。在持续保持静态姿态时，重力扭矩可能成为主导因素。在快速减速期间，系统可能经历另一种高扭矩工况。

因此，工程师应区分连续运行和峰值运行要求。

关节可能具有满足短时加速事件的峰值扭矩，但如果其热容量不足，仍可能不适合连续运行。

相反，仅为提高峰值扭矩能力而选择非常大的关节，可能会带来不必要的质量。

正确的方法是将关节的连续和峰值能力与实际机器人运动曲线进行比较。

对于涉及重复循环的应用，还应考虑工作周期，因为平均热负载可能与瞬时峰值负载有很大差异。

9. 应通过完整机器人模型验证关节选型

初始扭矩计算只是开始。

一旦选定候选关节模组，就应将其实际质量和尺寸纳入机械臂模型。

这很重要，因为所选关节会成为机械系统的一部分。

例如，如果初始计算假设关节质量为 1 kg，而所选产品质量为 1.8 kg，则应更新下游质量计算。额外质量会改变上游关节所需的扭矩。

同样的原则也适用于重心和转动惯量。

因此，实用的工程流程是迭代式的。设计人员首先估算所需扭矩，选择合适关节，使用实际关节质量和尺寸更新机器人模型，重新计算系统要求，然后确认所选模组是否仍然合适。

这种方法比一次性选择所有关节并假定原始计算仍然有效更可靠。

10. 实用示例：6 轴机械臂尺寸选型

设想一台负载约为 2 kg、臂展约为 500 mm 的 6 轴机械臂。

仅凭这两个数值不足以确定正确的关节模组。还必须考虑连杆质量、关节质量、末端执行器重量、负载重心、加速度、速度和机器人姿态。

设计流程可从建立机械臂的简化机械模型开始。

对于每个关节，计算下游总质量及其重心。然后确定最严苛代表性姿态下的重力扭矩。

接下来，根据所需角加速度计算惯性扭矩。

然后可将所得扭矩要求与候选关节模组进行比较，同时考虑其质量、直径、长度、速度、刚度和热特性。

选择初步模组后，将其实际质量添加到机器人模型中并重复计算。

这个迭代过程可能表明，一个看似有吸引力的高扭矩关节不必要地过重，或者扭矩密度更高的较小关节能提供更优的整体解决方案。

因此，最终选型应基于完整机械臂，而不是孤立的产品规格。

11. 谐波关节模组如何支持紧凑型机械臂

谐波传动广泛应用于机器人运动系统，因为其可提供高减速比、紧凑尺寸、高扭矩密度和低背隙。

集成到机器人关节模组中时，谐波传动可与电机、编码器及机器人架构所需的其他功能相结合。

当机器人安装空间有限时，这种集成的价值尤为明显。

紧凑型谐波关节执行器可减少需要封装到机器人结构中的独立组件数量，并可简化机械集成。

然而，仍应根据机器人的实际要求选择合适的谐波关节。

减速比、输出扭矩、速度、关节质量、尺寸、刚度、热性能、编码器配置和控制接口，均应在系统设计中加以考虑。

集成关节的目的并不仅仅是将多个组件组合到一个壳体中，而是提供可纳入机械臂机械与控制架构的实用运动单元。

12. 应在机械设计期间考虑电气与控制集成

尽管本文重点讨论机械尺寸选型，但不应将电气集成推迟到机械设计完成之后。

所选机器人关节模组需要与机器人的电源、控制器、通信架构和反馈系统配合工作。

对于集成关节，工程师应确认所需供电电压、电流能力、通信接口、编码器配置、驱动器架构和可用反馈数据。

这些信息会影响整体机器人架构，特别是在多个关节模组由共用 DC 电源系统供电时。

在机械设计期间还应考虑电源和通信电缆的物理走线。能够提供合适内部电缆通道的关节，可简化完整机械臂的封装。

关键原则是同时评估机械与电气集成，而不是将关节视为孤立的电机组件。

13. 机器人关节尺寸选型的系统级方法

可靠的机器人关节尺寸选型流程可概括为几个相互关联的工程阶段。

第一阶段是定义机器人几何结构和运行条件，包括连杆尺寸、质量分布、负载、末端执行器、速度、加速度和工作周期。

第二阶段是计算每个轴的静态和动态扭矩要求。

第三阶段是根据扭矩、速度、质量、尺寸、刚度和热能力比较候选关节模组。

第四阶段是将所选关节质量纳入完整机械模型，并重新计算上游要求。

第五阶段是在机器人的实际运行条件下验证最终配置，包括代表性姿态、加速度、连续运行和热负载。

该流程可避免一种常见设计错误，即在未考虑各关节对完整机械臂影响的情况下独立选择每个关节。

14. HONPINE 如何进行机器人关节模组选型

HONPINE 为机器人和工业自动化应用提供谐波减速器、谐波关节电机、谐波旋转执行器、行星减速器和集成运动解决方案。

对于机械臂项目，关节选型可根据机械系统的实际要求进行评估，而不是简单地将负载数值与电机扭矩额定值匹配。

关键参数包括负载、机械臂臂展、连杆质量、关节速度、加速度、工作周期、安装尺寸、所需扭矩、电源和控制架构。

这些参数可用于评估电机、谐波传动、编码器、驱动架构和机械接口的适当组合。

对于定制机器人应用，关节选型流程可从机器人的机械模型和负载要求开始。然后，可根据候选关节模组的扭矩能力、质量、尺寸、速度和集成要求对其进行评估。

这种方法使关节架构能够与机械臂一起优化，而不是将关节视为独立组件。

15. 机器人关节模组尺寸选型检查清单

在最终确定机器人关节模组前，工程师应验证关节与机械臂之间的完整关系。

应计算每个轴的下游质量，包括负载、末端执行器、连杆、电缆、传感器和关节需要驱动的其他组件。应在代表性和最不利机器人姿态下考虑重心。

应分别计算静态重力扭矩和动态惯性扭矩。然后应将所需连续扭矩和峰值扭矩与实际运行周期进行比较。

所选关节的质量应纳入完整机器人模型，因为它可能改变上游关节的扭矩和惯量要求。

工程师还应比较扭矩密度、关节尺寸、速度、刚度、热能力、机械接口、电缆走线、电源和控制兼容性。

最终目标是选择满足机器人性能要求，同时不增加不必要质量或机械复杂性的关节。

结论

为机械臂进行机器人关节模组尺寸选型是一项系统级工程问题。

负载只是计算的一部分。关节还必须驱动下游连杆、末端执行器、电缆、传感器和其他组件。在动态运行期间，转动惯量和加速度会产生额外的扭矩要求。同时，所选关节的质量会影响其他关节承受的负载和惯量。

这就是为什么简单选择最高扭矩关节很少是最佳设计策略。

更有效的方法是计算每个轴的负载，评估重力和惯性扭矩，考虑候选关节模组的质量和扭矩密度，然后在机械模型中纳入所选组件以验证完整机械臂。

对于紧凑型和精密机械臂，尺寸适当的谐波机器人关节模组可提供紧凑封装、高扭矩密度、高减速比和精确旋转运动的有效组合。

目标不是让每个关节尽可能强大。

目标是建立平衡的关节架构，使每个模组都能提供所需性能，同时让完整机械臂保持轻量、响应迅速且机械效率高。

HONPINE 为机器人和自动化应用提供谐波传动和集成运动解决方案。对于具体机械臂项目，提供负载、臂展、连杆质量、关节速度、加速度、工作周期和安装要求，可为评估适当的机器人关节模组提供坚实基础。