用于人形机器人腰部关节的大通孔谐波关节执行器：实用选型指南

腰部关节是人形机器人中对运动性能要求最高的关节之一。与传统机器人手臂关节不同，它必须支撑上半身，同时应对弯曲、扭转、姿态转换以及持续变化的动态载荷。与此同时，关节还需要在紧凑的空间范围内为电缆、传感器和结构部件提供充足的内部空间。

这种对负载能力、紧凑集成、精密运动和内部布线的综合要求，使大通孔谐波关节执行器成为人形机器人腰部关节的重要解决方案。工程师不能仅根据额定扭矩或减速比来选择关节，还需要考虑完整的执行器架构，包括中空通孔、谐波传动、电机、编码器、机械刚度、动态载荷能力和使用寿命。

本文介绍为人形机器人腰部关节选择谐波关节执行器时的关键考量因素，重点关注大通孔中空设计及实际运行工况。

为什么人形机器人腰部关节需要大通孔谐波关节执行器？

腰部关节的机械作用与人形机器人手臂和腿部中使用的许多轻量化关节不同。

它支撑上半身，并参与站立、弯曲、扭转、转向和姿态调整等运动。因此，执行器必须提供足够的输出扭矩和机械刚度，同时保持足够紧凑，以便安装在机器人的躯干内部。

同时，腰部通常是一个高度集成的区域。电源电缆、通信电缆、编码器线路、传感器连接线及其他内部部件可能需要穿过关节或围绕关节布置。

大通孔中空谐波关节执行器可通过将大尺寸中心通孔、紧凑型执行器架构和高精度谐波传动相结合，满足这些要求。

中空结构可为内部电缆和传感器布线提供额外空间，而集成式执行器设计可减少腰部机构内需要安装的独立部件数量。

对于人形机器人应用，低回差和高重复精度同样重要。在转向、弯曲和扭转过程中，过大的传动间隙可能引入定位误差，并影响机器人的姿态一致性。

关节执行器内部采用的谐波传动能够在紧凑的结构中实现高减速比，广泛应用于需要精确、可控旋转运动的场合。

腰部关节谐波执行器的关键选型参数

为人形机器人腰部关节选择谐波关节执行器时，不应仅以额定扭矩和减速比为依据。

实际选型需要考虑机器人的质量分布、重心、运动曲线、负载、加速度、外部载荷、可用安装空间、电缆布线要求及预期工作周期。

对于大通孔谐波关节执行器，有三个参数尤其值得关注：中空通孔尺寸、动态扭矩能力和减速比。

1. 优先考虑用于结构集成的中空通孔尺寸

第一步是确定所需的中空通孔直径。

在执行器周围保留足够结构材料的同时，中心开孔应为电源电缆、通信电缆、传感器线路及其他内部布线需求提供充足空间。

如果中空通孔过小，电缆布线可能会变得困难。过小的弯曲半径可能增加装配复杂度，并给电缆和连接器带来额外的机械应力。

但是，选择尽可能大的通孔也并不一定是最佳方案。

中空开孔周围可用的结构截面会影响执行器的机械特性。增加通孔直径可能影响壳体刚度、轴承布置、结构强度和整体尺寸。

因此，正确的方法是先确定实际布线需求，然后选择能够平衡内部空间与机械性能的合适大通孔谐波关节执行器。

对于人形机器人腰部关节，中空通孔应被视为整体机械架构的一部分，而不只是一个尺寸规格。

2. 为动态载荷提供充足的扭矩余量

腰部关节是人形机器人的主要承载关节之一。

当机器人站立、弯曲、扭转、行走或改变姿态时，腰部执行器可能承受持续变化的扭矩。在加速、减速、突然姿态变化、外部扰动或与环境接触时，动态载荷也可能增加。

因此，仅根据静态扭矩选择执行器，可能导致其在实际运行中能力不足。

所需扭矩应根据完整的运动曲线进行评估，包括：

• 机器人质量和重心

• 上半身质量分布

• 负载

• 腰部关节力臂

• 最大加速度和减速度

• 输出转速

• 外力

• 重复双向运动

• 动态和瞬态载荷

• 所需使用寿命

不应将固定安全系数视为适用于每一种人形机器人的通用规则。

例如，简单的静态载荷计算可能会显著低估动态运动过程中的实际扭矩需求。因此，应根据真实载荷谱确定适当的扭矩余量，并针对执行器的额定扭矩、峰值扭矩、允许载荷、疲劳性能和预期使用寿命进行验证。

3. 使减速比与所需运动相匹配

腰部关节通常不需要某些其他机器人机构所具备的极高输出转速。相比之下，平稳的低速运动、足够的输出扭矩、可控性和定位性能往往更为重要。

合适的减速比可使电机以适当转速运行，同时提供所需输出扭矩并降低输出转速。

但是，更高的减速比并不一定更好。

应结合电机转速、电机扭矩、输出扭矩、惯量、效率、控制带宽及腰部关节所需运动范围，对减速比进行评估。

例如，过高的减速比可能增加折算惯量并影响执行器的动态响应，而减速比不足则可能需要更大的电机才能实现所需输出扭矩。

因此，最终选型应将电机、谐波传动、编码器、控制器和机械载荷视为一个集成系统。

应避免的两种常见选型错误

许多腰部关节设计出现问题，是因为工程师在早期设计阶段过于侧重某一个参数。

两种常见错误是：为了过度减重而牺牲机械性能，以及仅根据静态规格选择执行器。

1. 不要仅为减重而牺牲刚度

轻量化设计是人形机器人领域的重要目标。然而，如果缩小执行器尺寸仅仅是为了减轻重量，而由此形成的结构不能提供足够刚度，则可能产生机械问题。

腰部关节是重要的结构支撑点。扭转刚度或结构刚度不足，会在动态运动期间导致挠度、振动和定位误差增加。

当机器人反复进行弯曲、扭转和姿态转换时，这一问题可能更加明显。

在超出设计工作范围的载荷下长期运行，也可能加速机械磨损并影响传动性能。

因此，目标不应只是选择尺寸最小、重量最轻的执行器。

工程师应平衡执行器质量、外径、轴向长度、中空通孔直径、额定及峰值扭矩、扭转刚度、轴承承载能力、传动精度和使用寿命。

大通孔谐波关节执行器最终应依据腰部的完整机械要求进行选择，而非仅考虑重量。

2. 针对连续动态运行选型，而非仅依据静态规格

人形机器人腰部关节通常承受重复双向运动和持续变化的载荷。

在行走、弯曲、扭转和姿态转换过程中，执行器可能承受交变扭矩、加速、减速、径向载荷、轴向载荷和瞬态冲击。

因此，在静态或理想化条件下获得的目录参数不足以用于最终执行器选型。

工程师应评估实际工作周期和载荷谱，然后验证执行器的额定扭矩、峰值扭矩、允许载荷、热工况、扭转刚度、疲劳性能和预期使用寿命。

当同一执行器预计需要在大量运动循环中持续运行时，这一点尤为重要。

与其简单改用原本为传统机器人手臂设计的较小执行器，为高载荷机器人应用设计的谐波关节执行器可提供更合适的起点。

大通孔谐波关节模块为何适用于人形机器人？

人形机器人腰部关节并非只是电机与传动装置的简单组合。

完整的关节需要协调机械传动、电机性能、传感、控制、结构支撑和电缆布线。

谐波关节模块可将其中多项功能集成到一个紧凑的机械单元中。

集成式传动与运动部件

根据执行器架构的不同，该模块可集成电机、谐波传动、编码器、制动器、驱动器及其他可选部件。

这减少了需要在机器人中设计和装配的独立部件数量。

用于内部布线的中空架构

对于大通孔腰部关节，中空结构通过为电缆和传感器连接提供中心布线路径，带来了另一项重要的集成优势。

这可简化人形机器人的内部布局，并有可能减少对额外外部电缆布线机构的需求。

其结果不仅是更小的传动系统，更是一种集成度更高的关节架构。

用于人形机器人腰部集成的大通孔中空设计

腰部通常位于人形机器人身体的中心附近，是内部机械和电气集成的重要区域。

大通孔中空谐波关节执行器可使电缆和传感器线路穿过关节中心，而无需围绕传动装置外部进行布线。

中心电缆布线

中心开孔可简化机器人上下部分之间电源和通信电缆的布线。

减少外部电缆暴露

通过执行器中心进行电缆布线，有助于减少旋转运动过程中外露电缆的暴露，并提高腰部机构的整体集成度。

为传感器集成提供更多灵活性

中心布线路径还可在布置传感器和其他内部部件时提供更多灵活性。

对于人形机器人，随着更多传感器、执行器和控制电子设备被集成到有限的机身体积内，这些优势变得愈发重要。

因此，所需的中空通孔应在机械设计流程的早期确定，而不应作为事后考虑的事项。

从谐波传动到集成式关节执行器

传动装置本身只是人形机器人关节的一部分。

完整的关节执行器需要协调谐波传动与电机、编码器、制动器、驱动器和控制系统。

这对于腰部尤为重要，因为执行器在保持精确位置控制的同时，可能需要对变化的载荷作出响应。

电机与谐波传动集成

应将电机和谐波传动作为匹配系统进行选择，以实现所需的扭矩、转速、效率和动态响应。

编码器与位置反馈

位置反馈是人形机器人腰部关节的另一项重要考量。应根据所需定位精度、重复精度、控制架构和安全要求选择编码器配置。

制动器与控制接口

根据机器人架构，关节可能需要机械制动器、集成式驱动器或 EtherCAT、CANopen 等通信接口。

在执行器选型阶段，应将这些要求与机械规格一并确定。

实用选型总结

对于人形机器人腰部关节，选择大通孔谐波关节执行器本质上是一项系统级工程任务。

中空通孔应为内部电缆和传感器布线提供充足空间，同时不损害结构性能。扭矩能力应根据完整的动态载荷谱进行评估，而非仅依据静态扭矩。减速比应与电机、运动曲线、控制要求和所需输出性能相匹配。

机械刚度和使用寿命同样重要。若轻量化执行器无法承受实际动态载荷曲线，可能比机械能力充足、但略重的执行器带来更大的系统级问题。

因此，关键选型逻辑可概括为：

首先进行结构集成，其次验证动态扭矩，并在整个选型过程中始终关注刚度和使用寿命。

对于人形机器人，合适的谐波关节执行器不应只是满足一项扭矩规格。它应在中空布线空间、紧凑尺寸、谐波传动精度、输出扭矩、机械刚度、传感能力和长期可靠性之间提供适当组合。

适用于人形机器人腰部关节的 HONPINE 大通孔谐波关节执行器

HONPINE 开发适用于机器人应用的谐波关节模块和执行器，满足紧凑集成、精密运动和高扭矩密度要求。

对于人形机器人腰部关节，可根据机器人的机械和电气要求配置大通孔谐波关节执行器，包括中空布线空间、输出扭矩、减速比、编码器配置、制动要求和通信接口。

选择合适的 HONPINE 谐波关节模块

最终执行器选型应基于机器人的实际参数，包括总质量、上半身质量分布、重心、腰部关节运动范围、最大加速度、负载、工作周期、所需中空通孔、电机运行工况和预期扭矩曲线。

在确定这些参数后，工程师可更准确地确定合适的执行器尺寸和配置，并评估所选谐波关节模块是否能为目标人形机器人应用提供足够的扭矩能力、刚度、控制性能和使用寿命。