户外机器人关节解决方案：带内置扭矩传感器的谐波关节模组

大家好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。

随着机器人走出可控的工厂环境，机器人关节的要求也在不断变化。户外机器人可能需要在雨水、灰尘、温度变化、低温条件以及外部负载难以预测的情况下工作。在这些应用中，机器人关节不仅需要提供旋转，还需要为机器人控制系统提供可靠运动、机械防护和有效反馈。

这正是我们为户外机器人应用开发内置扭矩传感谐波关节解决方案的原因。

根据我们与客户合作的经验，以下几项需求反复出现：机器人需要了解关节处的实际扭矩；执行器需要具备适当的环境防护；电缆出口需要得到妥善保护；并且关节必须在极低温度下持续可靠运行。

在本文中，我想重点讨论这些实际工程要求，并说明我们的谐波关节模组如何应对这些要求。

户外机器人关节有何不同？

在工厂内部运行的工业机器人通常在相对可控的环境中工作。温度、湿度、灰尘和机械条件通常都可以得到管理。

户外机器人则不同。

安装在室外的机器人可能会遭遇雨水、灰尘、湿气、温度波动和意外机械接触。机器人还可能在不平整的表面上工作，或直接与结构件、工具或其他物体发生交互。这些条件给机器人关节带来了多项挑战。

关节需要具备足够的输出扭矩和定位精度，同时还必须承受机器人周围的实际环境条件。此外，控制系统可能需要获取作用于关节的机械负载信息。

因此，我认为应从多个维度同时评估户外机器人关节：运动性能、扭矩反馈、环境防护、温度适应性和机械集成。

用于直接获取扭矩数据的内置扭矩传感器

我们谐波关节模组的一项重要特点是内置扭矩传感器。

关节无需仅依赖电机侧信息，而是能够检测输出侧扭矩，并向控制系统提供扭矩相关数据。

这使机器人能够更直接地了解作用于关节的机械负载。

例如，位置反馈可以告诉机器人关节所处的位置，而扭矩反馈则提供有关关节承受机械负载大小的附加信息。

对于户外机器人而言，这一区别尤为重要，因为外部负载可能持续变化。

机器人可能遇到意外物体，受到工作环境的阻力，或需要对某个结构施加受控的力。在这些情况下，了解实际输出扭矩可以为机器人控制器提供附加信息。

为什么输出侧扭矩感测如此重要？

对于机器人关节而言，输出侧的实际机械负载可能不同于仅从电机获得的信息。

因此，当机器人需要了解其与周围环境的交互时，输出侧扭矩感测会非常有用。

位置反馈告诉机器人关节所处的位置，而扭矩反馈则提供通过关节传递的机械负载信息。

对于户外机器人应用，当机器人需要对抗变化的阻力、接触外部结构，或执行需要监控施加力的任务时，这些附加信息具有重要价值。

来自关节驱动板的直接扭矩数据

对于采用我们扭矩传感关节配置的客户，扭矩信息可通过集成驱动电子系统进行处理，并提供给客户的控制系统。

这意味着客户不一定需要在关节周围构建完全独立的外部扭矩感测结构。

基本概念如下：

机械负载 → 输出侧扭矩感测 → 驱动电子系统 → 扭矩数据 → 机器人控制器

实际接口和数据格式取决于所选产品配置及客户的控制架构。

扭矩数据可作为更大机器人控制策略的一部分，包括负载监控、扭矩限制、碰撞检测和力感知运动。具体控制功能取决于客户如何将扭矩信号集成到机器人的软件和控制系统中。

对于户外机器人应用而言，这些附加机械信息尤具价值，因为其运行条件通常比传统工厂设备更难预测。

适用于户外机器人关节应用的 IP65 防护

环境防护是另一项重要考量。

我们的谐波关节模组可达到 IP65 防护等级，适用于许多需要防尘和防喷水保护的户外机器人应用。

不过，工程师在设计户外机器人时需要考虑一个重要问题。

关节本身的 IP 等级并不自动意味着完整机器人具有相同的防护等级。

机器人系统的整体防护还可能受到连接器、电缆、电缆出口、后盖、安装接口和密封结构的影响。

换言之，要实现可靠的户外防护，需要考察完整的机械安装结构，而不仅仅是执行器外壳。

后盖和电缆出口防护

在户外机器人集成过程中，后部电缆出口通常是需要额外关注的部位之一。

在许多项目中，客户会根据其机器人结构、布线要求和整体防护策略自行设计和制造后盖。这通常是最实用的解决方案，因为后盖需要与客户的机械设计相匹配。

HONPINE 也可在需要时提供定制后盖。

但是，由于定制后盖涉及非标准机械设计、加工以及可能增加的验证工作，其成本通常高于客户自行设计和制造的后盖。

因此，我们通常建议客户首先评估其现有后盖结构是否能够提供所需防护。当特定接口、布线结构或防护要求使定制成为必要时，HONPINE 可以讨论相应的定制解决方案。

这种方式在不使定制变得过于复杂的前提下，为客户提供更大的灵活性。

适用于寒冷户外环境的低温润滑脂

温度是设计户外机器人关节时不可忽视的另一因素。

在室温下可靠工作的关节，当机器人暴露于极低温度时，可能需要采用不同的润滑解决方案。

对于在寒冷环境中运行的应用，可根据实际环境温度、输出扭矩、转速、工作循环和润滑要求选择合适的低温润滑脂。

目的并不只是指定一种具有低温等级的润滑脂。润滑剂需要在客户的实际运行条件下与完整传动系统协同工作。

这对于可能在长期暴露于低温后仍需启动和运行的户外机器人尤其重要。

用于户外机器人关节的紧凑型谐波传动

谐波传动本身也为机器人关节设计带来多项优势。

谐波减速器可在相对紧凑的结构内实现高减速比。这使电机的高速旋转能够转换为较低的输出速度和更高的输出扭矩，而无需采用大型多级传动系统。

对于机器人关节，这可以在保持执行器紧凑的同时提供高扭矩密度。

谐波传动的低背隙特性也适用于需要精确且可重复关节定位的应用。

但是，在为户外机器人选择谐波关节时，我不建议只关注减速比。

工程师应考虑完整的工况，包括输出扭矩、峰值扭矩、输出转速、加速和减速、工作循环、径向载荷、轴向载荷和力矩载荷。

即使关节具有合适的减速比，如果实际负载条件与执行器能力不匹配，仍可能不适用。

机械集成与关节性能同样重要

在实际机器人项目中，技术性能出色的执行器仍需要适配机器人的机械结构。

安装尺寸、法兰接口、输出结构、电缆布线和后盖布置都会影响最终设计。

这就是为什么我们经常与客户共同进行关节的机械集成，而不是将执行器视为一个孤立部件。

根据项目不同，客户可能对输出接口、安装尺寸、电缆方向或周边机械结构有特定要求。

一些客户更愿意自行设计这些接口，另一些客户则需要执行器制造商的支持。

我们的目标是让关节适配机器人，而不是迫使机器人结构围绕标准执行器重新设计。

扭矩感测与环境防护协同发挥作用

对于户外机器人，扭矩感测和环境防护解决的是两个不同的问题。

扭矩感测提供机械方面正在发生什么的信息。

环境防护帮助关节在暴露于外部条件时持续运行。

这两个方面彼此独立，但集成在一个关节模组中时更具价值。

机器人可能需要检测外部负载，同时在含有灰尘、湿气或较大温度变化的环境中运行。

在此类系统中，关节不再只是传动部件，而是机器人的运动和感知架构的重要组成部分。

这也是集成式关节模组能够简化整体机器人设计的原因之一。

已在户外机器人应用中得到验证

我们已为多种户外机器人设备提供谐波关节模组。

太阳能板安装机器人

一个案例是加拿大的一位客户，其用于户外太阳能板安装的机器人采用了 HONPINE 谐波关节模组。

HONPINE 谐波关节模组应用于加拿大一台户外太阳能板安装机器人。

户外建筑机器人

我们还参与了与户外建筑机器人相关的需求项目，在这些应用中，关节可能需要在不断变化的环境条件下运行，同时承受建筑任务产生的机械负载。

户外清洁机械臂

户外清洁机械臂是另一类应用，在这类应用中，紧凑安装、可靠运动、环境防护和负载反馈都可能非常重要。

虽然这些应用彼此不同，但它们具有多项共同要求：紧凑的关节安装、可靠的扭矩传递、环境防护，以及使执行器适配客户机械结构的能力。

对我们而言，这些项目很有价值，因为实际应用能够直接反馈户外机器人关节除基本运动外还需要实现什么。

工程师在选择户外机器人关节时应考虑什么？

在为户外机器人选择谐波关节模组时，我建议将应用视为一个完整系统进行评估，而不是基于单一规格选择执行器。

首要考虑因素是所需的输出扭矩和转速。应评估持续和峰值运行工况，特别是在机器人频繁加速、减速或改变方向时。

第二项考虑因素是机械负载。径向载荷、轴向载荷和弯矩可能都很重要，具体取决于关节的安装方式，以及机器人机构如何将外力传递至执行器。

第三项考虑因素是环境防护。如果机器人在户外运行，工程师应考察不仅是执行器外壳，还包括连接器、电缆、电缆出口、后盖和安装接口的防护等级。

从设计过程开始也应考虑温度因素。对于寒冷环境，应根据实际运行条件选择润滑剂和其他材料。

最后，如果机器人需要力感知操作或机械负载监控，应在项目初期评估扭矩反馈的可用性和接口，而不是在后期再行增加。

适用于户外机器人的 HONPINE 谐波关节模组

在 HONPINE，我们的户外机器人关节方案并非只是将谐波减速器和电机组合在一起。

我们关注影响完整机器人应用的各项要求。

我们的谐波关节模组可将精密谐波传动、扭矩感测、集成电子系统和具备环境防护的机械结构结合起来。

对于户外应用，关键能力包括：

• 内置扭矩感测和直接扭矩数据

• 具备 IP65 防护能力的关节保护

• 低温润滑选项

• 灵活的机械集成

• 需要时提供定制后盖解决方案

• 具备高扭矩密度的紧凑型谐波传动

这些特点使工程师在开发需要在受控工厂环境之外运行的机器人系统时拥有更多选择。

同时，并非每台户外机器人都需要相同的配置。应根据机器人的实际扭矩、转速、机械负载、温度、防护和控制要求选择合适的关节。

结论

户外机器人面临的要求正日益提高。

随着机器人进入建筑工地、户外维护、太阳能安装、清洁及其他非结构化环境，机器人关节需要提供的不仅仅是精确旋转。

它需要承受环境影响，提供有用的机械反馈，并与机器人的结构可靠集成。

对于这些应用，带有内置扭矩感测功能的谐波关节模组能够有效结合精密传动、紧凑集成和直接机械负载信息。

在 HONPINE，我们持续与客户共同应对这些实际需求，包括扭矩感测、环境防护、低温运行和机械定制。

如果您正在开发户外机械臂、建筑机器人、太阳能安装机器人或其他户外机器人系统，我们可以根据您的扭矩、转速、机械接口和环境条件评估所需的关节配置。

合适的机器人关节并非只是规格最高的关节，而是与机器人的实际要求相匹配的关节。

户外机器人关节有何不同？

在工厂内部运行的工业机器人通常在相对可控的环境中工作。温度、湿度、灰尘和机械条件通常都可以得到管理。

户外机器人则不同。

安装在室外的机器人可能会遭遇雨水、灰尘、湿气、温度波动和意外机械接触。机器人还可能在不平整的表面上工作，或直接与结构件、工具或其他物体发生交互。

这些条件给机器人关节带来了多项挑战。

关节需要具备足够的输出扭矩和定位精度，同时还必须承受机器人周围的实际环境条件。此外，控制系统可能需要获取作用于关节的机械负载信息。

因此，我认为应从多个维度同时评估户外机器人关节：运动性能、扭矩反馈、环境防护、温度适应性和机械集成。

用于直接获取扭矩数据的内置扭矩传感器

我们谐波关节模组的一项重要特点是内置扭矩传感器。

关节无需仅依赖电机侧信息，而是能够检测输出侧扭矩，并向控制系统提供扭矩相关数据。

这使机器人能够更直接地了解作用于关节的机械负载。

例如，位置反馈可以告诉机器人关节所处的位置，而扭矩反馈则提供有关关节承受机械负载大小的附加信息。

对于户外机器人而言，这一区别尤为重要，因为外部负载可能持续变化。

机器人可能遇到意外物体，受到工作环境的阻力，或需要对某个结构施加受控的力。在这些情况下，了解实际输出扭矩可以为机器人控制器提供附加信息。

为什么输出侧扭矩感测如此重要？

对于机器人关节而言，输出侧的实际机械负载可能不同于仅从电机获得的信息。

因此，当机器人需要了解其与周围环境的交互时，输出侧扭矩感测会非常有用。

位置反馈告诉机器人关节所处的位置，而扭矩反馈则提供通过关节传递的机械负载信息。

对于户外机器人应用，当机器人需要对抗变化的阻力、接触外部结构，或执行需要监控施加力的任务时，这些附加信息具有重要价值。

来自关节驱动板的直接扭矩数据

对于采用我们扭矩传感关节配置的客户，扭矩信息可通过集成驱动电子系统进行处理，并提供给客户的控制系统。

这意味着客户不一定需要在关节周围构建完全独立的外部扭矩感测结构。

基本概念如下：

机械负载 → 输出侧扭矩感测 → 驱动电子系统 → 扭矩数据 → 机器人控制器

实际接口和数据格式取决于所选产品配置及客户的控制架构。

扭矩数据可作为更大机器人控制策略的一部分，包括负载监控、扭矩限制、碰撞检测和力感知运动。具体控制功能取决于客户如何将扭矩信号集成到机器人的软件和控制系统中。

对于户外机器人应用而言，这些附加机械信息尤具价值，因为其运行条件通常比传统工厂设备更难预测。

适用于户外机器人关节应用的 IP65 防护

环境防护是另一项重要考量。

我们的谐波关节模组可达到 IP65 防护等级，适用于许多需要防尘和防喷水保护的户外机器人应用。

不过，工程师在设计户外机器人时需要考虑一个重要问题。

关节本身的 IP 等级并不自动意味着完整机器人具有相同的防护等级。

机器人系统的整体防护还可能受到连接器、电缆、电缆出口、后盖、安装接口和密封结构的影响。

换言之，要实现可靠的户外防护，需要考察完整的机械安装结构，而不仅仅是执行器外壳。

后盖和电缆出口防护

在户外机器人集成过程中，后部电缆出口通常是需要额外关注的部位之一。

在许多项目中，客户会根据其机器人结构、布线要求和整体防护策略自行设计和制造后盖。这通常是最实用的解决方案，因为后盖需要与客户的机械设计相匹配。

HONPINE 也可在需要时提供定制后盖。

但是，由于定制后盖涉及非标准机械设计、加工以及可能增加的验证工作，其成本通常高于客户自行设计和制造的后盖。

因此，我们通常建议客户首先评估其现有后盖结构是否能够提供所需防护。当特定接口、布线结构或防护要求使定制成为必要时，HONPINE 可以讨论相应的定制解决方案。

这种方式在不使定制变得过于复杂的前提下，为客户提供更大的灵活性。

适用于寒冷户外环境的低温润滑脂

温度是设计户外机器人关节时不可忽视的另一因素。

在室温下可靠工作的关节，当机器人暴露于极低温度时，可能需要采用不同的润滑解决方案。

对于在寒冷环境中运行的应用，可根据实际环境温度、输出扭矩、转速、工作循环和润滑要求选择合适的低温润滑脂。

目的并不只是指定一种具有低温等级的润滑脂。润滑剂需要在客户的实际运行条件下与完整传动系统协同工作。

这对于可能在长期暴露于低温后仍需启动和运行的户外机器人尤其重要。

用于户外机器人关节的紧凑型谐波传动

谐波传动本身也为机器人关节设计带来多项优势。

谐波减速器可在相对紧凑的结构内实现高减速比。这使电机的高速旋转能够转换为较低的输出速度和更高的输出扭矩，而无需采用大型多级传动系统。

对于机器人关节，这可以在保持执行器紧凑的同时提供高扭矩密度。

谐波传动的低背隙特性也适用于需要精确且可重复关节定位的应用。

但是，在为户外机器人选择谐波关节时，我不建议只关注减速比。

工程师应考虑完整的工况，包括输出扭矩、峰值扭矩、输出转速、加速和减速、工作循环、径向载荷、轴向载荷和力矩载荷。

即使关节具有合适的减速比，如果实际负载条件与执行器能力不匹配，仍可能不适用。

机械集成与关节性能同样重要

在实际机器人项目中，技术性能出色的执行器仍需要适配机器人的机械结构。

安装尺寸、法兰接口、输出结构、电缆布线和后盖布置都会影响最终设计。

这就是为什么我们经常与客户共同进行关节的机械集成，而不是将执行器视为一个孤立部件。

根据项目不同，客户可能对输出接口、安装尺寸、电缆方向或周边机械结构有特定要求。

一些客户更愿意自行设计这些接口，另一些客户则需要执行器制造商的支持。

我们的目标是让关节适配机器人，而不是迫使机器人结构围绕标准执行器重新设计。

扭矩感测与环境防护协同发挥作用

对于户外机器人，扭矩感测和环境防护解决的是两个不同的问题。

扭矩感测提供机械方面正在发生什么的信息。

环境防护帮助关节在暴露于外部条件时持续运行。

这两个方面彼此独立，但集成在一个关节模组中时更具价值。

机器人可能需要检测外部负载，同时在含有灰尘、湿气或较大温度变化的环境中运行。

在此类系统中，关节不再只是传动部件，而是机器人的运动和感知架构的重要组成部分。

这也是集成式关节模组能够简化整体机器人设计的原因之一。

已在户外机器人应用中得到验证

我们已为多种户外机器人设备提供谐波关节模组。

太阳能板安装机器人

一个案例是加拿大的一位客户，其用于户外太阳能板安装的机器人采用了 HONPINE 谐波关节模组。

HONPINE 谐波关节模组应用于加拿大一台户外太阳能板安装机器人。

户外建筑机器人

我们还参与了与户外建筑机器人相关的需求项目，在这些应用中，关节可能需要在不断变化的环境条件下运行，同时承受建筑任务产生的机械负载。

户外清洁机械臂

户外清洁机械臂是另一类应用，在这类应用中，紧凑安装、可靠运动、环境防护和负载反馈都可能非常重要。

虽然这些应用彼此不同，但它们具有多项共同要求：紧凑的关节安装、可靠的扭矩传递、环境防护，以及使执行器适配客户机械结构的能力。

对我们而言，这些项目很有价值，因为实际应用能够直接反馈户外机器人关节除基本运动外还需要实现什么。

工程师在选择户外机器人关节时应考虑什么？

在为户外机器人选择谐波关节模组时，我建议将应用视为一个完整系统进行评估，而不是基于单一规格选择执行器。

首要考虑因素是所需的输出扭矩和转速。应评估持续和峰值运行工况，特别是在机器人频繁加速、减速或改变方向时。

第二项考虑因素是机械负载。径向载荷、轴向载荷和弯矩可能都很重要，具体取决于关节的安装方式，以及机器人机构如何将外力传递至执行器。

第三项考虑因素是环境防护。如果机器人在户外运行，工程师应考察不仅是执行器外壳，还包括连接器、电缆、电缆出口、后盖和安装接口的防护等级。

从设计过程开始也应考虑温度因素。对于寒冷环境，应根据实际运行条件选择润滑剂和其他材料。

最后，如果机器人需要力感知操作或机械负载监控，应在项目初期评估扭矩反馈的可用性和接口，而不是在后期再行增加。

适用于户外机器人的 HONPINE 谐波关节模组

在 HONPINE，我们的户外机器人关节方案并非只是将谐波减速器和电机组合在一起。

我们关注影响完整机器人应用的各项要求。

我们的谐波关节模组可将精密谐波传动、扭矩感测、集成电子系统和具备环境防护的机械结构结合起来。

对于户外应用，关键能力包括：

• 内置扭矩感测和直接扭矩数据

• 具备 IP65 防护能力的关节保护

• 低温润滑选项

• 灵活的机械集成

• 需要时提供定制后盖解决方案

• 具备高扭矩密度的紧凑型谐波传动

这些特点使工程师在开发需要在受控工厂环境之外运行的机器人系统时拥有更多选择。

同时，并非每台户外机器人都需要相同的配置。应根据机器人的实际扭矩、转速、机械负载、温度、防护和控制要求选择合适的关节。

结论

户外机器人面临的要求正日益提高。

随着机器人进入建筑工地、户外维护、太阳能安装、清洁及其他非结构化环境，机器人关节需要提供的不仅仅是精确旋转。

它需要承受环境影响，提供有用的机械反馈，并与机器人的结构可靠集成。

对于这些应用，带有内置扭矩感测功能的谐波关节模组能够有效结合精密传动、紧凑集成和直接机械负载信息。

在 HONPINE，我们持续与客户共同应对这些实际需求，包括扭矩感测、环境防护、低温运行和机械定制。

如果您正在开发户外机械臂、建筑机器人、太阳能安装机器人或其他户外机器人系统，我们可以根据您的扭矩、转速、机械接口和环境条件评估所需的关节配置。

合适的机器人关节并非只是规格最高的关节，而是与机器人的实际要求相匹配的关节。