集成式机器人关节模组是协作机器人、人形机器人、工业机械臂及其他智能机器人系统的核心运动单元。通常,它们将电机、减速器、编码器、伺服驱动器、扭矩传感器和电磁制动器等关键部件集成在一个紧凑的运动单元中。
选择合适的机器人关节模组,不仅直接影响输出扭矩、转速和定位精度,还会影响机器人的动态响应、力控性能、结构设计、运行稳定性及整体制造成本。
与单独选择电机或减速器不同,选择机器人关节模组需要全面评估动态性能、传动结构、位置反馈、扭矩测量、机械安装、电气接口、热管理和长期可靠性。这对于协作机器人和人形机器人尤为重要,因为不同关节的负载条件、运动频率、控制要求和安全考量存在显著差异。
本指南基于 HONPINE 轻量化、高精度TCHL 系列机器人关节模组的实际应用经验,探讨机器人关节模组选型的六个关键方面,帮助机器人工程师建立系统化的关节设计与集成方法。
动态性能是机器人关节模组选型的基础,决定关节能否满足负载、转速、加速度和动态响应方面的实际要求。
需要评估的最重要参数包括额定连续扭矩、峰值扭矩、输出转速和惯量匹配。
扭矩是选择机器人关节模组时最重要的参数之一。不过,工程师必须区分额定连续扭矩和峰值扭矩,而不能只根据模组的最大扭矩额定值进行判断。
额定连续扭矩是指关节模组在规定的工作条件和热限制下可持续输出的扭矩。它与连续物料搬运、姿态保持、打磨及其他长时间运行的应用尤其相关。
计算所需关节扭矩时,工程师应考虑:
关节自身的重量及其产生的重力扭矩。
末端执行器和外部负载产生的重力扭矩。
关节运动过程中的加速和减速扭矩。
机械摩擦及其他传动阻力。
多个关节之间的动态耦合效应。
在初步选型阶段,还应根据负载变化、运动频率、安装方向和工作条件预留适当的安全余量。例如,25%–35%的余量可作为初步设计参考,但不应视为通用要求。最终选型应根据实际关节负载曲线和热平衡条件进行验证。
峰值扭矩主要用于短时动态运行,例如机器人快速加速、姿态转换、瞬时负载变化和短暂冲击事件。
需要注意的是,峰值扭矩并不意味着关节模组可以长时间维持该输出。工程师应核实允许的峰值扭矩持续时间、重复频率及相关热限制。
还应分别检查电机、减速器和机械壳体的扭矩承载能力。允许扭矩最低的部件决定了完整关节总成的实际扭矩上限。
对于人形机器人腿部、四足机器人髋部和重载机械臂中的高动态关节,这一区分尤为重要。
机器人关节模组的输出转速主要由电机转速和减速比决定:
输出转速 ≈ 电机转速 ÷ 减速比
提高减速比通常会增加输出扭矩,但会降低输出转速。此外,它还可能影响反驱能力、动态响应和传动系统的等效惯量。
此外,不能脱离电源条件单独考虑电机转速。对于采用 24V 或 48V 直流电源的关节模组,随着转速升高,电机反电动势也会增大。如果可用直流母线电压不足,高速运行区间的可用电流和输出扭矩可能会下降。
因此,工程师不应只评估空载最高转速,还应关注以下参数:
额定转速下的连续输出扭矩。
最高工作转速下的可用扭矩。
不同供电电压下的性能变化。
减速比对动态响应和反驱能力的影响。
对于需要快速摆动、频繁加速和反复停止的人形机器人关节,匹配输出转速和扭矩尤为重要。
惯量匹配是机器人关节模组选型中重要但有时容易被忽视的因素。
外部负载惯量与驱动系统惯量之间的关系不合适,会增加控制难度,并导致低速振动、运动超调、机械振荡或动态跟踪性能下降。
对于协作机器人、人形机器人以及需要精确运动跟踪和柔顺控制的机械臂,工程师应通过动态分析评估电机转子惯量、减速比、负载惯量和实际运动轨迹。
还需注意,减速器会改变折算至电机侧的负载等效惯量。因此,不能仅通过比较负载惯量与电机转子惯量来判断系统兼容性,还必须考虑传动比、控制带宽和实际工作条件。
减速器是机器人关节模组中的关键传动部件,其设计直接影响输出扭矩、传动精度、扭转刚度、抗冲击能力和使用寿命。
谐波减速器和行星减速器是机器人关节模组中常见的两种传动方案。两者没有绝对的优劣之分,合适的选择取决于机器人的运动要求和工作条件。
谐波减速器具有结构紧凑、减速比高和传动背隙小等特点,适用于安装空间有限且对定位精度要求较高的机器人关节。
谐波传动广泛应用于协作机器人、人形机器人和精密机械臂。
主要特点包括:
结构紧凑,适合空间受限的关节设计。
传动背隙小,有助于提高定位精度。
减速比范围广,可实现高扭矩输出。
适用于精密定位及某些力控应用。
不过,谐波减速器依靠柔轮的弹性变形工作。因此,必须根据具体型号和工作条件评估其扭转刚度、冲击负载能力和疲劳寿命。
对于涉及频繁冲击、重载往复运动或较大动态负载变化的应用,应仔细验证长期可靠性。
行星减速器通过由太阳轮、行星轮和内齿圈组成的系统传递动力。它通常具有较强的承载能力、良好的结构刚度和较高的传动效率。
行星传动适用于重载工业机器人、四足机器人以及承受较大外部冲击的关节。
主要特点包括:
多个齿轮啮合点有助于分散传递负载。
承载能力强,抗冲击性能好。
适用于相对高负载和动态运行条件。
设计和润滑得当时具有良好的耐久性。
不过,传统行星减速器通常存在一定的传动背隙,其大小取决于齿轮制造精度、装配方式、预紧结构和制造工艺。
对于要求高定位精度和柔顺力控的应用,工程师应验证完整关节模组的实际背隙和整体传动性能。
不应仅根据传动类型决定选型。工程师还应考虑关节负载、运动频率、冲击强度和控制要求。
例如:
协作机器人:重点关注传动背隙、反驱能力和力控性能。
人形机器人:考虑扭矩密度、重量、动态响应和抗冲击能力。
四足机器人:优先考虑动态负载、抗冲击能力和疲劳寿命。
重载工业机械臂:评估连续扭矩、刚度和长期运行可靠性。
对于要求兼具低背隙、高扭转刚度和强承载能力的应用,也可以考虑采用预紧和消隙设计的高精度行星传动方案。
工程师不必将选择局限于传统传动结构。
机器人关节的实际定位精度并不等同于减速器自身的标称精度。
关节模组的整体精度还会受到电机编码器、输出编码器、减速器背隙、扭转变形、轴承支撑、法兰加工和装配公差的影响。
选型时,工程师应特别关注:
输出侧传动背隙。
输出侧重复定位精度。
扭转刚度和负载引起的变形。
输出法兰端面跳动。
安装表面的平面度和尺寸精度。
其中,实际输出反馈精度和负载下的角位移尤为重要。
对于精密装配、医疗机器人和精密制造设备,工程师应索取实际测试数据和明确的测试条件,而不能只依赖单个部件的规格参数。
如果说减速器决定关节的传动性能,那么编码器和扭矩传感器则决定控制系统可获得的反馈信息。
对于常规点到点运动,位置反馈可能已经足够。然而,协作机器人、人形机器人以及与环境交互的系统,通常需要比单纯电机侧位置和电流测量更高级的反馈。
机器人关节模组通常采用单编码器半闭环架构或双编码器全闭环架构。
在单编码器设计中,编码器通常安装在电机侧,用于检测转子位置并计算关节的理论输出位置。
这种架构相对简单且成本较低,适用于常规点到点定位以及对输出侧反馈要求不高的应用。
不过,由于编码器安装在减速器之前,它无法直接测量实际输出位置,因此不能直接补偿减速器背隙、扭转变形及某些传动误差。
双编码器设计使用两个编码器:一个安装在电机侧,另一个安装在输出侧。
电机侧编码器用于电机换相和速度控制,输出侧编码器则测量关节实际输出角度。
通过比较输入侧和输出侧的位置,控制系统能够更准确地了解传动系统的实际运动状态。
双编码器架构尤其适用于:
高精度位置控制。
稳定的低速运行。
高动态运动跟踪。
需要补偿传动变形的机器人关节。
对位置反馈要求较高的柔性控制系统。
对于高精度机器人关节,通常值得优先考虑采用输出侧绝对位置反馈的架构。
扭矩反馈是实现高精度力控的重要基础。
获取关节扭矩信息有两种常见方法:根据电机电流估算扭矩,或使用独立扭矩传感器直接测量。
基于电机电流的估算通常利用电机扭矩常数和测得的电流计算电磁扭矩。此方法无需额外安装扭矩传感器,成本相对较低。
不过,电机的电磁扭矩不一定等于关节的实际输出扭矩。
减速器摩擦、传动损耗、惯性扭矩和温度变化等因素都会影响最终输出扭矩。因此,对于要求高精度力反馈的应用,基于电流的估算存在局限性。
相比之下,安装在减速器输出端与关节法兰之间的扭矩传感器,可以直接测量通过传动系统传递的扭矩。该测量值更接近机器人与外部环境之间实际交互的情况。
例如,HONPINE 的TCHL 系列机器人关节模组采用输出侧扭矩感测架构,适用于需要实时检测关节负载变化的机器人系统。
典型应用包括:
协作机器人与人机交互。
精密装配和插接作业。
表面打磨和恒力控制。
人形机器人的自适应姿态控制。
外骨骼机器人和柔顺型辅助设备。
需要注意的是,输出侧扭矩感测并不能消除传动系统带来的所有影响。传感器精度、机械安装、校准和控制算法也会影响最终测量结果。
选择扭矩传感器时,工程师不应只评估其额定测量范围。动态响应和长期稳定性同样重要。
关键参数包括:
测量范围:传感器应覆盖正常工作扭矩和预期动态负载,既不应接近过载限制运行,也不应采用不必要地过大的测量范围。
测量精度:评估非线性、重复性、迟滞和整体测量误差,而不能只看单一精度指标。
零点稳定性和温度漂移:长期运行中的温度变化可能导致零点偏移,影响连续力控和低扭矩测量。
采样频率和带宽:高动态交互和碰撞检测要求传感器具备足够的采样能力和系统控制带宽,以避免反馈延迟。
噪声水平:测量噪声过大可能导致力控指令波动,并降低运动平顺性。
对于物料搬运、定点运动及其他不要求精确力交互的应用,不带独立扭矩传感器的关节模组可能已经足够,有助于降低硬件成本和系统复杂性。
机器人关节模组不仅是动力传输单元,也是机器人机械结构的组成部分。
其尺寸、安装接口、中空轴设计和重量分布都会影响机器人的整体设计。
对于人形机器人、多关节机械臂和复杂机器人系统,中空轴关节模组在布线方面具有显著优势。
电源线、通信线、传感器线及其他连接线可以从中空部分穿过,从而减少外部线缆缠绕和潜在的运动干涉。
对于需要连续旋转的应用,也可以根据系统设计考虑使用滑环。工程师应确认中空孔径、线缆走线和旋转范围是否相互兼容。
模组重量也是另一项重要考量。
在多关节机器人中,靠近末端执行器的关节质量会增加上游关节承受的负载和惯量。因此,在保持足够扭矩和刚度的同时减轻远端关节的重量,有助于降低上游关节的驱动要求,并提升整体动态响应和能效。
选型时,工程师应比较模组重量、额定扭矩、峰值扭矩和扭矩密度,而不能只选择额定扭矩最高的产品。
电磁制动器主要用于在电源断开或驱动系统停止运行时保持关节位置,帮助防止重力造成意外运动。
对于人形机器人的膝关节和髋关节、垂直机械臂以及其他承受重力负载的关节,应仔细考虑制动器配置。
常见方案是弹簧施力、电磁释放式制动器。断电时制动器啮合,通电时释放。
选择制动器时,工程师应确认:
额定保持扭矩。
制动器释放电压和功耗。
制动和释放响应时间。
制动器使用寿命。
与关节安装空间的兼容性。
需要理解的是,制动器的主要功能是静态保持。它不能替代伺服驱动器提供的动态制动控制,也不能默认其能够承受所有紧急动态冲击。
对于负载较轻的水平关节,可根据应用和安全要求评估是否需要制动器。
机器人关节模组的机械安装兼容性会直接影响传动精度和运行可靠性。
在选型阶段,工程师应确认:
安装法兰直径和孔位。
定位止口尺寸。
安装螺钉规格和有效啮合深度。
前端、后端或侧面安装配置。
配合表面的平面度、平行度和圆度要求。
建议的螺钉拧紧扭矩和装配顺序。
允许的最大输出旋转范围和限位配置。
应特别注意安装表面精度、定位止口兼容性、螺钉均匀拧紧以及可能存在的结构干涉。
安装不当可能导致关节阻力增大、定位偏差,甚至造成机械损坏。
工程师还应核实机械限位、软件限位和线缆旋转范围之间的关系,防止超程、碰撞和线缆损坏。
机器人关节模组的电气规格和通信协议决定了它与机器人主控系统的兼容性,也会直接影响多轴同步、实时性能和调试效率。
机器人关节模组最常见的供电电压为 24V 和 48V DC。
在电功率相同的情况下,提高供电电压可降低所需电流,有助于减少线缆和连接器上的电阻损耗和电压降。
因此,48V 供电系统在多关节机器人、大功率驱动器和电池供电的移动机器人平台中具有一定优势。
不过,48V 关节模组并不一定适用于所有应用。
实际选型应考虑:
机器人的直流母线电压。
模组允许的工作电压范围。
最大电流和连续电流要求。
驱动器电压额定值。
电池放电能力。
线缆长度和电压降。
对于人形机器人和移动平台,工程师还应评估待机功耗、峰值电流需求和电池续航时间。
根据伺服驱动器的安装方式,机器人关节模组通常可分为集成驱动型和外置驱动型两种架构。
集成驱动型关节模组
在集成驱动设计中,伺服驱动器安装在关节模组内部,形成紧凑的总成,外部布线相对简单,系统集成复杂度也较低。
主要优势包括:
集成度高,安装空间利用率高。
外部连接更少。
便于模块化设计和系统集成。
适用于轻量化、空间受限的机器人。
不过,集成式驱动器对内部热管理、密封和电磁兼容性的要求也更高。
外置驱动型关节模组
在外置驱动设计中,伺服驱动器与电机及传动总成分开安装。
这种方式为驱动器安装和热管理提供了更大灵活性,也使工程师能够根据不同应用要求选择或更换驱动单元。
主要优势包括:
驱动器可独立进行热管理。
维护和更换更方便。
适用于某些大功率或专用控制应用。
电气布局和系统架构更灵活。
不过,外置驱动配置需要额外规划电源线、编码器线和通信线,从而增加集成工作量。
因此,集成驱动设计并不一定优于外置驱动方案。
对于要求尺寸紧凑、重量轻和布线简便的机器人,集成驱动设计具有吸引力;如果需要灵活配置驱动器、独立散热或专用控制接口,外置驱动可能更合适。
通信协议决定了关节模组如何与机器人主控制器交换指令和反馈数据。
常见选项包括 EtherCAT、CAN FD 和 RS485。
EtherCAT:具有较高的实时性能和同步能力,适用于多轴协同、高速运动和精密定位,是工业机器人和高性能多关节系统的常见选择。
CAN FD:在传统 CAN 的基础上提升了数据传输能力,适用于分布式关节控制,以及对通信效率要求更高的移动机器人或人形机器人系统。
RS485:布线相对简单,抗噪能力较好,常用于工业控制和状态通信。其实际实时性能取决于通信协议、网络拓扑和控制器实现方式。
选型时,工程师不仅要确认支持哪些通信协议,还应确认模组是否兼容目标主控制器。
此外,还应提供完整的通信文档、对象字典、控制指令和状态反馈定义。
不同的机器人应用需要不同的控制模式。
常见选项包括:
位置控制:用于点到点定位、轨迹跟踪和重复运动。
速度控制:用于恒速旋转和连续运动。
扭矩控制:用于输出扭矩调节和力控应用。
周期同步位置模式:用于多个关节之间的同步轨迹控制。
周期同步扭矩模式:用于需要实时扭矩指令的高动态控制系统。
对于协作机器人和人形机器人,工程师应特别关注关节模组是否支持位置、速度和扭矩等多种控制模式。
不同控制模式之间能否平稳切换也很重要。
此外,工程师还应核实位置、速度和电流控制环架构,以及跟随误差监测、过流保护和通信故障处理等功能。
长期运行期间,机器人关节模组会受到电机发热、减速器摩擦、环境温度和工作负载变化的影响。
因此,除初始性能规格外,工程师还应评估热平衡、使用寿命和环境适应性。
电机和伺服驱动器在运行时会产生热量,减速器内部的摩擦也会造成热损耗。
如果关节长期在高负载或高运动频率下运行,且散热不足,就可能出现温升过高,导致输出扭矩下降、驱动器降额或触发热保护停机。
选型时,工程师应确认:
模组采用自然冷却还是辅助冷却。
电机和驱动器是否具备温度监测功能。
持续负载下的温升曲线。
达到热平衡所需的时间。
接近温度限制时的降额特性。
环境温度较高时的实际输出能力。
对于人形机器人膝关节、四足机器人髋关节和工业机械臂中的高频运动关节,长期温度数据尤为重要。
仅凭短时间性能测试不足以确定连续运行能力。
减速器是影响机器人关节模组长期可靠性的关键部件之一。
工程师应评估其额定使用寿命、润滑方式、维护要求和实际工作条件。
对于谐波减速器,应重点关注柔轮疲劳寿命、润滑条件和冲击负载的影响。
对于行星减速器,应关注齿轮啮合、轴承负载、齿面磨损和润滑条件。
如果供应商提供 L10 寿命数据,工程师应确认相应的负载、转速、润滑和工作温度条件。
还需注意,减速器的额定或理论使用寿命不一定等于完整关节模组的实际使用寿命。电机轴承、编码器、制动器、传感器和伺服驱动器也会影响系统的整体可靠性。
不同的机器人工作环境需要不同的防护等级。
例如:
室内实验室:根据粉尘和液体接触情况选择适当的防护等级。
工业车间:考虑粉尘、油污和偶发的液体飞溅。
户外机器人:评估淋雨、湿度和温度变化的影响。
特殊清洁环境:根据清洁方式和液体接触条件确认防护要求。
IP54 可作为某些工业环境的初步参考,但是否适用取决于实际粉尘和水的暴露情况。
对于户外、潮湿或冲洗作业应用,可能需要更高的防护等级。
工程师还应确认连接器、线缆接口和安装位置具备适当的防护能力,而不能只依赖外壳的 IP 等级。
了解关键技术参数后,工程师应建立系统化的选型流程,而不是根据单一规格选择产品。
以下步骤可供实际选型参考。
确定机器人类型、关节位置、运动范围、负载、工作频率和工作环境。
根据机器人的机械结构和运动轨迹,计算连续扭矩、峰值扭矩、输出转速、加速度和负载惯量。
根据负载、刚度、背隙、反驱能力和动态性能要求,选择合适的谐波或行星传动方案。
根据定位精度要求选择单编码器或双编码器架构,并确定是否需要输出侧扭矩传感器。
确认模组直径、长度、中空轴尺寸、法兰接口、安装配置、重量和制动器要求。
匹配供电电压、驱动架构、通信协议和控制模式,确保与机器人主控系统兼容。
进行实际负载测试、温升测试、动态运动测试及必要的耐久性评估,确认所选模组符合目标工作条件。
对于协作机器人、人形机器人和高动态机械臂,建议在最终确定关节模组型号前进行动态仿真、控制参数调试和原型验证。
不一定。尺寸过大的关节模组可能增加机器人重量、惯量、能耗和整体制造成本。
合适的选型应依据实际负载曲线、连续扭矩、峰值扭矩和所需安全余量,而不是简单地选择可用输出扭矩最高的产品。
选择取决于各关节的位置和工作要求。
对于需要结构紧凑、传动背隙小的关节,可以考虑谐波传动。对于承受较大动态冲击且要求强承载能力的关节,高性能行星传动可能更适合。
最终决策还应考虑扭矩密度、重量、扭转刚度和控制性能。
不需要。对于常规点到点定位、固定轨迹物料搬运及不涉及精确力交互的应用,基于电机电流的扭矩估算可能已经足够。
对于精密装配、碰撞检测、人机协作和柔顺力控,输出侧扭矩传感器能够提供更直接的负载反馈。
双编码器架构可以直接检测输出侧位置,并为传动误差补偿提供反馈。
不过,实际定位精度还取决于编码器分辨率、安装精度、减速器性能、机械刚度和控制算法。
编码器的数量本身并不能决定机器人的最终定位精度。
集成驱动配置具有集成度高、布线简便和结构紧凑等优点,因此适用于空间受限的人形机器人设计。
不过,工程师还必须考虑热管理、电磁兼容性和维护要求。
对于某些大功率关节,也值得评估外置驱动配置。
机器人关节模组选型并非简单比较额定扭矩、减速比和外形尺寸,而是需要根据机器人的整体运动要求,全面评估动态性能、传动精度、反馈架构、力控能力、机械安装、电气接口和长期可靠性。
对于协作机器人和人形机器人,双编码器、输出侧扭矩传感器和高度集成的关节模组,可以为高精度位置控制和柔顺力控提供更完整的硬件基础。
对于重载和高动态机器人,则应更加关注扭矩密度、扭转刚度、抗冲击能力和热平衡。
HONPINE 的 TCHL 系列机器人关节模组专为轻量化机器人系统、高精度运动控制和力交互应用设计。该系列采用集成传动、位置反馈和扭矩感测配置,可为不同机器人需求提供灵活的关节解决方案。
通过评估每个关节的负载、转速、精度和控制要求,机器人工程团队可以选择合适的模组配置,为机器人设计、系统集成和可靠运动控制提供支持。
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