适用于人形机器人手臂和腿部的机器人关节模组解决方案

机械臂的应用正在众多行业中迅速拓展。机器人上半身可构成完整人形机器人的一部分，也可与固定式机械臂和移动底座组合，或与配备灵巧手的机械臂结合，用于执行零部件抓取与放置、螺钉紧固、连接器插拔、开关操作、箱体搬运、电动工具操作、视觉引导抓取、仓储拣选、汽车装配、3C电子产品装配、实验室作业及医疗辅助等任务。

这些应用的核心是机器人关节模组，其在提供所需的运动、扭矩、精度和响应能力方面发挥着关键作用。

较小的关节通常优先考虑低重量和快速响应，而较大的关节则需要更高的扭矩密度和可靠性。优秀的关节解决方案并非简单地将同一模组放大或缩小，而是应根据每个关节的具体负载、运动范围和控制要求进行精准匹配。

HONPINE 的机器人关节模组包括四个谐波关节模组系列——HPJM、TCHL、HAU和HAG——以及行星关节模组系列 HPA 和 JRM。

本文以 HONPINE HPJM 系列为例，介绍适用于人形机器人上肢和下肢的机器人关节模组解决方案。

人形机器人上肢关节解决方案：肩部、肘部和腕部的分级扭矩配置

腕部和手指：3–10 Nm

腕部和手指关节是人形机器人中尺寸最小的关节之一。它们需要极低的重量和快速响应，以实现灵活运动。

HONPINE HPJM-RE30-40 系列的峰值扭矩为 3.3–4.8 Nm，重量仅为 0.19 kg，非常适用于腕部、手指及其他末端关节。

该模组具有 24–48 V 宽电压范围、CAN 通信和高度集成化设计，为轻量化人形机器人关节提供紧凑的解决方案。

肘部：20–50 Nm

肘关节需要支撑前臂和手部的负载，同时提供足够的运动范围。

HONPINE HPJM-RE50-60 系列的峰值扭矩最高可达 34 Nm，重量为 0.45 kg。该系列提供 51、81 和 101 减速比，是人形机器人肘关节的实用选择。

对于需要更高扭矩的应用，HPJM-RE60-70 系列可提供最高 66 Nm 的峰值扭矩，满足更高负载要求。

肩部：50–150 Nm

肩部是上肢中最大的关节之一。它需要支撑整条手臂的重量，同时提供较大的运动范围。

HONPINE HPJM-RE70-80 系列提供 69–108 Nm 峰值扭矩，而 HPJM-RE80-97 系列可提供最高 217 Nm 峰值扭矩，覆盖从轻量化到更高负载应用的广泛肩关节需求。

双编码器版本同时支持 CAN 和 EtherCAT，可实现多个机器人关节之间更精准的同步与协同控制。

人形机器人上肢的轻量化设计

减重是人形机器人上肢关节的共同重点。

与同尺寸级别的标准 PRO 系列相比，HONPINE HPJM-REPRO-S 系列重量约减轻 15%–30%。这对于需要严格控制整体系统重量的人形机器人尤具价值。

人形机器人下肢关节解决方案：平衡高负载与轻量化设计

与许多上肢关节相比，下肢关节面临显著更高的负载和冲击要求。关键挑战在于平衡扭矩能力、结构强度、响应速度和重量。

踝部：30–80 Nm

踝关节在维持平衡方面发挥关键作用，需要快速响应与充足扭矩能力相结合。

HONPINE HPJM-RE50-70 和 HPJM-RE60-70 系列可用于踝关节应用，提供 34–66 Nm 的峰值扭矩，重量约为 0.6–0.8 kg。

这为人形机器人踝关节提供了响应速度与负载能力之间的平衡。

膝部：80–200 Nm

膝关节在行走、下蹲及其他动态运动过程中承受显著冲击负载，因此需要较高的扭矩能力和可靠运行性能。

HONPINE HPJM-RE80-97 系列提供 121–217 Nm 峰值扭矩，而 HPJM-RE80-110 系列可提供最高 217 Nm 峰值扭矩，使这些系列适用于多种人形机器人膝关节应用。

采用 27 mm 通孔的大中空设计，便于内部线缆布置以及气动或液压管路穿过。

髋部：150–800 Nm

髋部是人形机器人中最大、负载最重的关节之一。它需要支撑机器人的整体体重，同时实现多轴运动。

HONPINE HPJM-RE100-120 系列提供 267–459 Nm 峰值扭矩，而 HPJM-RE110-145 系列可提供最高 491–800 Nm 峰值扭矩，为重载髋关节应用提供高扭矩选择。

该产品额定使用寿命超过 10,000 小时，并可在规定的连续扭矩条件下保持精度，支持长期运行可靠性。

为什么集成式谐波关节模组对人形机器人至关重要？

对于人形机器人下肢而言，关键工程挑战之一是在高负载能力与轻量化结构之间实现恰当平衡。

HONPINE HPJM 系列将谐波减速器与无框力矩电机相结合，在紧凑结构中提供高扭矩密度。交叉滚子轴承具备高轴向和径向负载能力，同时对冲击负载具有较强抵抗能力。

这种集成式架构将机器人关节所需的主要部件集成到紧凑模组中，有助于降低关节组件的复杂性和整体重量。

机器人关节模组与人形机器人手臂的工作空间

机器人手臂最基本的功能是向外伸展。然而，真正的挑战在于手臂能否覆盖足够大的工作空间、以合适的姿态到达目标位置，并与机器人的视觉系统、躯干和下肢有效协同。

上肢作为末端悬臂，因此会产生长力臂负载。在人形机器人上，手臂自身的重量会对髋部、腰部和下肢产生显著的倾覆力矩。

集成式机器人关节模组有助于减轻每个关节的重量并降低复杂性，同时保持应用所需的扭矩、控制和运动性能。这使人形机器人手臂更加紧凑、响应更快，同时支持全身协同运动。

联系 HONPINE，了解更多机器人关节模组信息，并探讨适合您人形机器人应用的关节解决方案。