人形机器人和轮式机器人的机器人关节电机：如何选择合适的关节执行器？

简介

当人们想到机器人关节电机时，人形机器人通常是首先想到的应用。一个人形机器人可能包含数十个独立控制的关节，包括髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰部、颈部和手部关节。每个关节都需要产生受控的旋转运动，同时保持紧凑、轻量、高精度，并能够在动态载荷下可靠运行。

然而，机器人关节电机并不局限于人形机器人。随着轮式机器人从简单的移动平台发展为移动操作、巡检和服务系统，它们越来越多地配备机械臂、旋转头部、云台机构、夹具和其他关节结构。这些机构同样需要紧凑且能够实现精确控制的旋转关节。

因此，重要的问题并不是机器人属于人形机器人还是轮式机器人，而是机器人需要执行什么类型的关节运动。

人形机器人的髋关节和移动机器人机械臂的肘关节可能具有非常不同的扭矩要求，但二者都依赖受控的旋转执行器。机器人头部所需的扭矩可能远低于人形机器人的膝关节，但其定位精度和运动平滑性同样重要。

这使得机器人关节电机成为多种关节式机器人系统的基础构件。

为什么机器人关节电机会成为机器人的关键构件？

机器人关节电机不应被简单地视为产生旋转运动的电机。在现代机器人系统中，关节是一个完整的机电一体化单元，电机、减速器、编码器、驱动电子装置、轴承、壳体和控制系统在其中协同工作。

典型的集成式架构可以表示为：

电机 + 减速器 + 编码器 + 驱动器 = 集成式机器人关节电机

根据应用需求，关节中还可以集成扭矩检测、制动、温度监测和通信接口等附加功能。

这种架构改变了机器人制造商设计机器人的方式。工程师无需分别选择每个部件，再将其集成到最终关节中，而是可以使用具有明确机械、电气和通信接口的标准化关节模块。

随着机器人关节数量增加，这一点尤其有价值。人形机器人可能需要数十个驱动轴，而配备机械臂、旋转头部和操作系统的移动机器人也可能包含多个独立控制的关节。

机器人的关节越多，标准化且可重复的执行器架构就越有价值。

人形机器人对机器人关节电机的要求

人形机器人对机器人关节电机提出了最严苛的要求之一，因为执行器必须安装在人类尺度的机械结构内部，同时为动态运动提供足够的扭矩。

髋关节、膝关节和踝关节在承受机器人相当大一部分重量的同时，可能需要较高的连续扭矩和峰值扭矩。与此同时，肩关节、肘关节、腕关节和颈部关节对扭矩、速度、紧凑性和定位精度有着不同的组合要求。

这意味着人形机器人不能在整个身体上简单地使用完全相同的执行器。

髋关节执行器可能更注重高扭矩密度和机械刚度，而腕部执行器则可能更强调低重量、紧凑尺寸和精确定位。颈部或头部执行器可能只需要相对较低的扭矩，但需要出色的运动平滑性和角度定位能力。

因此，实用的人形机器人执行器平台通常需要提供多个扭矩和尺寸等级，同时保持一致的系统架构。

关键挑战在于，在不使执行器过重或过大的情况下，实现足够的关节性能。机器人关节处每增加一千克，都可能影响其他关节承受的动态载荷，增加能耗，并改变机器人的整体运动特性。

这就是为什么扭矩密度、紧凑性、机械刚度、热性能和反馈精度已成为评估人形机器人关节电机的重要标准。

机器人关节电机在轮式机器人中同样重要

人们通常主要从移动平台的角度讨论轮式机器人，但其机械架构可以远远超出移动底座本身。

现代轮式机器人可能配备用于操作的机械臂、用于感知的旋转头部、用于传感器定位的云台机构，或多轴巡检系统。一旦引入这些关节机构，机器人就需要多个受控的旋转关节。

例如，移动操作机器人可能拥有由肩关节、肘关节、腕关节和末端执行器机构组成的机械链。机器人可以通过移动平台在环境中移动，但其操作功能依赖于与其他机械臂相同的基本原理：每个旋转关节都需要受控扭矩、准确定位、适当刚度和可靠反馈。

同样的原理也适用于机器人头部。

轮式巡检机器人可能会将摄像头、深度传感器或其他感知系统安装在旋转头部上。头部可能需要持续扫描周围环境、跟踪目标，或保持特定的传感器朝向。在此类应用中，执行器不一定需要达到人形机器人髋关节或膝关节所需的极高扭矩，但低回差、紧凑尺寸、平滑旋转和精确位置控制可能更加重要。

因此，不应将机器人关节电机在轮式机器人中的应用理解为对其主要移动系统的替代。相反，它体现了机器人除基本移动之外所承载的关节功能不断增加。

不同机器人关节需要不同的电机特性

机器人关节电机的要求主要由关节的功能决定。

这一比较说明，仅根据额定功率选择机器人关节电机是不够的。

高扭矩执行器可能非常适合人形机器人的膝关节，但对于机器人头部而言可能尺寸过大。相反，针对低惯量和精确定位进行优化的执行器，可能无法为重型机械臂关节提供足够的连续扭矩。

正确的方法是根据每个关节实际的扭矩、速度、工作循环、机械刚度、安装空间和反馈要求来匹配执行器。

为什么谐波关节电机适用于机器人关节？

在各种传动技术中，对于需要高减速比、低回差、紧凑尺寸和高定位精度的机器人关节而言，谐波传动尤其具有吸引力。

基于谐波传动的机器人关节电机将电机与谐波减速器结合起来，把电机的高速旋转转换为受控的高扭矩输出运动。

对于空间受到严格限制的应用，这种架构可以在输出扭矩和封装尺寸之间实现良好平衡。

低回差是精密机器人关节的另一项重要优势。当多个关节协同工作时，传动误差可能影响末端执行器或机器人本体的最终位置。因此，低回差传动有助于提高关节整体的可控性。

同时，谐波传动不应被视为适用于每个机器人关节的通用答案。减速比、输出速度、效率、反驱能力、扭转刚度、热性能和工作循环都必须综合评估。

因此，正确的问题不是谐波关节电机是否优于所有其他执行器，而是其特性是否与目标关节的具体要求相匹配。

集成式机器人关节电机与分立式电机和减速器

传统机器人关节通常分别使用电机、减速器、编码器和驱动器等部件。这种方式在开发阶段具有较高的灵活性，因为工程师可以独立更换或修改各个部件。

然而，随着机器人系统向更高集成度和更大生产规模发展，集成式机器人关节电机的优势越来越明显。

当电机、减速器、编码器和电子装置作为一个模块进行设计时，机械接口可以从设计初期进行优化，而不必等到最终装配阶段再解决。壳体也可以围绕电机和传动系统进行设计，从而提高结构刚度和热传导性能。

集成还可以减少外部布线的复杂性。这对于旋转关节尤其有价值，因为反复弯折线缆和干涉可能导致可靠性问题。

制造一致性是另一项重要优势。机器人制造工厂无需分别装配和校准每个电机、减速器、编码器和驱动器，而是可以在交付前对完整的关节模块进行测试和校准。

对于拥有众多关节的机器人，这可以显著降低装配和调试的复杂性。

然而，集成并不意味着每个部件都应被物理地压缩到尽可能小的空间内。在关节架构设计初期，必须考虑热路径、维护要求、传感器位置和机械刚度。

因此，真正的集成式关节并不只是将多个部件放入同一个壳体，而是同时围绕机械、电气、热和控制要求设计的关节系统。

如何选择合适的机器人关节电机？

选择机器人关节电机时，应从所需的输出运动入手，而不是从电机的标称功率入手。

首先，工程师需要确定实际运行条件下所需的连续输出扭矩和峰值输出扭矩。仅在几分之一秒内达到峰值扭矩的机器人关节，与需要持续承载重负载的关节，其要求截然不同。

输出速度同样重要。电机可能以相对较高的速度运行，但最终关节速度和输出扭矩由减速器决定。因此，选择减速比时必须同时考虑扭矩和速度，而不能只追求某一项参数的最大化。

随后，应根据应用的精度要求评估机械刚度和回差。高精度机械臂、人形机器人关节和定位机构，可能需要与要求较低的旋转机构明显不同的传动特性。

反馈架构也是一项重要考虑因素。电机侧编码器可以提供高速电机控制，而输出侧编码器可以更直接地提供最终关节位置的信息。对于先进的机器人应用，双编码器架构能够提供更多的控制和反馈能力。

还应结合实际工作循环评估热性能。仅凭短时峰值扭矩数据，无法准确体现关节在动态载荷下持续运行时的性能。

最后，工程师还需要考虑执行器的重量、尺寸、通信接口、布线要求、维护策略和集成程度。

因此，最佳的机器人关节电机不一定是扭矩最高或功率最大的产品，而是在可用机械空间内，能够提供所需扭矩、速度、精度、刚度、热性能和集成度的产品。

为什么模块化机器人关节电机越来越重要？

随着机器人制造商开发不同平台和不同代际的机器人，对模块化执行器平台的需求不断增加。

不同关节需要不同的性能等级，但针对每个关节重新设计完整的电气和机械架构，会产生不必要的工程工作。

模块化机器人关节电机平台则可以在保持通用机械和电气设计原则的同时，提供多种执行器尺寸和扭矩等级。

例如，机器人制造商可以在人形机器人的髋关节使用高扭矩执行器，在肘关节使用中等尺寸执行器，在腕部或机器人头部使用紧凑型执行器。

具体执行器可以有所不同，但整体开发方法仍保持一致。

这种方式可以缩短开发周期、简化测试，并更容易实现从原型机器人到量产平台的扩展。

因此，对于开发多种机器人产品的制造商而言，模块化程度可能与单个执行器的性能同样重要。

机器人关节电机的未来

机器人关节电机正朝着更深层次的集成方向发展。

未来的执行器模块可能会在标准化机械封装中集成更多功能，包括电机、精密减速器、编码器、驱动电子装置、扭矩检测、温度监测、通信和安全功能。

这意味着机器人关节将越来越成为一个独立的机电一体化单元，能够接收指令、产生扭矩、测量自身运行状态，并与机器人控制器进行通信。

这一趋势在人形机器人领域尤为明显，但底层技术同样可以支持机械臂、移动操作机器人、巡检机器人、协作机器人、四足机器人以及其他关节式系统。

这些平台的共同要求并不在于机器人的形状或移动方式。

而在于通过紧凑且高度集成的关节，产生精确、受控的旋转运动。

结论

机器人关节电机已不再是仅限于人形机器人的部件类别。

人形机器人需要在髋部、膝部、踝部、肩部、肘部、腕部、颈部和手部配置大量关节电机。同时，轮式机器人越来越多地配备机械臂、旋转头部、云台系统、巡检机构和其他同样依赖受控旋转关节的关节结构。

因此，重要的区别并不是机器人属于人形机器人还是轮式机器人。

而是每个关节需要完成什么任务。

高负载人形机器人关节可能优先考虑扭矩密度、刚度、热容量和动态响应。机械臂关节可能需要在扭矩、速度、精度和重复性之间取得平衡。机器人头部和云台机构则可能更加重视低回差、定位精度、紧凑性和运动平滑性。

这就是为什么机器人关节电机的选择应从关节的实际要求出发，而不是从机器人的整体类别出发。

对于人形机器人、移动操作机器人、巡检机器人、机械臂和其他关节式机器人系统而言，将电机、精密减速器、编码器和驱动器集成在一起的机器人关节电机，可以为构建紧凑且高性能的机器人关节提供标准化基础。

机器人驱动技术的未来并不只是让电机变得更强大，而是创建一种关节模块，将扭矩产生、传动、反馈、控制和机械结构集成为一个系统，并针对机器人的具体运动要求进行优化。