机器人旋转关节：哪种关节架构适合您的机器人设计？

引言：为什么机器人旋转关节变得越来越重要

机器人没有关节就无法移动，但随着机器人系统变得更加紧凑、智能和针对特定应用，机器人关节的作用发生了显著变化。

在传统机器人中，旋转关节通常由多个独立组件构成，包括电机、减速器、编码器、伺服驱动器、制动器，有时还包括扭矩传感器。每个组件都执行特定的功能，而机器人制造商则负责将它们集成到一个完整的关节中。

这种方法对许多传统工业机器人来说仍然适用。然而，现代机器人的要求越来越高。人形机器人需要紧凑轻便的执行器。协作机器人需要安全灵敏的运动控制。医疗机器人通常对尺寸、精度和洁净度有严格的要求。特殊用途的机械臂可能需要特殊的机械接口、内部布线或定制的关节尺寸。

因此，机器人制造商面临的问题不再仅仅是选择哪种电机或变速箱。

更重要的问题是：

机器人的每个轴应该采用哪种类型的关节结构？

这就是集成机器人关节模块变得越来越有价值的地方。

机器人旋转关节是什么？

旋转关节使机器人的一个连杆能够相对于另一个连杆旋转。从机械学的角度来看，这听起来很简单。然而，在现代机器人系统中，该关节通常需要同时执行多个功能。

该关节必须能够产生扭矩、传递运动、提供精确的位置反馈、与机器人控制器通信，并能动态响应负载变化。根据应用的不同，它可能还需要制动、扭矩传感、温度监测或其他安全功能。

因此，现代机器人旋转关节应该被视为一个完整的机电一体化运动单元，而不仅仅是一个电机或齿轮箱。

在设计多轴机器人时，这种区别尤为重要。关节周围安装的每个额外组件都会影响机器人的可用空间、总重量、布线布局、机械结构和控制架构。

因此，关节成为机器人整体设计的重要组成部分，而不是一个孤立的部件。

传统方法：用单个组件构建机器人关节

多年来，机器人制造商一直通过选择单个组件并将其集成到内部来设计旋转关节。

根据所需的转速和扭矩选择电机。然后，将减速器与电机和所需的输出性能相匹配。为了提供位置反馈，会添加编码器，而伺服驱动器通常安装在关节外部。根据应用的不同，设计中可能还需要制动器、扭矩传感器、额外的连接器和其他电子元件。

这种架构提供了灵活性，因为工程师可以独立选择每个组件。

然而，这种灵活性也带来了额外的工程工作。

电机和减速器必须正确匹配。必须设计机械接口。编码器信号需要连接到控制系统。驱动器必须进行配置和调谐。电源线和通信线必须穿过机器人内部。此外，还必须考虑散热管理。

随着机器人结构变得越来越小、集成度越来越高，这些组件可用的空间也越来越少。

结果就是一个常见的工程问题：各个部件可能都符合规格，但将它们集成到一个紧凑可靠的机器人关节中却变得越来越困难。

为什么集成式机器人关节模块正在改变机器人设计？

集成式机器人关节模块采用了不同的方法。

与其将电机、变速器、编码器、驱动器和其他功能视为完全独立的组件，不如将它们设计成一个协调运动单元的组成部分。

其目的并非仅仅是将多个产品放入同一个外壳中。

真正的目标是优化这些功能之间的机械、电气和控制接口。

这可以减少关节周围所需的外部组件数量，并简化机器人的整体架构。此外，它还可以帮助机器人制造商更轻松地实现不同机器人平台之间机械和电气接口的标准化。

对于开发多种类型机器人的公司而言，这一点尤为重要。不同的机器人轴可能需要不同的扭矩水平、尺寸、传动技术或传感配置，但仍然需要采用通用的关节模块开发方法。

这创造了一种更加模块化的机器人开发方式。

机器人不需要在每个轴上都采用相同的关节结构。

选择机器人关节模块时最重要的考虑因素之一是，同一机器人的不同轴可能具有完全不同的要求。

肩关节由于支撑着多个下游连接件，可能需要高输出扭矩和高结构刚度。肘关节可能需要在扭矩、速度、重量和动态响应之间取得平衡。腕关节位于机器人手臂的末端，因此可能需要优先考虑低惯性和紧凑的尺寸。

人形机器人更能凸显这种差异。髋关节和膝关节可能需要较大的扭矩容量，而腕关节和手关节则可能更注重紧凑性、轻量化和灵敏的运动响应。

同样的原理也适用于工业机器人、协作机器人、医疗系统、移动机械臂和专用机械臂。

因此，选择机器人关节时应该从轴的功能入手，而不是简单地为整个机器人选择同一个执行器。

谐波关节和行星关节模块提供不同的设计方案

集成式机器人关节不必使用某种特定的传动技术。

不同的传动架构可以提供不同的性能特征组合，这就是为什么谐波关节模块和行星关节模块在机器人系统中都发挥着重要作用的原因。

当应用需要高减速比、紧凑尺寸、低齿隙和精确定位时，谐波关节模块是一种有效的解决方案。这些特性使得谐波传动对于许多对安装空间和定位性能要求极高的机器人关节来说尤其具有吸引力。

对于速度、扭矩、效率、刚性和整体系统成本之间所需的平衡更适合行星传动的应用，行星关节模块提供了另一种解决方案。

关键在于，机器人制造商无需首先决定使用哪种变速箱技术。

更好的工程方法是先定义关节的要求，然后选择合适的执行器架构。

这使得传动技术成为解决方案的一部分，而不是初始限制因素。

集成式机器人关节模块可以解决哪些问题？

从它能够解决的工程问题的角度来看，集成机器人关节模块的价值就更加显而易见了。

机械集成是一大挑战。当多个组件被设计成一个执行器时，所需的外部机械接口可能减少。这可以简化关节壳体，并使周围的机器人结构更容易设计。

另一个挑战是布线。现代机器人可能包含电源线、编码器连接线、通信线、气动管路和传感器线路。空心轴关节结构和集成连接器可以提供更实用的布线方案，尤其适用于具有多个旋转轴的机器人。

第三个挑战是控制集成。当驱动电子设备和通信接口集成到关节中时，外部控制架构可以变得更加紧凑，也更容易标准化。

此外，重量和惯性也是一个需要考虑的问题。距离机器人基座较远的部件会对整个系统的动态负载产生显著影响。因此，更轻的集成关节除了关节本身的优势外，还能带来其他益处。

最后，集成模块可以减少机器人开发过程中所需的重复性工程工作量。制造商无需为每个新的机器人平台集成相同的电机、减速器、编码器和驱动器组合，而是可以基于成熟的联合模块架构开展工作。

为什么轻量化机器人关节在小型机器人中更为重要？

当机器人有多个活动部件时，减轻重量就显得尤为重要。

位于机器人手臂末端附近的关节不仅承受自身的重量，还会影响靠近基座的关节所承受的载荷。

这对于人形机器人和小型机械臂来说尤其重要，因为它们的电机扭矩和电池容量都有限。

例如，减轻腕关节的质量可以影响肘关节和肩关节的负荷需求。同样的原理也适用于紧凑型协作机器人和轻型医疗机械臂。

因此，不应仅通过观察单个执行器的重量来评估轻量化设计。

更有价值的问题是，所选关节如何影响整个机器人的质量分布和动态性能。

HONPINE 的 TCHL 平台正是围绕这一要求而设计的，它将紧凑的结构与集成的传感和灵活的机械安装选项相结合，适用于空间和重量特别受限的应用。

何时扭矩和刚度成为首要考虑因素？

轻量化设计并非总是首要考虑因素。

工业机器人、重型机械手、焊接系统、码垛设备和其他高负载机器可能需要更高的输出扭矩和结构刚度。

在这些应用中，仅仅为了减轻重量而选择非常小的执行器可能会造成不同的问题。

该接头必须能够承受所需的载荷，同时保持足够的刚度和定位性能。

HONPINE 的 HAG 平台通过提供不同的关节尺寸和扭矩等级，以及制动和扭矩传感等可配置功能，来满足这种需求。

HPJM-PRO 为扭矩密度、精确反馈、动态响应和驱动集成至关重要的高性能应用提供了另一种集成架构。

因此，我们的目标并不是让每个机器人关节都尽可能小或尽可能轻。

目标是在每个特定轴上找到扭矩容量、刚度、速度、重量、精度和系统集成之间的适当平衡。

扭矩传感为机器人关节增添了另一层智能

有些机器人应用需要比位置和速度反馈所能提供的更多信息。

当机器人执行精密装配、抛光、研磨、柔性操作或与人类进行物理交互时，控制系统可能需要了解作用在关节上的力或扭矩。

这就产生了对集成扭矩传感的需求。

与其在机器人关节周围添加单独的扭矩传感结构，不如将扭矩测量作为执行器整体架构的一部分进行设计。

HONPINE 的 TCHL 关节模块就是这种方法的一个例子，它将输出侧扭矩传感器集成到关节结构中。

好处不仅仅是机器人多了一个传感器。

更大的优势在于力传感成为执行器本身的一部分，从而更容易为需要快速响应的物理交互的应用开发闭环力和位置控制。

这对于协作机器人、医疗机器人、人形机器人、研究平台以及其他与环境接触是任务重要组成部分的系统来说尤其有价值。

灵活的机械安装对于特殊机器人设计至关重要。

并非所有机器人都能使用传统的关节安装结构。

专用机械臂、医疗设备、研究平台和定制自动化系统可能存在不寻常的机械限制。

执行器可能需要从特定方向安装。

电缆可能需要穿过接头的中心。

该关节可能需要直接连接到定制的机器人连杆上。

在这种情况下，接头的机械接口可能与扭矩和速度规格同样重要。

具有多种安装配置的联合模块可以为工程师在开发周围机器人结构时提供更大的自由度。

这也是 HONPINE 的 TCHL 平台采用灵活的安装配置而不是仅围绕一种安装方法进行设计的原因之一。

对于定制机器人而言，这种灵活性可以减少执行器周围所需的机械重新设计量。

何时应将驱动装置集成到机器人关节中？

驱动装置是否应该集成到关节中，取决于机器人的架构。

对于某些机器人而言，外部伺服驱动器提供了足够的灵活性，并且可能是首选，因为制造商已经拥有成熟的控制柜和电气架构。

然而，对于紧凑型机器人来说，外部驱动器可能会增加额外的空间和布线需求。

集成驱动可以将部分电子元件移至执行器本身，从而减少接头周围需要安装的设备数量。

这对于采用分布式架构、紧凑型控制系统或安装空间有限的机器人来说非常有用。

HONPINE 的集成关节平台提供不同级别的驱动和通信集成，允许根据机器人的控制要求选择执行器架构，而不是强迫每个应用使用相同的配置。

为什么联合模块平台比单一联合模型更有价值？

机器人制造商很少会永远只开发一种机器人。

一家公司可能先从轻型机械臂入手，之后再开发更大型的协作机器人。另一家公司则可能开发人形机器人平台，对髋关节、膝关节、肩关节、肘关节和腕关节提出不同的要求。

如果每个新机器人都需要全新的执行器架构，那么开发时间和工程资源将大幅增加。

联合模块平台提供了另一种方法。

制造商可以在保持通用开发框架的前提下，选择不同的执行器尺寸和配置。

例如，紧凑型机器人轴可能采用轻量化关节结构，而高负载轴则采用扭矩容量更大的大型关节。需要物理交互的关节可能增加扭矩传感功能，而其他轴则可能优先考虑速度和低惯性。

这使得机器人制造商能够围绕可扩展的关节架构构建一系列产品。

这正是机器人关节模块平台概念变得越来越重要的主要原因。

HONPINE的集成机器人关节模块方法

HONPINE 从不同机器人需求的角度出发进行机器人关节开发，而不是采用单一的传动技术。

该公司的一体化关节产品组合包括谐波关节模块和行星关节模块解决方案，可根据应用考虑不同的传动架构。

针对高度紧凑轻巧的机器人结构，TCHL 平台专注于紧凑集成、灵活安装和可选扭矩传感。

HPJM-PRO 针对高性能机器人应用，将电机、传动装置、反馈和驱动功能集成到一个紧凑的关节架构中，旨在满足苛刻的运动控制要求。

对于工业机器人和高负载应用，HAG 平台提供更广泛的扭矩容量和可配置功能，例如制动和扭矩传感。

HONPINE 还为行星齿轮传动架构能够更好地满足所需性能和系统设计的应用开发行星齿轮联轴器模块解决方案。

该产品策略的目的并非让每个机器人使用相同的关节。

这是为了向机器人制造商提供不同的执行器架构，以便可以根据每个机器人轴的实际要求选择关节。

集成关节模块或将改变机器人的开发方式

集成机器人关节模块带来的最重要变化不仅仅是产品集成。

这是工程流程的改变。

采用传统的基于组件的方法，机械工程师、电气工程师和控制工程师在联合开发过程中通常需要协调几个独立的组件。

通过集成关节模块，可以在执行器级别定义更多此类接口。

这样一来，机器人制造商就可以更加专注于机器人的核心功能，包括机械结构、运动规划、控制算法、感知、软件和应用程序开发。

对于进入新兴机器人市场的公司而言，这尤其有价值。

一家公司可能在人工智能、机器视觉、物流自动化、工业软件或应用工程方面拥有强大的能力，但却没有从零开始开发电机、减速器、编码器、驱动器和机器人执行器的丰富经验。

集成式机器人关节模块可以为构建机器人平台提供更完整的硬件基础。

如何为机器人选择合适的旋转关节？

应根据机器人轴的完整要求选择合适的机器人旋转关节。

首先要考虑的通常是输出扭矩，但仅凭扭矩是不够的。

所需的速度、加速度、允许的重量、安装空间、定位性能、结构刚度、传动结构和工作周期都会影响最终的选择。

控制架构也必须考虑在内。有些机器人可能需要外部驱动器，而另一些机器人则可以受益于集成的驱动器和通信接口。

如果机器人需要进行物理交互，力或扭矩传感可能就成为一项重要功能。如果关节安装在垂直轴上，出于安全考虑，可能还需要配备制动器。

机械安装也不容忽视。空心轴的走向、连接器的位置、安装方向以及可用的安装空间都会显著影响接头的实用性。

因此，选择机器人关节最终是一个系统级的工程决策，而不是对单个规格的简单比较。

机器人旋转关节的未来

机器人旋转关节的未来发展方向很可能是更高的集成度、模块化和针对特定应用的配置。

但这并不意味着一种传输技术将取代所有其他技术。

谐波传动在需要紧凑尺寸、高减速比、低反冲和精密运动的应用中将继续发挥重要作用。

行星齿轮传动装置在速度、扭矩、效率、刚性和成本效益方面具有更佳的组合优势时，仍将具有价值。

与此同时，电机、编码器、驱动器、通信接口、制动器和传感技术将越来越多地集成到完整的联合级平台中。

因此，行业正在从组件选择转向联合架构选择。

这对机器人制造商来说是一个重要的变化。

工程师们与其询问应该在机器人中安装哪个单独的组件，不如先定义整个关节需要完成什么。

结论：选择合适的机器人关节架构

现代机器人的旋转关节远不止是一个连接到齿轮箱的电机那么简单。

它可以是一个完整的运动单元，集发电、传动、反馈、控制、传感、通信、制动和机械集成于一体。

对于某些机器人轴而言，集成式谐波关节模块可以提供精度、紧凑性和减速比的最佳组合。

对于其他应用，行星关节模块可能在速度、扭矩、效率、刚度和系统要求方面提供更好的平衡。

重点不是强迫每个机器人使用相同的执行器架构。

更好的方法是根据机器人的实际需求，为每个轴选择合适的关节结构。

这是 HONPINE 公司在其集成机器人关节模块产品组合中努力的方向。

HONPINE 通过结合谐波关节模块、行星关节模块解决方案、不同的扭矩范围、传感选项、驱动配置和机械接口，可以为寻求不仅仅是单个电机或齿轮箱的机器人制造商提供支持。

目标是提供完整的机器人关节解决方案，该方案可根据机器人的结构、控制系统和应用要求进行调整。

机器人旋转关节的未来发展方向并非找到一种通用的执行器，而是为机器人选择合适的关节结构。