机器人关节模组中的 STO 与保持制动器：对机器人安全控制有何区别？

随着工业自动化领域对机器人安全的日益重视，工程师需要了解人形机器人、协作机器人及其他机器人系统中机器人关节模组各项安全相关组件的作用。您应该选择带安全转矩关闭（STO）、保持制动器，还是两者兼备的关节模组？

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。本文将介绍 STO 与保持制动器的区别、它们的工作原理，以及各自的适用场景。我们将以 HONPINE HAG 谐波一体化关节执行器为例，探讨这两项功能各自的用途，以及它们如何在设计完善的机器人安全系统中协同工作。

什么是 STO（安全转矩关闭）？

STO，即安全转矩关闭，是一项安全功能。它通过安全相关的硬件架构禁用驱动器的功率输出，防止电机产生驱动转矩。

在 HONPINE HAG 系列中，STO 作为基于硬件的驱动器安全功能实现。当 STO 输入端正确激活时，驱动器会阻止电机产生转矩。与普通的软件停止命令不同，正确实现的 STO 功能设计为独立于常规运动控制命令和通信指令运行。

这有助于降低某些控制软件故障或通信故障导致电机意外产生转矩的风险。

STO 如何工作？

触发 STO 功能后，驱动器会禁用功率级产生电机转矩的能力。电机无法再通过驱动器主动产生驱动转矩。

但是，STO 不会对关节轴进行机械锁定，也不能保证机器人立即停止。关节可能因惯性、重力、外力或其他机械能量来源而继续运动。

例如，如果触发 STO 时机械臂正在运动，它可能会滑行一段距离后才停止。如果机械臂有一个垂直布置的关节并承载悬挂负载，那么一旦电机无法再产生支撑转矩，重力可能会使关节向下运动。

STO 的主要优势是什么？

STO 提供了一种安全相关的方式，可在不依赖普通软件运动命令的情况下防止电机产生转矩。

典型应用包括对防护门联锁、急停系统和维护访问作出安全相关响应，前提是整个安全系统已针对预期应用完成设计和验证。

STO 尤其适用于降低某些驱动器控制故障造成电机意外产生转矩的风险。

STO 有哪些局限？

STO 可防止驱动器产生电机转矩，但不提供机械保持力。

对于承载悬挂负载的机器人关节、垂直轴或其他受重力作用的机构，仅靠 STO 可能无法防止关节运动。可能需要增加额定参数适合的保持制动器或其他机械负载保持装置。

STO 也不会自动保证特定的停止时间或停止距离。这些参数取决于机械系统和整体安全设计。

什么是机器人关节模组中的保持制动器？

保持制动器是一种机械装置，设计用于在制动器接合时保持电机轴或关节的位置。在许多一体化机器人关节执行器中，制动器采用电磁式、弹簧施加机构。

在典型设计中，通电时制动器释放，断电后弹簧机构使制动器接合。具体工作原理取决于制动器设计。

对于 HONPINE HAG 系列，在符合制动器规格并正确安装的前提下，可配置保持制动器，以便在电机禁用或系统断电时保持关节位置。

保持制动器如何工作？

典型的电磁保持制动器工作方式如下：

驱动器启用：制动器通电释放，电机和关节可以旋转。

驱动器禁用：根据配置的控制顺序，发出制动器接合命令。

断电：对于弹簧施加、通电释放的制动器，移除释放电源后，制动器通常会接合，从而帮助保持关节位置。

在 HONPINE HAG 系列中，可根据配置通过 EtherCAT 或 CANopen SDO 命令控制制动器的打开和关闭。

制动器的机械响应并非瞬时完成。根据本文提供的 HAG 运行参数，制动器的实际动作时间约为 150 ms。禁用驱动器与重新启用驱动器之间规定的最短间隔为 300 ms；启用后至少需等待 500 ms，才能发出运动命令。

这些数值是特定产品的运行要求，并非所有机器人关节模组的通用时序。系统调试前，请务必确认最新版 HAG 手册及已配置的驱动器参数。

保持制动器的主要优势是什么？

保持制动器的主要优势在于，当电机不主动驱动负载时，它能够对关节运动提供机械阻力。

典型应用包括：

电机禁用时，使垂直机器人关节抵抗重力并保持位置。

在待机或断电状态下保持关节位置。

电机无法提供转矩时，帮助防止悬挂负载下降。

在维护或其他运行状态下保持位置，前提是系统安全设计支持此用途。

保持制动器有哪些局限？

保持制动器不能替代 STO。

如果制动器接合时驱动器仍在产生电机转矩，由此产生的作用力可能超过制动器的额定保持能力。这可能导致制动器磨损、过热、机械损坏或失去保持能力。

常规保持制动器通常也用于静态保持，而非反复制动快速运动的关节。若要将其用于动态紧急制动，必须选择专门针对该用途设计并额定的制动器，同时完成系统验证。

因此，不应将制动器视为防止电机意外产生转矩的唯一保护措施。

STO 与保持制动器：主要区别

STO 与保持制动器在机器人关节模组中承担不同的功能。下表总结了它们的主要区别。

关键区别很简单：STO 可防止电机产生转矩，而保持制动器则对关节运动提供机械阻力。两者都不能自动替代对方。

机器人关节模组仅使用 STO 或仅使用保持制动器会怎样？

在设计安全的机器人关节时，了解每项功能的局限性至关重要，尤其是机构承载垂直负载时。

情形 1 — 使用 STO，但不配备保持制动器

为什么激活 STO 后垂直机器人关节可能会下降？

STO 禁用电机产生转矩的能力后，垂直关节可能失去抵消重力所需的电机转矩。

如果关节没有其他有效的负载保持机构，机械臂或有效载荷可能会下降。由此产生的运动可能损坏设备、影响机器人位置，或造成人员受伤。

因此，如果机器人关节必须安全保持受重力作用的机构，除非另有合适的机械措施或系统级措施提供所需保护，否则不能仅依靠 STO。

适用场景：STO 可作为安全解决方案的一部分，用于在维护访问、防护装置触发或其他安全相关情况下防止电机意外产生转矩。但完整的安全系统仍必须考虑残余运动、重力和外力。

局限：STO 不会对轴进行机械锁定，也不能保持悬挂负载。

情形 2 — 使用保持制动器，但不配置 STO

为什么保持制动器不足以防止电机意外产生转矩？

保持制动器在接合且施加的负载未超过其额定能力时，可以使关节保持在当前位置。但是，它无法阻止故障驱动器尝试产生电机转矩。

如果驱动器故障导致电机在制动器仍接合时产生转矩，过大的转矩可能损坏制动器或其他机械部件。如果超过制动器的保持能力，关节可能会意外运动。

因此，保持制动器无法单独提供与正确实现的 STO 功能相同的防止电机意外产生转矩的保护。

适用场景：保持制动器适用于保持垂直关节的位置、保持悬挂负载，以及在电机禁用时保持机构位置。

局限：除非专门针对相应用途设计并额定，否则不应将常规保持制动器视为防止电机意外产生转矩的主要手段或动态紧急停止装置。

STO 与保持制动器应如何协同工作？

对于承载重力负载的机器人关节，将 STO 与额定参数适合的保持制动器结合使用，可以提供互补保护。不过，仅安装这两种组件并不能自动保证整个机器人安全。必须根据实际机械系统和所需安全功能设计它们的控制顺序。

建议的安全控制原则

典型的安全设计应考虑以下阶段：

检测安全事件。安全相关输入（如急停回路或防护门联锁）触发所需响应。

在需要时控制关节运动。如果风险评估要求受控减速，系统必须采用适当且经过验证的停止功能，而不能不考虑由此产生的运动就立即切断电机转矩。

在适当时机接合保持制动器。必须按照制造商要求和经过验证的安全顺序施加制动器。设计必须防止受重力作用的关节在制动器接合延迟期间下降。

根据安全设计要求施加 STO。达到所需的停止和负载保持条件后，STO 可防止电机继续产生转矩。对于要求立即移除转矩的紧急情况，安全设计必须考虑由此产生的滑行或重力驱动运动。

验证完整系统。必须针对实际机器人及其运行环境验证制动器时序、负载能力、停止距离、故障响应和重新启动条件。

重要提示：并不存在适用于所有机器人的统一正确顺序。特别是，对于受重力作用的轴，如果关节在这段时间内开始下降，先触发 STO、再等待关节停止后接合制动器的做法可能不安全。正确顺序取决于风险评估、可用安全功能、制动器特性和适用标准。

哪些机器人应用适合同时配备 STO 和保持制动器？

如果机器人既要防止电机意外产生转矩，又要保持承受机械负载的关节位置，就值得考虑同时使用 STO 和保持制动器。

人形机器人

人形机器人包含多个关节，这些关节可能需要支撑身体重量，或以不同姿态承载负载。电机转矩不可用时，保持制动器可帮助保持关节位置；STO 则可在其安全功能激活时防止电机意外产生转矩。

所需配置取决于关节的作用、机器人的姿态以及电机转矩丢失可能造成的后果。

协作机器人

协作机器人可能在人附近运行，并频繁在运动、待机和维护状态之间切换。STO 与保持制动器可分别应对不同危险，但整台机器人还必须配备适当的防护措施、安全控制和风险降低措施。

仅凭其中任何一项功能，都不能证明机器人适合协作运行。

工业机械臂

工业机械臂通常包含垂直轴和承载较大有效载荷的关节。针对这些机构，设计人员必须考虑重力、停止行为、制动器保持能力以及驱动器故障可能造成的后果。

合理设计的 STO 与机械负载保持功能组合，有助于应对这些不同的危险。

医疗、教育和研究机器人

医疗机器人、实验室平台和研究平台可能需要受控运动、可预测的停止行为以及可靠的位置保持。适当的安全架构取决于应用的具体风险，包括关节是否支撑悬挂负载或是否在人附近运行。

应将 STO 和保持制动器作为完整系统设计的一部分进行选择，而不是将其视为可以互换的选项。

HONPINE HAG 谐波一体化关节执行器：STO 与保持制动器选项

HONPINE HAG 谐波一体化关节执行器可配置 STO 和保持制动器，以满足不同的运动控制和安全相关设计要求。

HAG 系列将谐波传动和电机驱动功能集成在紧凑型关节模组中，为机器人关节应用提供了实用的平台。STO 和保持制动器在系统中承担不同的用途：STO 用于防止电机产生转矩，制动器则用于帮助机械保持位置。

选择 HAG 配置时，工程师应评估以下因素：

关节方向和负载：确定关节是否支撑垂直轴、悬挂有效载荷或其他受重力作用的机构。

制动器保持能力：确认制动器的额定保持转矩足以应对最不利负载和机械条件。

驱动器和通信配置：确认所选型号支持的 STO 实现方式、制动器控制方法以及 EtherCAT 或 CANopen 功能。

停止和重新启动行为：检查所需的制动器动作时间、驱动器启用顺序及允许的运动命令。

系统级安全要求：评估完整的机器人系统，包括其安全控制器、电源架构、机械结构和可预见的故障情况。

正确的配置取决于机器人的实际运行条件和安全要求。STO 与保持制动器是互补功能，而非可互换的特性。

结论：STO 防止电机产生转矩；保持制动器保持机械位置

对于机器人关节模组，STO 和保持制动器解决的是两个不同的问题。

安全功能激活时，STO 可防止驱动器产生电机转矩。保持制动器则对关节运动提供机械阻力，并可在电机禁用时帮助保持受重力作用的机构。

对于涉及垂直关节或悬挂负载的应用，仅依赖其中一项功能可能无法应对重要危险。将两者结合使用，并作为机器人整体安全设计的一部分正确选型、安排控制顺序并完成验证，可以提供更完善的解决方案。

HONPINE 为人形机器人、协作机器人、工业自动化及其他精密运动控制应用提供谐波一体化关节执行器。

欢迎联系 HONPINE，进一步了解 HAG 谐波一体化关节执行器，并探讨适合您机器人关节应用的 STO 和保持制动器配置。