协作机器人应选择T型还是直型谐波关节模块？

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。今天，我将介绍两种适用于协作机械臂的谐波关节模组解决方案：TCHL 直筒型关节模组和HTS T 型关节模组。

一体化谐波关节模组是协作机器人（cobot）的关键驱动单元。它将谐波减速器、力矩电机、绝对值编码器、驱动电子元件和可选的保持制动器集成在紧凑的组件中，可简化机械集成并提供闭环伺服控制。

然而，选择合适的谐波关节模组，不只是比较力矩额定值或定位精度。模组的结构配置会直接影响安装空间、机械臂几何形状、内部线缆布线、机械刚度，以及运动连杆之间发生干涉的风险。

在本指南中，我将介绍TCHL 直筒型和HTS T 型谐波关节模组的结构特点、优势、局限性和典型应用，帮助工程师为协作机器人设计选择合适的解决方案。

1. 协作机器人关节模组的一般选型原则

为协作机械臂选择关节模组，需要综合评估五项因素：力矩和减速比、编码器性能、通信协议、环境条件以及机械结构配置。

1.1 根据运行工况匹配力矩和减速比

首先，应确定每个关节所需的连续力矩和峰值力矩。所选模组必须能够适应实际负载曲线，包括加速、减速、外力以及短时动态负载。

本指南所述的关节模组系列涵盖多种机座尺寸，外径分别为 70、80、90、110、142 和 170 mm。根据具体型号，可选减速比包括 51:1、81:1、101:1 和 121:1。

通常，较高的减速比可提供更大的力矩放大倍数，但在电机转速相同的情况下会降低输出转速。较低的减速比可实现更高的输出转速，但力矩放大倍数较小。

最终选型应依据执行器的力矩-转速特性、机器人的运动曲线以及所需工作周期确定。

重要提示：避免关节模组超出允许力矩限值运行，尤其应避免长时间超载。过载会加速磨损，或导致减速器及其他部件损坏，从而可能影响关节控制性能和可靠性。

对于需要抵抗重力保持负载的垂直安装关节，可考虑选用带制动器的配置。合适的保持制动器有助于在断电时防止轴意外旋转。对于重力负载较小的水平关节，根据应用的安全要求，也可考虑不带制动器的配置。

1.2 评估编码器配置和定位精度

原始规格所述的关节模组采用 17 位单圈和 16 位多圈磁性绝对值编码器配置。电池备份可在断电时保留多圈位置信息，因此，只要正确维护编码器备份系统，系统便无需在每次重新上电后都执行参考点归零流程，即可保留位置数据。

输出侧角分辨率受编码器配置和减速比影响。对于相同的电机侧编码器分辨率，较高的减速比可实现更小的理论输出角度增量。不过，实际定位精度还取决于减速器传动误差、机械变形、背隙特性、安装精度和控制性能。

选型时，工程师还应检查以下机械精度参数：

• 输出法兰端面跳动

• 输出轴径向跳动

• 同轴度

• 平行度

这些公差会影响组装后机械臂的对准度和重复定位精度。在设计和验证过程中，应查阅 HONPINE 各型号的实测机械精度数据。

1.3 选择合适的通信协议

将多个关节模组集成到协作机械臂时，通信协议也是一项重要考量因素。

对于此处介绍的产品配置，型号后缀用于标识通信选项：C 表示 CANopen，E 表示 EtherCAT。订购前，请确认所选 TCHL 或 HTS 型号的具体后缀和可用协议。

EtherCAT (E)

EtherCAT 支持高速、确定性通信以及多轴同步控制，适用于具有六个或更多关节的协作机器人，尤其适合对协调运动和实时控制有要求的应用。

它可与兼容的 EtherCAT 主站控制器集成，包括基于 Beckhoff 的系统。

CANopen (C)

对于优先考虑网络架构相对简单、集成成本效益较高的系统，CANopen 可提供实用的解决方案。它可能适用于轴数较少或同步要求不太严格的机器人。

在设备配置文件和控制器支持的前提下，可使用兼容的 CANopen 主站控制器和 PLC。

合适的协议取决于完整的控制架构、通信周期要求、同步性能和控制器兼容性。

1.4 考虑环境条件和机械约束

选择关节模组前，应确认其运行环境符合产品规格要求。

该系列提供的环境条件如下：

• 工作温度：0–40°C

• 存储温度：−20–60°C

• 相对湿度：20–80% RH，无冷凝

• 防护等级：IP54

• 建议工作海拔：低于 1,000 m

应根据具体型号和配置的数据表确认这些数值。

控制柜还应具备充分的散热能力，防止内部温度超过允许的工作范围。

从机械角度来看，工程师应检查中空孔径、法兰安装孔位、机械臂连杆长度，以及机器人在完整运动范围内是否存在潜在干涉。

因此，TCHL 直筒型和 HTS T 型模组之间的结构差异尤为重要。

1.5 了解 TCHL 与 HTS 的结构差异

TCHL 直筒型关节模组和HTS T 型关节模组的主要区别在于输出法兰的几何形状和安装方式。

TCHL 直筒型采用直筒圆柱结构，输出法兰与模组主体同轴布置。

HTS T 型采用偏置输出法兰结构，可使连接的机械结构相对于圆柱形模组主体采用不同的布置方式。

这些差异会影响机械臂的整体尺寸、安装方式和空间布局。

比较对应型号时，应核实各配置的具体规格，不要假设所有内部组件或电气特性都相同。

2. TCHL 直筒型谐波关节模组的优势

TCHL 直筒型关节模组采用圆柱形主体和同轴输出法兰。输出法兰围绕模组中心轴布置，形成直筒、紧凑的外形。

根据型号不同，产品图纸可能包括 TCHL-14-70 和 TCHL-17-80 等配置。请对照 HONPINE 当前产品目录确认具体型号名称。

2.1 满足空间受限设计的紧凑径向尺寸

由于模组主体和输出法兰共用一条轴线，直筒型配置没有额外的侧向法兰偏移。

当模组需要安装在圆柱形机械臂连杆内部或嵌套式机械组件中时，这种结构有助于减小径向空间需求。

中空中心也可用于布置内部线缆、气动管路及其他服务管线，具体取决于可用孔径和安装要求。

对于径向间隙有限的协作机器人设计，TCHL 直筒型配置可简化空间布局，并有助于保持紧凑的外部轮廓。

2.2 便于传递载荷的同轴法兰设计

同轴输出法兰在中心孔周围提供圆形安装接口。可根据指定孔位在法兰周围布置安装螺栓，帮助将载荷传递至减速器输出结构。

对于承受弯矩和倾覆载荷的关节，只要模组选型和安装正确，这种布置方式可能具有优势。

实际承载能力和刚度取决于减速器、输出轴承布置、法兰几何形状、螺栓规格、安装接口和外部载荷条件。

对于承受较大弯矩的底座和肩部关节，工程师应将模组允许的径向、轴向和力矩载荷与机器人实际产生的载荷进行比较。

应查阅产品手册，确认各型号适用的螺栓规格和紧固扭矩。

2.3 简化机械设计和制造

直筒形外形有助于简化机械臂外壳和连杆结构的设计。

在许多应用中，机械臂连杆可围绕圆柱形或同轴结构设计，两端设置安装接口。这样可能减少对定制偏置支架或复杂外部轮廓的需求。

视整体机械设计而定，较简单的外壳也可使加工、装配和维护更加便捷。

对于开发多种协作机器人型号的制造商，标准化的直筒型关节接口可能有助于简化机械部件的复用。

2.4 与传统机械臂架构广泛兼容

直筒型关节模组适用于相邻连杆通过同轴安装接口连接的机械臂架构。

它们可用于底座、肩部和肘部关节，以及旋转定位机构和其他适合采用直筒外形的应用。

将 TCHL 模组集成到控制系统时，通信协议、调试工具和软件配置必须与所选产品版本匹配。不应仅因模组配置的结构有所变化，就假定必须采用不同的控制策略。

2.5 TCHL 直筒型配置的局限性

当机械臂需要在相邻连杆之间实现紧凑的 90 度连接时，直筒型配置的主要局限性便会显现。

由于输出法兰与模组主体同轴布置，两个连杆以直角连接时，整体组件可能需要额外的轴向空间。

这可能增加关节组件的厚度，并拉大相邻连杆结构之间的距离。在紧凑型腕部机构中，这些额外空间可能缩小可用运动范围，并增加自干涉风险。

根据机械布局，可能还需要额外的转接支架。

2.6 TCHL 直筒型关节模组的典型应用

以下应用可考虑采用 TCHL 直筒型配置：

• 协作机械臂的底座和肩部关节

• 采用同轴安装方式的肘部关节

• 旋转定位台和机构

• 要求径向轮廓紧凑的应用

• 围绕圆柱形机械臂连杆设计的机器人结构

承受较大弯矩并需要适配同轴安装接口的关节

最终选型仍必须根据模组额定载荷、尺寸和安装要求进行验证。

3. HTS T 型谐波关节模组的优势

HTS T 型关节模组采用偏置输出法兰结构。法兰相对于圆柱形模组主体横向偏置，可适应相邻机械臂连杆之间的直角连接。

这种几何结构特别适用于紧凑型协作机器人腕部，可在有限的安装空间内布置多个旋转轴。

3.1 直角安装，减少轴向空间

偏置输出法兰可使连接的连杆结构采用不同于同轴直筒型模组的布置方式。

在合适的机械布局中，这种结构可简化相邻机械臂连杆之间的 90 度连接，并减少组装后关节结构的轴向厚度。

这一优势对于协作机器人的腕部轴尤其重要，通常指第 4、5 和 6 轴。

由于多个旋转轴需要靠近末端执行器布置，这些关节通常需要紧凑安装。

通过减少关节连接所需的空间，HTS T 型配置有助于打造更紧凑的腕部，并降低机器人在狭窄工作空间内运动时的干涉风险。

实际改善效果取决于连杆几何形状、输出法兰尺寸、安装方式和完整运动范围。

3.2 减少转接部件，简化多轴腕部设计

采用传统直筒型模组时，可能需要额外的 L 形转接支架，才能实现相邻连杆之间的直角连接。

根据设计情况，该支架可能增加质量和部件数量，并引入需要精确加工和装配的额外安装接口。

HTS T 型配置将偏置结构集成在模组本身的结构布局中，可能减少对独立转接部件的需求。

这有助于简化紧凑型多轴腕部组件的机械设计。

减少不必要的支架和接口，也可能降低末端执行器组件的质量，提高机器人的负载与自重比，前提是最终结构满足所需的刚度和强度要求。

3.3 通过中空中心布置内部线缆

根据具体型号的孔径尺寸和机械结构，T 型配置也可支持线缆通过模组中空中心进行内部布线。

可根据安装设计，将线缆和服务管线穿过模组主体，并连接至偏置输出结构。

内部布线有助于保护线缆，避免其被外部物体钩挂、磨损或与周围设备发生干涉。

对于需要紧凑线缆管理的协作机器人，这在腕部区域尤其有用，因为外部线缆环可能与附近物体发生干涉，或限制可用运动范围。

工程师应确认线缆弯曲半径、连接器尺寸、允许的线缆扭转量，以及整个关节运动范围内的间隙。

3.4 HTS T 型配置的局限性

尽管 T 型设计具有空间布局优势，但并非适用于所有关节。

横向占用空间较大

偏置输出法兰会突出于中央圆柱形轮廓之外，从而可能增加机器人的整体宽度或径向空间需求。

对于可能要求外部轮廓较窄的底座和肩部关节，这种额外的侧向突出可能构成不利因素。

偏心载荷注意事项

由于输出法兰相对于模组主体偏置，机械设计必须考虑由此形成的载荷路径，以及外部结构产生的任何额外弯矩。

对于重载或较大弯矩应用，工程师应核实模组的允许载荷，并确保壳体和安装接口具有足够的强度与刚度。

壳体几何形状更复杂

偏置外形可能需要定制的机械臂连杆壳体，而不是简单的圆柱形外壳。

根据机器人的架构和制造工艺，这可能增加加工和机械设计的复杂性。

因此，只有当 HTS T 型配置带来的空间布局优势足以抵消额外设计要求时，才应选择该配置。

3.5 HTS T 型关节模组的典型应用

以下应用可考虑采用 HTS T 型配置：

• 协作机械臂的紧凑型腕部组件

• 相邻机械臂连杆之间的直角连接

• 轴向空间有限的多轴腕部机构

• 需要伸入狭窄工作区域的机械臂

• 优先减少转接支架和远端关节质量的设计

• 适合通过紧凑型关节结构进行内部线缆布线的应用

所选型号仍必须满足所需的力矩、转速、刚度和允许载荷规格。

4. TCHL 直筒型与 HTS T 型：如何选择

这两种配置最重要的区别在于机械布局，而不仅仅是力矩额定值。

4.1 何时应选择 TCHL 直筒型模组？

如果机器人的机械架构适合采用同轴圆柱形模组，可优先考虑 TCHL 直筒型配置。

对于底座和肩部关节、旋转定位应用，以及径向间隙有限的机械臂连杆，尤其值得评估该配置。

当机械臂结构采用圆柱形部件和传统同轴安装接口时，直筒型设计也可能简化壳体设计。

4.2 何时应选择 HTS T 型模组？

如果机械臂需要紧凑的直角连接，或需要尽可能减小多轴腕部组件的轴向厚度，可优先考虑 HTS T 型配置。

其偏置输出法兰可简化机械空间布局，并可能减少对独立转接支架的需求。

不过，工程师还应评估增大的横向空间需求、载荷路径、壳体设计，以及机器人整个运动范围内的可用间隙。

4.3 同一台协作机器人能否同时使用两种配置？

可以。如果机械架构有此需要，协作机器人可以在不同位置使用不同配置的关节模组。

例如，机器人可以在底座和肩部使用 TCHL 直筒型模组，以利用同轴安装的优势；在紧凑型腕部组件中使用 HTS T 型模组，以便通过直角布局减少空间占用。

这种混合配置可以提高机械设计的灵活性，前提是所选模组满足所需的力矩、转速、通信和安装规格。

5. 协作机器人关节模组选型的最终建议

在 TCHL 直筒型谐波关节模组和 HTS T 型谐波关节模组之间进行选择，应从机械臂的机械结构着手。

如果重点是同轴圆柱形设计、紧凑的径向轮廓和简便的安装方式，通常可考虑 TCHL 直筒型配置。

如果重视直角连杆连接、紧凑的腕部空间布局和较小的轴向空间，则尤其值得考虑 HTS T 型配置。

两种配置并无绝对优劣之分。合适的选择取决于关节位置、可用安装空间、外部载荷、所需运动范围和整体机器人架构。

定稿前，工程师应依据适用的产品资料，核实具体型号尺寸、力矩-转速性能、编码器规格、通信协议、允许载荷和制动器选项。

6. 联系 HONPINE，获取协作机器人关节模组解决方案

在 HONPINE，我们深知协作机器人设计人员需要的不仅是紧凑型执行器，还需要适配机械架构、满足运动性能要求并简化系统集成的关节模组配置。

TCHL 直筒型和HTS T 型谐波关节模组为协作机器人关节设计提供了两种不同的结构方案。

无论您正在开发六轴协作机械臂、紧凑型机器人腕部还是定制自动化系统，在设计早期选择合适的配置，都有助于降低机械复杂性并提高空间利用率。

请联系 HONPINE，讨论您的协作机器人关节模组需求，并为您的应用确定合适的配置。