人形机器人谐波关节执行器完整解决方案：HPJM 系列选型指南

人形机器人需要一套经过精心协调的关节驱动系统，以平衡负载能力、运动速度、定位精度、动态响应和整体重量。为每个关节选择合适的谐波关节执行器，对于实现稳定行走、精准操作和长期可靠运行至关重要。

您好，我是 HONPINE 技术总监 Theodore Li。在之前的文章中，我讨论了适用于人形机器人各个关节的谐波关节执行器解决方案，包括肩部、腰部、手臂和腿部。相关文章发布后，几位 LinkedIn 读者希望了解一套涵盖整台人形机器人的更全面解决方案。

在本指南中，我将使用HONPINE HPJM 谐波关节执行器系列的实际型号，说明如何配置完整的人形机器人关节驱动系统。建议内容涵盖关节位置、扭矩要求、减速比、动态性能和制动器配置，帮助工程师为整机各关节的选型制定切实可行的初步方案。

最终配置始终应根据机器人的重量、负载、关节几何结构、所需运动曲线、热限制和安全要求进行验证。

1. 人形机器人谐波关节执行器系统的基本选型原则

在选择具体的 HPJM 型号之前，工程师应了解影响整机性能的四项基本原则。

1.1 远端关节轻量化，近端关节高扭矩

手腕和脚踝距离机器人的主要结构支撑相对较远，其质量和转动惯量会显著影响动态响应和控制性能。因此，在扭矩能力满足要求的情况下，这些位置优先采用轻量、紧凑的谐波关节执行器。

相比之下，肩部、髋部和膝部需要承受较大的负载，包括相连结构的重量、负载产生的作用力，以及运动过程中产生的动态载荷。这些关节通常需要更高的扭矩能力和足够的过载裕量。

目标并非在每个关节都安装尽可能大的执行器，而是让执行器与其机械负载相匹配，同时尽量减少不必要的质量和惯量。

1.2 上半身侧重精度，下半身侧重动态性能

上半身关节用于抓取、装配、远程操作以及人机交互。这些应用通常优先考虑定位精度、运动平顺性和低速下的可控性。

下半身关节需要支撑行走、下蹲、平衡恢复和地面冲击管理，因此通常更重视扭矩能力、输出速度、加速度和动态响应。

这一差异可作为选择 HPJM 谐波关节电机型号和减速比的实用起点，不过各关节的具体要求可能有所不同。

1.3 根据运行条件选择减速比

减速比会影响谐波关节执行器的输出扭矩、速度、折算惯量和整体控制特性。

对于本指南讨论的 HPJM 配置，51:1 和 101:1 是两种重要选项。

51:1 减速比：对于需要较高输出速度和动态响应的关节，在电机速度和扭矩限制允许的情况下，可考虑此选项。

101:1 减速比：对于优先考虑更高扭矩放大和低速精细定位的关节，可考虑此选项。

较高的减速比并不必然意味着更高的定位精度或更好的力控制性能。实际表现还取决于编码器分辨率、减速器特性、电机控制、摩擦、柔顺性和控制架构。

应根据关节所需的速度—扭矩范围选择合适的减速比，而不能只看减速比本身。

1.4 将制动器配置纳入系统安全设计

根据具体型号，HPJM 系列提供带集成保持制动器和不带制动器的配置。

断电时，制动器有助于保持关节位置，尤其适用于支撑悬臂手臂或承受机器人重量的关节。但制动器不能替代完整的系统级安全工程设计。

选择制动器时，必须考虑保持扭矩、制动器吸合和释放时间、急停行为、制动器磨损，以及断电带来的机械后果。

对于人形机器人，应针对每个关节及其运行条件分别评估制动器要求。

2. 上半身关节完整选型：平衡精度、重量和扭矩

上半身包括手腕、肘部、肩部和腰部。这些关节承担不同功能，因此执行器规格应与各自的机械要求相匹配。

对于以精度为导向的应用，当所需输出速度和动态响应处于执行器工作范围内时，可考虑采用 101:1 等较高减速比。

2.1 手腕关节：HPJM30-40-PRO-101

手腕位于手臂末端附近，用于控制手部或灵巧夹爪的姿态。它对于精细定位、小零件搬运、精密装配和精细交互十分重要。

对于重视尺寸紧凑和执行器低质量的手腕应用，可考虑 HPJM30-40-PRO-101。

其小巧的外形有助于限制施加在肘部和肩部的额外惯量。在机器人需要反复加速、减速或调整手部方向时，这一点尤其有价值。

101:1 减速配置可为受控低速运动提供较大的扭矩放大。实际定位性能和最小可控输出扭矩应在预期负载条件下进行验证。

潜在应用包括：

• 精密对位和小零件装配

• 灵巧机器人手的手腕姿态控制

• 远程操控机器人系统中的精细操作

• 对轻质物体进行受控操作

选型注意事项：增大执行器尺寸可能提升扭矩能力，但也可能增加远端质量和惯量。在换用更大型号之前，工程师应验证是否确实需要额外的能力。

2.2 肘部关节：HPJM40-52-PRO-101

肘部支撑前臂、手腕和末端执行器。在整个工作范围内，它必须为手臂伸展、抬升、保持和受控运动提供足够的扭矩。

对于需要平衡执行器尺寸与输出扭矩的应用，可考虑 HPJM40-52-PRO-101。

其扭矩参数如下：

• 额定扭矩：8.9 N·m

• 峰值扭矩：25 N·m

额定扭矩和峰值扭矩的用途不同。应根据连续运行负载和热限制评估额定扭矩；评估峰值扭矩时则必须考虑允许持续时间和工作周期。

当所需速度和扭矩处于执行器规格范围内时，101:1 配置可适用于受控定位、轨迹跟踪和相对低速的操作。

潜在应用包括：

• 人形机器人肘部关节

• 远程操控机械臂定位

• 视觉引导操作

• 对适当负载进行受控抬升和保持

计算肘部扭矩时，工程师应考虑前臂、手腕、夹爪和负载的质量及重心。手臂离开身体后，所需扭矩可能会显著增大。

2.3 肩部关节：HPJM60-70-PRO-101

肩部支撑并驱动整套手臂组件。根据机器人的架构，它可能需要承受较大的重力扭矩、加速载荷和负载引起的力矩。

对于扭矩能力高于远端关节且仍需保持相对紧凑集成设计的肩部应用，可考虑 HPJM60-70-PRO-101。

当所需输出速度符合执行器能力时，101:1 减速选项可用于受控抬升、手臂定位和精密操作。

工程师应根据肩部最不利的机械姿态进行评估，而不能仅依据手臂质量来选择执行器。手臂完全伸展时产生的重力力矩，可能远大于手臂贴近躯干时的力矩。

对于要求较高的应用，应验证连续扭矩、峰值扭矩持续时间、热性能、加速度要求和执行器安装刚度。

2.4 腰部关节：HPJM50-60-PRO-101

腰部连接上半身和下半身结构。根据机器人设计，它可能负责旋转、弯曲或其他躯干运动。

对于重视紧凑集成、受控运动和躯干精准定位的腰部轴，可考虑 HPJM50-60-PRO-101。

如果所需速度和加速度处于执行器工作范围内，101:1 减速比可用于较慢的躯干旋转和姿态调整。

腰部选型不应只考虑上半身质量。重心、躯干惯量、手臂运动以及上下半身之间的动态耦合，都会影响所需扭矩。

对于多轴腰部设计，应分别评估每个轴，因为各轴的负载方向和动态要求可能不同。

2.5 上半身配置概要

HPJM30、HPJM40、HPJM50 和 HPJM60 尺寸等级可作为上半身各关节分配执行器能力的起点。

初步配置可采用腕部 HPJM30-40-PRO-101、肘部 HPJM40-52-PRO-101、肩部 HPJM60-70-PRO-101，以及腰部某一轴的 HPJM50-60-PRO-101。

这些型号是工程设计的起点，并非适用于所有情况的通用规格。最终选型必须考虑各型号实际的扭矩—速度曲线、机械接口、编码器选项、热限制和工作周期。

3. 下半身关节完整选型：扭矩能力与动态响应

下半身必须支撑机器人重量，同时控制平衡并响应不断变化的地面条件。因此，髋部、膝部和脚踝关节需要仔细评估连续扭矩、峰值扭矩、输出速度、加速度和冲击载荷。

下半身执行器的选型不能仅靠选择最大机座尺寸或最低减速比。必须考虑完整的扭矩—速度范围和机器人的运动控制策略。

3.1 膝部关节：HPJM100-120-PRO-51

膝部是重要的承重关节，在行走、下蹲、起立和平衡扰动恢复过程中都承担较大负载。

根据机器人的几何结构和步态，单腿支撑、深蹲、快速加速或着地时的膝部扭矩可能显著增大。执行器必须同时应对持续载荷和短时动态峰值。

对于需要较高扭矩能力和动态响应的膝部应用，可考虑 HPJM100-120-PRO-51。

与采用其他条件相近的驱动系统的较高减速比配置相比，51:1 减速配置可能在扭矩放大和输出速度之间实现实用的平衡。不过，必须依据具体型号的性能数据验证实际速度和峰值扭矩。

主要工程检查项目包括：

• 站立和行走时的膝部连续扭矩

• 下蹲、起身和恢复动作期间的峰值扭矩

• 预期步态下的输出速度和加速度

• 重复负载下的热性能

• 机械刚度和允许的冲击载荷

• 减速时的再生制动和直流母线行为

选型注意事项：并非所有膝部关节都不适合采用 101:1 减速比。正确的减速比取决于所需速度、扭矩、电机特性和控制带宽。对于高动态设计，51:1 选项可能更合适，但必须通过扭矩—速度和运动曲线分析加以确认。

3.2 髋部关节：HPJM70-80-PRO-51 或 HPJM70-80-PRO-101

髋部是人形机器人中机械要求较高的部位之一。根据机器人架构，髋部可能包括俯仰、横滚和偏航轴。

虽然这些轴位于同一解剖区域，但其运行条件可能存在显著差异。

髋部俯仰轴和横滚轴

俯仰轴和横滚轴通常直接参与腿部摆动、身体支撑、侧向平衡和扰动恢复，因此可能需要较大的扭矩和快速动态响应。

当所需输出速度和加速度适合较低减速比时，这些轴可考虑采用 HPJM70-80-PRO-51。

髋部偏航轴

偏航轴控制绕垂直轴旋转。根据机器人的步态和转向策略，它可能更重视方向控制和定位，而非尽可能高的输出速度。

如果 HPJM70-80-PRO-101 的扭矩—速度特性满足偏航轴要求，且较高减速比有利于预期控制策略，则可考虑该型号。

并非所有人形机器人都需要相同的三轴髋部配置。有些架构会采用不同的执行器尺寸或机械布局，以减轻质量、简化控制或改善空间布置。

3.3 脚踝关节：HPJM60-70-PRO-51

脚踝控制足部姿态，并参与平衡、地面接触以及支撑相与摆动相之间的转换。

行走时，脚踝必须响应地面反作用力变化，并帮助调节机器人的重心。其扭矩和速度要求取决于足部几何结构、行走速度、地形和控制策略。

对于需要兼顾扭矩能力与动态响应的脚踝应用，可考虑 HPJM60-70-PRO-51。

如果电机和驱动系统能够提供所需速度和扭矩，较低的减速比有助于实现更快的输出运动。

机器人使用足部力传感器或接触传感器时，脚踝执行器可作为协调控制系统的一部分，用于控制落足位置和地面接触。不过，冲击吸收和稳定接触还取决于机械柔顺性、传感器带宽、控制延迟和整体腿部结构。

主要选型注意事项包括：

• 蹬离地面和平衡恢复时的脚踝峰值扭矩

• 行走和足部重新定位时的输出速度

• 足部几何结构和地面反作用力

• 冲击载荷和允许的冲击水平

• 与膝部和髋部控制回路的协调

• 连续行走时的热限制

3.4 下半身配置概要

HPJM60、HPJM70 和 HPJM100 尺寸等级可为脚踝、髋部和膝部关节配置提供初步框架。

一种可行的初步配置是：脚踝采用 HPJM60-70-PRO-51；相应的髋部轴采用 HPJM70-80-PRO-51 或 HPJM70-80-PRO-101；高负载膝部应用采用 HPJM100-120-PRO-51。

最终配置应根据机器人的总质量、腿长、负载、步态、地面接触条件和所需动态性能进行验证。

4. 人形机器人关节执行器的保持制动器选型

驱动系统禁用或电源断开时，保持制动器有助于维持关节位置。对于支撑重力负载结构或待机时必须保持在指定位置的关节，制动器尤为重要。

HPJM 系列根据产品型号提供相应的制动器配置。适用型号的型号标识中包含后缀 -B 时，即表示该版本配有制动器。

订购前，请确认准确的型号代码、制动器是否可选、保持扭矩、电气要求和机械接口。

4.1 上半身关节：针对悬挂负载选择制动器

如果机器人需要保持悬挂负载，或在不持续提供电机扭矩的情况下维持姿态，手腕、肘部、肩部和腰部关节可能需要制动器。

例如，驱动器禁用时，支撑伸展手臂的肩部可能会承受显著的重力力矩。在指定负载条件下，合适的保持制动器有助于防止发生不受控运动。

因此，对于相关的上半身轴，可考虑带制动器的 HPJM30、HPJM40、HPJM50 和 HPJM60 配置。

不过，并非所有上半身关节都需要制动器。决策时应考虑关节方向、重力负载、故障行为，以及不受控运动是否可能造成危险。

对于主要在短时、持续供电的动态周期中运行的关节，在整体安全设计仍能满足要求的前提下，不带制动器的配置可能有助于减轻质量并简化系统。

4.2 下半身关节：制动器与重力负载管理

髋部、膝部和脚踝关节可能支撑机器人相当大的一部分重量。机器人静止或失去电源时，关节不受控运动可能导致姿态崩塌或跌倒。

对于将断电时保持关节位置作为安全策略一部分的下半身轴，可考虑带制动器的 HPJM70 和 HPJM100 配置。

然而，仅靠保持制动器无法保证机器人断电后仍能保持直立。实际结果取决于机器人的重心、关节几何结构、制动扭矩、结构载荷，以及是否提供额外支撑或受控下放策略。

对于商用人形机器人，制动器选型和故障分析应纳入整体风险评估，而不能仅作为简单的型号选择问题处理。

4.3 集成式保持制动器的四项重要优势

断电保持

尺寸合适的制动器可在电源切断时帮助防止关节发生非预期运动，降低悬空手臂或负载意外移动的风险。

降低保持功耗

合适的保持制动器吸合后，无需电机持续产生保持扭矩即可维持位置，从而降低静止状态下的功耗和发热。

提高维护和调试安全性

制动器控制有助于建立维护、安装和关节定位的规范流程。如配备手动释放功能，必须遵循制造商说明和适用的安全规程。

与伺服控制协调

制动器的释放和吸合顺序应与电机扭矩建立、伺服使能信号和故障处理相协调。时序不当可能导致突然运动、机械冲击或姿态失稳。

对于垂直关节或承受重力负载的关节，工程师应验证制动器的额定保持能力，以及完整系统在急停、驱动器故障和电源中断时的行为。

5. 如何验证 HPJM 谐波关节执行器配置

完整的人形机器人关节解决方案不只是为每个解剖位置指定一个型号。工程师应根据机器人的实际运行条件，验证每台执行器的机械和电气性能。

5.1 计算所需关节扭矩

首先计算相连连杆和负载产生的重力力矩。对于简化的静态情况，可根据关节轴与负载重心之间的垂直距离估算重力扭矩。

动态扭矩还必须考虑加速度、转动惯量、摩擦、外部接触力和机器人的运动。

对于腿式机器人，尽可能采用步态仿真或逆动力学进行分析。关节峰值扭矩在整个运动周期中可能会发生显著变化。

5.2 检查扭矩—速度范围

仅凭额定扭矩和峰值扭矩，无法确定执行器是否能够完成特定运动。

应检查所需输出速度下的输出扭矩，包括加速和减速阶段。确认峰值扭矩可在所需持续时间和重复频率下使用。

即使配置满足峰值扭矩要求，如果其连续热容量或高速扭矩不足，仍可能不适用。

5.3 评估减速比和控制要求

选择 51:1 或 101:1 配置时，应根据所需关节速度、扭矩放大、折算惯量、摩擦和控制性能进行评估。

对于涉及柔顺交互或力控制的应用，还应考虑扭矩传感、编码器反馈、控制环频率、通信延迟，以及完整关节组件的机械柔顺性。

不要假设减速比单独决定力控制质量或冲击吸收能力。

5.4 确认机械集成和电气兼容性

确定型号前，请核实：

• 安装尺寸和可用安装空间

• 中空轴要求和线缆布线方式

• 额定电压和电流要求

• 编码器配置和反馈兼容性

• 通信协议和控制器支持情况

• 制动器电压、保持扭矩和控制顺序

• 热管理和环境要求

当一台人形机器人使用多种尺寸的执行器时，机械兼容性和控制器集成尤其重要。

5.5 验证安全性和可靠性

应开展能够代表预期运行条件的仿真和实物测试，涵盖站立、行走、下蹲、抬升、转向、急停，以及适用情况下的断电场景。

评估持续负载、峰值负载、温升、制动器行为、机械疲劳，以及单个关节故障的后果。

最终选型应以经过验证的产品规格和系统级测试为依据，而不能只看机座尺寸或减速比。

6. 为什么考虑 HONPINE HPJM 谐波关节执行器系列？

HPJM 系列为需要在多个关节之间分配执行器能力的人形机器人开发者提供集成式关节驱动平台。

不同机座尺寸和减速比可满足安装空间、扭矩要求和运动特性的不同组合需求。这使工程师能够构建协调的关节架构，而不必在整台机器人中始终使用同一种执行器规格。

评估 HPJM 系列时，工程师应比较具体型号的规格，包括额定和峰值扭矩、输出速度、质量、尺寸、编码器配置、制动器选项和通信接口。

最合适的配置应能满足应用的机械、控制、热管理和安全要求，同时尽量减少不必要的质量和复杂性。

7. 向 HONPINE 获取人形机器人关节执行器解决方案

人形机器人设计需要协调上半身操作系统和下半身运动系统。手腕和肘部关节可能优先考虑紧凑集成和受控定位，而髋部、膝部和脚踝则必须满足行走和平衡控制所需的扭矩与动态性能要求。

HONPINE HPJM 谐波关节执行器系列可为开发这些针对不同关节的配置提供起点。

如果您正在开发人形机器人、机械臂、四足机器人或其他先进机器人平台，请联系 HONPINE，讨论您的关节要求和执行器选型。

我们的团队可根据您的应用，协助评估适用的 HPJM 型号、减速比、制动器配置和集成要求。

联系 HONPINE，获取人形机器人谐波关节执行器选型支持和定制化关节驱动解决方案。