轻量化及空间受限型机械臂中谐波关节模组的扭矩密度：关键参数

介绍

在选择机器人关节时，工程师通常会首先考虑额定扭矩、峰值扭矩、减速比、齿隙或位置精度。这些参数固然重要，但它们并不总是能说明某个关节驱动器是否真正适用于紧凑型或轻型机器人手臂。

对于许多机器人系统而言，真正的工程挑战是在有限的机械空间内产生足够的输出扭矩，并且尽可能减少增加的质量。

这时，扭矩密度就成为一个重要的参数了。

扭矩密度描述了关节执行器相对于其质量或物理体积所能产生的输出扭矩的大小。具有高扭矩密度的谐波关节模组可以在无需相应增大执行器尺寸的情况下提供较大的输出扭矩。

这种特性在机器人关节尺寸、整体重量、手臂长度、有效载荷或安装空间受到严格限制的应用中尤为重要。

人形机器人和协作机器人是众所周知的例子，但扭矩密度并非它们唯一重要的应用领域。医疗机械臂、检测机械臂、航空航天机构、水下机器人、移动机械臂、攀爬机器人和其他专用机械臂对其关节的扭矩重量比和扭矩体积比提出了更高的要求。

对于这些系统而言，问题并非仅仅是：

“该执行器能产生多大的扭矩？”

这是：

“在现有的尺寸和重量范围内，执行器可以提供多少有用的输出扭矩？”

机器人关节中的扭矩密度是什么？

扭矩密度通常用来描述执行器的输出扭矩与其物理特性之一（最常见的是质量或体积）之间的关系。

评估它的两种常见方法是：

基于质量的扭矩密度

扭矩密度 = 输出扭矩 / 执行器质量

基于体积的扭矩密度

扭矩密度 = 输出扭矩 / 执行器容积

合适的定义取决于具体应用。

对于移动机器人或航空航天机械臂而言，每公斤扭矩可能尤为重要，因为执行器质量直接影响整个系统。

对于机器人手腕、紧凑型检测机构或医疗机器人手臂而言，单位体积扭矩同样重要，因为可用的安装空间可能受到很大限制。

因此，区分扭矩密度和额定扭矩非常重要。

两个关节模组可能提供相同的 20 N·m 输出扭矩，但如果其中一个重量轻得多或体积小得多，则这两个解决方案的工程价值就截然不同。

为什么在某些机械臂中，扭矩密度比额定扭矩更重要？

机器人关节不能独立运作。

单个关节的质量和尺寸会影响支撑它的关节的要求。随着机械臂变得更长或更轻，这一点变得愈发重要。

想象一下，一个多轴机械臂的末端执行器携带有效载荷。近端关节不仅要支撑有效载荷，还要支撑远端连杆、远端关节驱动器、电缆、传感器、结构部件以及加速和减速过程中产生的动态载荷。

随着执行器质量的增加，上游关节的扭矩需求也会增加。

这将产生连锁反应：

更高的驱动器质量 → 更高的近端关节扭矩需求 → 更大的驱动器 → 更高的机械臂质量 → 所需扭矩进一步增加

高扭矩密度谐波接头模块可以帮助减少这种影响。

目标并非仅仅是最大化每个关节的扭矩，而是在控制整个机械臂的质量和尺寸的同时，实现所需的关节性能。

关节质量与机械臂性能的关系

扭矩密度的重要性在关节式机器人手臂中尤为明显。

负载产生的扭矩可近似表示为：

T = F × L

其中 T 为扭矩，F 为施加的力，L 为力臂。

随着负载与连接点之间距离的增加，所需的扭矩也会增加。

然而，有效载荷只是问题的一部分。机械臂本身也有质量，而这种质量也会产生重力扭矩。

对于长臂机器人而言，即使远端部件的质量略有增加，也会在近端关节处产生相当大的额外扭矩需求。

因此，轻量化执行器设计不仅仅是减轻机器人重量的问题，它还会影响整个运动链的扭矩需求。

为什么谐波接头模块能够承受高扭矩密度？

谐波接头模块通常将多种功能集成到一个紧凑的组件中，例如伺服电机、谐波减速器、编码器、制动器、驱动电子设备、轴承、外壳以及反馈或通信组件。

与由独立组件组成的传统架构相比，集成式谐波连接模块可以减少重复的壳体、联轴器、安装接口和不必要的结构组件。

谐波传输本身也非常适合需要在紧凑封装内实现高减速比的应用。

谐波减速器相对于其封装尺寸而言，可提供高减速比、高定位精度、低背隙、紧凑的尺寸和高扭矩容量。

当这些特性与适当设计的电机和集成控制架构相结合时，所得到的谐波致动器可以为空间和质量是重要设计约束的机器人关节提供紧凑的解决方案。

然而，不能仅凭减速器来评估扭矩密度。

对于完整的关节，工程师应考虑整个执行器组件的扭矩密度，包括电机、减速器、编码器、外壳、轴承、制动器、驱动器和其他集成组件。

扭矩密度与扭矩容量：为何二者差异至关重要

执行器选型中常见的错误是只比较额定扭矩。

考虑两个关节模组，它们都能提供 20 N·m 的输出扭矩。如果一个执行器重 2 kg，而另一个执行器重 1.2 kg，则它们的额定扭矩相同，但扭矩重量比却显著不同。

对于安装在刚性底座上的固定式工业机器人而言，这种差异可能并不总是至关重要的。

然而，对于轻型移动机械臂而言，减少每个关节的质量可以对系统层面产生更大的影响。

因此，选择执行器时应考虑以下因素：

所需扭矩 + 执行器质量 + 执行器体积 + 占空比 + 动态性能 + 热能力

而不仅仅是额定扭矩。

高扭矩密度尤为重要的应用领域

轻型机械臂

轻型机械臂的设计目标是在保持足够有效载荷和刚度的同时，降低结构质量。

由于执行器是运动结构的一部分，关节质量直接影响手臂的动态要求。

高扭矩密度谐波致动器可以帮助设计人员在控制运动组件重量的同时，保持足够的关节输出。

这对于轻型六轴机器人手臂和紧凑型工业机械臂来说尤其重要。

人形机器人

人形机器人对关节尺寸和重量有严格的限制。

肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节和踝关节都必须适应类似人体的身体结构。

增大驱动器尺寸可能会提供更大的扭矩，但也会增加肢体的重量和惯性。

因此，当设计人员试图实现紧凑的关节尺寸、轻巧的肢体、高有效载荷重量比和快速的动态运动时，高扭矩密度就变得非常重要。

协作机器人

协作机器人通常优先考虑轻量化的机械结构和紧凑的关节架构。

减少关节质量可以降低惯性，使更容易实现灵敏的运动和顺应性的行为。

对于长臂协作机器人而言，这种效应会更加明显，因为远端关节的质量会增加近端关节所承受的负荷。

医疗机器人手臂

医疗机器人系统可以在高度受限的环境中运行。

外科手术或医疗机器人手臂可能需要在患者周围定位多个关节，同时保持紧凑的结构和精确的运动。

在某些系统中，减小关节尺寸比简单地增加最大扭矩更重要。

执行器可能需要在非常小的安装空间内提供足够的扭矩，同时保持较高的定位精度、较低的背隙、平稳的运动和较低的振动。

检测机器人和检测机械臂

检测机器人经常需要进入传统工业机器人无法到达的空间。

例如工业管道、飞机结构、发动机、压力容器、狭窄的设备舱室和复杂的机械组件。

在这些应用中，大型执行器可能会在物理上阻止机器人到达目标区域。

工程需求变为：

在最小可用空间内实现最大联合功能。

这时，基于体积的扭矩密度就显得尤为重要了。

紧凑型谐波致动器可以提供所需的减速比和输出扭矩，同时有助于保持较小的关节包络。

航空航天机械臂

航空航天应用对质量的要求尤为高。

航天器每增加一公斤的重量，都会影响发射成本、结构设计、能源消耗或有效载荷能力。

同时，机器人机械臂仍然需要足够的扭矩来进行部署、定位、对接、检查和维护任务。

这就对扭矩重量比提出了很高的要求。

因此，对于航空航天机械臂，应将执行器质量与扭矩能力、可靠性、热特性和机械寿命一起评估。

移动机械臂

移动机械臂将移动平台与机械臂结合在一起。

这在执行器重量和车辆性能之间建立了一种独特的关系。

更重的机械臂会增加有效载荷需求，改变重心位置，增加能耗，并影响运动过程中的动态稳定性。

高扭矩密度关节模组有助于减轻机械臂的质量，同时保持所需的有效载荷能力。

攀爬机器人和壁挂式机器人

攀爬机器人和壁挂式检测系统执行器质量与机器人性能之间存在直接关系。

机器人可能需要承受自身的重量，同时产生足够的关节扭矩来保持姿态并执行操作。

减少不必要的执行器质量可以减轻爬升机构的负载。

在这些应用中，高扭矩密度有助于实现更紧凑、更高效的整体机械结构。

水下机械臂

水下机械臂面临的限制与陆地机器人不同。

他们可能需要在有限的车辆空间内作业，同时携带工具或与水下物体进行交互。

该执行器必须在保持紧凑结构和适当环境保护的同时，提供足够的输出扭矩。

在遥控潜水器和自主水下系统中，减小执行器尺寸和重量还可以简化机械集成。

然而，对于水下机器人关节而言，扭矩密度应始终与密封性、耐腐蚀性、耐压性、热管理和长期可靠性一起评估。

特种用途和危险环境机器人手臂

有些机械臂是为传统机器人架构难以使用的环境而设计的。

这些包括核设施检查机器人、防爆机器人系统、高温检查系统、危险区域机械臂和远程维护机器人。

共同特点是机械结构的安装空间可能非常有限。

因此，执行器需要提供足够的扭矩，但又不能成为机器人物理外形的主要组成部分。

对于这些应用，可以将紧凑型谐波致动器视为高度集成关节架构的一部分。

为什么随着机械臂长度的增加，扭矩密度变得更加重要？

扭矩密度的重要性在各个关节中并不相同。

在典型的关节臂中，远端关节和近端关节的要求不同。

腕关节可能主要需要克服末端执行器和有效载荷带来的负荷。

然而，肩部或底部连接可能需要支撑几乎整个下游结构。

这意味着减少远端部件的质量可以产生倍增效应。

腕部驱动器质量降低 → 肘部负荷降低 → 肩部负荷降低 → 上游驱动器尺寸可能更小 → 手臂总质量降低

这就是为什么应该在系统层面评估扭矩密度，而不是仅仅在单个关节层面评估扭矩密度的最重要原因之一。

扭矩密度最高的执行器并不一定就是每个轴的最佳选择。

但在对重量敏感的机器人架构中，提高远端关节的扭矩密度可以带来显著的后续益处。

扭矩密度也与机械封装有关

质量只是其中一个限制因素。

在许多专用机械臂中，关节的物理尺寸同样重要。

机器人关节可能需要安装在圆柱形连接件内、电缆布线通道周围、空心结构件内、类人肢体内、医疗器械内或狭窄的检测机构内。

这使得单位体积扭矩成为一个有用的工程指标。

高扭矩密度谐波致动器可以帮助设计人员避免简单地放大整个关节以获得更高的扭矩。

相反，设计师可以围绕实际的机械要求来优化可用的空间范围。

当机器人必须保持较小的外径，同时还要提供足够的关节输出时，这一点尤其有价值。

为什么集成式谐波致动器比独立组件更有价值？

传统的机器人关节可能使用伺服电机、谐波减速器、编码器、制动器、驱动器、轴承和外壳作为单独的组件。

集成式谐波接头模块将上述许多功能集成到一个工程组件中。

这可以简化机械集成、电气布线、编码器安装、电机减速器对准、接头包装和系统调试。

更重要的是，集成使执行器设计人员能够更好地控制整个封装。

电机、减速器、反馈系统、轴承、外壳和电子元件可以围绕一个共同的联合架构进行设计，而不是选择独立的组件并将它们连接在一起。

这有助于优化以下之间的关系：

输出扭矩↔质量↔体积↔控制能力

这种关系对于现代机械臂来说尤为重要，因为在现代机械臂中，执行器本身就成为了关节的结构部件。

工程师在选择谐波接头模块时应如何评估扭矩密度？

扭矩密度不应孤立地考虑。

额定扭矩和峰值扭矩

执行器必须首先满足关节的实际连续扭矩和峰值扭矩要求。

如果执行器无法满足所需的占空比，那么高扭矩密度就毫无意义。

执行器质量

对于轻型和移动机器人系统而言，关节总质量会对整个手臂的性能产生重大影响。

包装体积

对于紧凑型或专用机器人手臂而言，关节的外部尺寸可能比质量更难限制。

缩减率

合适的减速比可以帮助使电机转速和扭矩与机器人关节的要求相匹配。

反冲和定位精度

高扭矩密度不应以牺牲应用所需的精度为代价。

热性能

紧凑型执行器散热表面积有限。

因此，扭矩密度应与连续扭矩能力和热性能一起评估。

动态性能

对于加速迅速的机器人来说，峰值扭矩、反射惯量、速度和响应特性变得非常重要。

整合水平

集成了电机、谐波减速器、编码器、制动器和驱动器的执行器与单独的组件相比，可能具有封装优势。

安装限制

应考虑可用直径、轴向长度、空心轴要求、电缆布线和安装结构等因素。

实际运行条件

正确的执行器取决于实际负载曲线、循环时间、加速度、工作温度、占空比和预期使用寿命，而不是取决于单一的目录扭矩值。

高扭矩密度并不意味着需要最小的执行器

避免常见的误解很重要。

扭矩密度优化的目标不仅仅是使执行器尽可能小。

一款结构极其紧凑但散热能力差、无法承受所需连续负载或使用寿命不足的执行器，并非成功的高性能解决方案。

对于机器人关节设计而言，更有意义的目标是：

在可接受的质量、体积、热性能和可靠性范围内，实现最大有效扭矩能力。

这种区别对于工业机器人系统尤为重要。

关节可能需要连续运行数千小时。因此，工程师必须权衡扭矩密度与轴承承载能力、齿轮强度、热管理、电机性能、润滑、结构刚度和耐久性之间的关系。

应在机器人系统层面考虑扭矩密度。

评估谐波接头模量的最有效方法不是问：

“这款执行器是否具有高扭矩密度？”

相反，应该问：

“这个执行器对整个机械臂有何影响？”

更轻巧紧凑的关节可以实现更轻的连杆、更小的上游执行器、更低的结构载荷、更高的有效载荷重量比、更低的运动惯性、更小的机器人体积、更大的机械灵活性，以及更容易集成到受限空间中。

因此，执行器扭矩密度会影响整个机器人的机械结构。

这就是为什么随着机器人变得更轻、更长、更紧凑、应用更专一，该参数变得越来越重要的原因。

从人形机器人到专用机械臂

扭矩密度经常在人形机器人的背景下被讨论，但它的工程意义远不止于此。

当机械臂必须在不增加执行器尺寸或质量的前提下产生较大的关节扭矩时，同样的设计逻辑也适用。

这包括人形机器人、协作机器人、轻型工业机械臂、医疗机械臂、检测机器人、航空航天机械臂、移动机械臂、水下机器人、攀爬机器人和专用机械臂。

尽管这些机器人的结构和运行环境截然不同，但它们面临着共同的设计挑战：

关节驱动器必须在受限的系统范围内提供足够的机械性能。

对于某些机器人来说，主要的限制因素是质量。

对另一些人来说，则是直径。

对另一些人来说，则是散热、有效载荷、射程或机械集成。

扭矩密度提供了一种有用的方法来评估执行器如何有效地将其可用的物理范围转换为可用的输出扭矩。

结论

对于机器人关节设计而言，额定扭矩本身并不能说明全部问题。

当机械臂必须轻巧、紧凑、臂展长、移动灵活或能够在狭窄环境中操作时，输出扭矩、执行器质量和执行器体积之间的关系就变得越来越重要。

因此，扭矩密度是评估谐波关节模组或谐波执行器时的关键参数。

高扭矩密度有助于机器人设计人员在不增加执行器尺寸或质量的情况下获得足够的关节输出。这一优势在轻型机械臂、移动机械臂、医疗机器人、检测系统、航空航天机构、水下机器人、攀爬机器人和其他专用机器人平台中尤为显著。

对于这些应用场景，正确的问题并非仅仅是：

“该关节能提供多大的扭矩？”

这是：

“在整个机器人系统的尺寸、重量、热力和机械限制范围内，关节能够提供多大的扭矩？”

扭矩密度正是在此成为一个有意义的工程参数——紧凑的集成式谐波接头模块可以提供显著的设计优势。