谐波执行器中的额定扭矩、间歇扭矩和峰值扭矩是什么？

选择用于机器人关节的谐波执行器时，工程师通常会关注其最大输出扭矩。然而，单一的扭矩数值无法全面说明执行器的运行能力。机器人关节可能需要持续承载、在周期性运动中产生更高扭矩，或承受短暂的外部冲击。这些不同的运行工况需要参考不同的扭矩额定值。

额定扭矩、间歇扭矩和峰值扭矩分别体现了谐波执行器性能的三个不同方面。了解它们之间的差异，对于评估连续负载能力、动态运动能力和机械极限至关重要。对于人形机器人、四足机器人和机械臂，如果仅根据峰值扭矩选择执行器，可能会导致过热、部件磨损加剧和使用寿命缩短。

1. 额定扭矩：连续运行的基础

额定扭矩是指谐波执行器在制造商规定的运行条件下能够持续输出的扭矩。这些条件可能包括允许的运行转速范围、环境温度、冷却条件以及其他相关规格。

它体现了执行器的连续运行能力，并与其热设计密切相关。

运行过程中，无框力矩电机、谐波减速器、轴承、编码器及其他内部部件都会产生热量。执行器必须有效散热，使部件温度保持在允许范围内。

在额定条件下运行时，执行器的设计目标是在较长时间内保持稳定性能。这有助于避免电机、减速器、轴承和其他部件承受过大的热应力，从而支持长期可靠运行和稳定的传动性能。

额定扭矩为何对长期可靠性至关重要？

如果谐波执行器持续在高于额定扭矩的状态下运行，产生的热量可能超过其散热能力。随着温度升高，电机绕组绝缘、减速器润滑、轴承和电子元件可能承受额外的热应力。

长期在过载状态下运行会加速部件老化、增加机械磨损，并可能随着时间推移影响定位性能。

因此，在评估需要持续承受的负载时，应以额定扭矩为主要参考依据。

额定扭矩是否仅适用于某一特定转速？

不一定。额定扭矩不应被理解为仅在某一固定额定转速下可实现的输出值。

对于 HONPINEHPJM 系列等谐波执行器，应在其规定的运行转速范围内评估连续扭矩能力。不过，实际允许的连续扭矩可能随转速、环境温度、冷却条件、电机电流限制和减速器负载能力而变化。

因此，工程师应参考制造商提供的扭矩-转速特性和运行规格，而不应假设在所有转速下都能提供相同的连续扭矩。

额定扭矩的典型应用

额定扭矩对于负载相对稳定且运行时间较长的应用尤为重要。

例如，人形机器人需要足够的关节连续扭矩来维持站立姿态。输送系统和自动化设备可能需要在相对恒定的负载下保持稳定输出。医疗康复设备也可能需要在规定负载条件下持续运行。

在这些应用中，在规定条件下，连续运行负载通常应保持在执行器的额定扭矩范围内。

2. 间歇扭矩：应对周期性高负载运动

间歇扭矩是指谐波执行器在规定的工作制条件下，能够在有限时间内提供的较高输出扭矩。

与额定扭矩不同，间歇扭矩并非用于持续满负载运行，而是适用于关节周期性承受较高负载、随后进入较低负载阶段或休息间隔的应用。

这一能力对于动态机器人系统尤为重要，因为关节扭矩会在每个运动周期中不断变化。

例如，产品数据表可能会在 S3 间歇工作制下标注间歇扭矩值，并规定 10% 或 25% 等工作周期。

工作周期表示在规定的运行周期内，执行器在指定负载条件下运行的时间比例。实际允许的运行时长和休息时间必须遵循制造商的规格。

解读间歇扭矩额定值时，必须同时考虑其工作周期、周期时长和运行条件。

为什么间歇扭矩不能用于连续运行？

较高的输出扭矩通常需要更大的电机电流，从而产生更多热量。

间歇运行期间，较低负载时段或休息间隔为执行器散热提供了机会，有助于使平均热负荷保持在规定的运行限值内。

但是，如果执行器持续以间歇扭矩水平运行，热量积聚的速度可能超过散热速度。这会导致温升过高，并加速电机绝缘、减速器部件和轴承老化。

反复超出规定工作周期运行，也可能增加机械应力并影响长期定位稳定性。

因此，间歇扭矩不能视为额定扭矩的替代值。使用时必须符合规定的工作周期和热限制。

间歇扭矩为何对人形机器人至关重要？

人形机器人关节在行走、奔跑、下蹲、起身及其他动态运动过程中，负载会显著变化。

以行走周期中的腿部关节为例，不同运动阶段对扭矩的要求各不相同：

支撑相：腿部关节支撑身体重量并维持平衡。

蹬离相：关节产生较高扭矩，推动身体向前。

摆动相：腿部向前摆动，负载和扭矩特性有所不同。

着地与冲击吸收：关节响应不断变化的外力和动态负载。

蹬离阶段及其他高负载阶段可能需要超过连续运行水平的扭矩。执行器能否支持这些重复运动，取决于其间歇扭矩能力、工作周期、热性能和实际运动曲线。

四足机器人在攀爬、加速和跳跃时，以及机械臂反复抬起并重新定位工件时，也会面临类似的需求。

对于这些应用，间歇扭矩是评估关节动态性能的重要参数。

3. 峰值扭矩：短时运行极限

峰值扭矩是指谐波执行器在规定条件下设计为能够输出或承受的最大短时扭矩。

它代表瞬态运行极限，由电机、谐波减速器、输出结构、轴承及其他机械和电气部件的综合能力决定。

峰值扭矩能力受多种因素影响，包括：

• 谐波减速器柔轮的强度及允许变形量。

  
  

• 输出法兰和轴的机械强度。

  
  

• 电机电流限制和电磁特性。

  
  

• 轴承承载能力。

  
  

• 执行器组件的结构应力限值。

与额定扭矩不同，峰值扭矩并非连续热运行额定值。它通常对应短暂的瞬态事件，其允许持续时间和发生频率必须遵循制造商的规格。

超过峰值扭矩会发生什么？

如果施加的扭矩超过执行器规定的峰值扭矩限值，过大的机械应力或电磁应力可能会损坏内部部件。

根据过载的幅度和持续时间，可能造成谐波减速器柔轮永久变形或损坏、输出法兰承受过大应力、轴承损坏以及电机性能下降。

严重过载还可能导致回程间隙增大和定位精度永久下降。

即使执行器没有立即发生故障，反复过载也可能造成累积性机械损伤并缩短其使用寿命。

因此，峰值扭矩应视为短时运行极限，而不是常规设计目标。

工程师何时应考虑峰值扭矩？

评估短暂的瞬态工况时，需要考虑峰值扭矩，例如突发外部扰动、短时冲击负载、紧急减速或意外接触。

对于人形机器人，工程师可能需要考虑运行过程中意外接触或冲击造成的瞬态负载。

但是，行走、奔跑、跳跃和下蹲等计划内运动，不应以峰值扭矩作为正常运行能力的依据。评估这些运动时，必须结合实际负载曲线，采用适当的额定扭矩和间歇扭矩规格。

4. 额定扭矩、间歇扭矩与峰值扭矩：了解它们的区别

尽管这三个参数都描述了谐波执行器的扭矩能力，但它们分别对应不同的运行条件。

它们的根本区别很简单：

额定扭矩规定执行器的连续输出能力。

间歇扭矩规定执行器在指定工作周期条件下可提供的较高扭矩。

峰值扭矩规定执行器在指定瞬态条件下的短时扭矩极限。

谐波执行器的峰值扭矩额定值较高，并不意味着其额定扭矩也较高。同样，间歇扭矩值较高，也不代表执行器可以持续保持该输出。

比较不同执行器时，工程师应检查这三项额定值，并了解每个数值对应的规定条件。

5. 工程师应如何根据扭矩需求选择谐波执行器？

选择谐波执行器不能只比较最大扭矩值。工程师应评估机器人关节在整个运行周期中的实际负载曲线。

实际评估主要涉及三个方面。

评估连续负载

首先，计算长时间运行期间所需的扭矩。

例如，人形机器人可能需要长时间保持站立姿态。腿部关节必须持续支撑身体并维持稳定。

应将计算所得的连续负载与执行器的额定扭矩进行比较，以确保关节能够在规定的热限制和机械限制内运行。

评估周期性高负载运动

接下来，确定需要较高扭矩的运动阶段。

对于人形机器人，这些阶段可能包括蹬离、下蹲和起身；对于机械臂，则可能包括抬起和移动工件。

工程师应评估所需扭矩、运行时长、周期频率和工作周期，然后将这些条件与执行器的间歇扭矩规格进行比较。

检查瞬态负载

最后，评估由冲击、突发外力或紧急减速造成的短时过载。

最大瞬态扭矩应保持在执行器规定的峰值扭矩限值内，并留有适当的工程安全裕量。

对于需要持续或反复以高扭矩运行的关节，不应以峰值扭矩作为选型依据。

考虑完整的运行曲线

扭矩只是选择谐波执行器时需要考虑的一个方面。工程师还应考虑运行速度、加速度、运动曲线、环境温度、冷却条件、径向和轴向负载、倾覆力矩、扭转刚度、定位精度以及减速器使用寿命。

对于动态机器人应用，必须综合评估热性能和机械承载能力。

合适的谐波执行器不仅应满足关节的最大扭矩要求，还应在整个运行周期内保持可靠性能。

结论

额定扭矩、间歇扭矩和峰值扭矩描述了谐波执行器运行能力的三个不同方面。额定扭矩决定其连续负载能力，间歇扭矩适用于周期性高负载运动，峰值扭矩则规定其短时瞬态极限。

对于人形机器人和其他动态机器人系统，了解这些区别有助于工程师避免执行器选型不当和运行负载过大。选择谐波执行器时，不应仅依据其最大扭矩，而应评估完整的运动曲线、工作周期、热条件和关节的机械要求。