为什么越来越多的企业选择集成式机器人关节模组？

在传统的外置驱动关节系统中，开发人员需要选择并集成多个组件，包括电机、减速器、联轴器、伺服驱动器和编码器。他们还必须处理机械对准、线缆布线、伺服参数调试以及系统级调试。

一款一体化谐波机器人关节模组将多个关键组件集成在一个壳体内，包括无框力矩电机、谐波减速器、交叉滚子输出轴承、FOC伺服驱动板、绝对值编码器（单编码器或双编码器）以及可选制动器。

这种一体化架构可简化机械设计、降低安装复杂度、提高系统集成度，并缩短机器人开发周期。

本文从六个方面比较一体化机器人关节模组与传统分布式驱动方案：扭矩密度与尺寸、装配可靠性、运动控制与安全、工程开发效率、实际应用以及潜在局限。

1. 更高的扭矩密度与紧凑设计：人形机器人和外骨骼的关键优势

减少中间机械部件

传统分布式关节系统可能需要多个额外组件，包括联轴器、电机安装支架、减速器转接板、外置伺服驱动器壳体和驱动器安装支架。

这些组件会占用额外的轴向和径向空间，同时增加机器人的整体重量。

例如，HONPINEHPJM-RI80-110-PRO-2一体化机器人关节模组的额定扭矩为133 Nm，壳体外径为110 mm。

与满足类似扭矩要求的分布式方案相比，一体化模组可省去许多独立的安装和传动组件。根据电机、减速器、驱动器和结构设计的不同，最终系统可能显著减少安装空间和组件数量。

中空轴集成设计，让机器人结构更加紧凑

一体化关节模组通常采用中空轴结构，电源线和EtherCAT、CAN等通信线缆可穿过关节中心的开口。

这无需将所有线缆从关节外部绕行，有助于打造更整洁的内部布局。

应用示例：ti5robot T140A人形机器人

ti5robot T140A人形机器人全身使用了约30个一体化关节模组。手臂和腿部的线缆可穿过中空关节结构布置，有助于保持紧凑的外观。

采用分布式驱动架构时，机器人四肢中还需为独立伺服驱动器和额外线缆预留空间。这可能增大壳体尺寸、增加线缆管理难度，并加重运动结构。

降低运动质量，改善动态性能

在机器人系统中，运动部件的重量会直接影响惯量和动态性能。

在分布式关节设计中，额外的电机支架、转接板和其他安装结构会增加运动连杆的质量。当这些组件远离关节旋转轴布置时，还会增大整体转动惯量。

一体化关节模组将驱动组件集成在关节壳体内，有可能减少机器人连杆上所需的额外结构数量。

根据整体机械设计，这有助于降低运动质量，改善加速度、响应速度和能效。

应用示例：下肢康复外骨骼

对于下肢康复外骨骼，设备重量会直接影响穿戴者的身体负担。

HONPINEHPJM-RI60-80-PRO-2一体化关节模组的额定扭矩为53 Nm。其一体化设计有助于减少额外电机安装和传动组件的需求，支持开发更加紧凑、轻量化的外骨骼。

采用分布式驱动方案时，外置伺服驱动器和安装结构可能需要更大的肢体外壳，增加用户在行走和康复训练过程中需要携带的重量。

2. 提高装配精度与可靠性：减少集成过程中的误差

工厂集成与校准降低装配风险

分布式关节系统的一项主要挑战，是机械装配对精度的要求很高。

开发人员必须确保电机与谐波减速器正确对准、正确安装编码器，并满足所需的机械公差。对准或装配不当可能导致振动、异常噪声、减速器磨损加快以及编码器读数不准确。

对于一体化谐波关节模组，交付前可在制造工厂完成关键装配和校准流程。

根据制造商的质量控制流程，这些流程可能包括：

• 电机与谐波减速器的同轴对准。

• 减速器装配及与预紧相关的调整。

• 编码器安装与校准。

• 振动和噪声检查。

• 发货前功能测试。

这样可将许多精密装配工作从客户的生产线上转移至模组制造商处。

例如，如果客户自行装配的关节系统中，安装法兰平面度或定位特征不符合所需公差，可能会出现异常噪声或振动。

采用标准化输出定位特征的一体化关节模组（例如设计规定时采用H7/h7配合），可简化机械安装。客户主要需要制造匹配的负载法兰，而不必装配和对准内部减速器组件。

集成交叉滚子轴承，减少对额外支撑结构的需求

许多一体化谐波关节模组在输出端集成了交叉滚子轴承。

这类轴承设计用于承受径向和轴向复合载荷，因此在规定的载荷范围内，外部负载可由关节模组内部的轴承结构直接支撑。

在分布式设计中，开发人员可能需要增加外部支撑轴承，以承受径向力和倾覆力矩。

不过，外部轴承布置设计不当可能导致过约束、安装误差、振动和异常噪声。

另一方面，如果输出端支撑不足，过大的外部载荷可能会传递到非承载部件上，进而影响联轴器寿命和减速器性能。

一体化输出轴承结构可简化机械设计，前提是模组允许的径向载荷、轴向载荷和力矩承载能力符合应用要求。

简化电气连接与线缆管理

一体化关节模组可将电源、通信和反馈接口集成在更紧凑的后盖或连接器组件中。

根据配置不同，可用接口可能包括CAN、EtherCAT和电源接口。部分EtherCAT版本还支持IN-OUT连接，以便多个关节进行菊花链通信。

在分布式架构中，每台电机可能需要单独的电源线、电机编码器线、输出编码器线，以及连接至外置伺服驱动器的线缆。

随着关节数量增加，线束会变得更加复杂，连接器数量和潜在电气故障点也会增加。

对于拥有数十个关节的人形机器人，线缆布线、连接器安装和维护可能成为重大的工程挑战。

一体化模组有助于降低布线复杂度，简化多轴系统集成。

应用示例：五指灵巧手

HONPINE HPJM-RI30-40-PRO-2紧凑型一体化关节模组适用于五指灵巧手的手指驱动等应用。

机器人手指内部空间极其有限。传统的独立电机、联轴器和谐波减速器组合可能难以容纳在手指结构中。

通过将关键驱动组件集成在紧凑壳体内，一体化关节模组为设计小型多关节机器人手提供了切实可行的方案。

3. 改进运动控制与安全功能：集成驱动器和编码器反馈

双编码器反馈，实现更完善的闭环控制

部分一体化谐波关节模组支持双编码器配置，分别在电机侧和输出侧安装编码器。

例如，HONPINE HPJM-2E-EC双编码器版本采用：

电机侧编码器：测量电机位置和速度。

输出侧编码器：测量输出法兰的实际角位置。

两路反馈信号使控制系统能够同时监测电机侧和输出侧的运动情况。

这在谐波传动系统中特别有用，因为负载下的弹性变形可能导致电机侧位置与实际输出位置之间出现偏差。

通过直接测量输出法兰，双编码器配置可提高输出位置反馈精度，并有助于补偿传动引起的位置偏差。

在分布式系统中，要实现类似功能，需要分别安装电机和输出编码器、增加布线、采用兼容的驱动硬件，并开发相应的反馈和控制逻辑。

一体化双编码器模组可提供更标准化的硬件和反馈架构，从而简化这一过程。

集成位置、速度和电流控制及故障保护

集成伺服驱动器可能支持三种主要控制环：

• 位置环：控制关节的目标角位置。

• 速度环：调节旋转速度。

• 电流环：控制电机电流并参与扭矩调节。

根据驱动器配置，集成保护功能可能包括：

• 跟随误差检测。

• 过压和欠压保护。

• 过流保护。

• 温度监测与保护。

• 双编码器一致性检查。

对于EtherCAT版本，可通过相应的CiA 402对象字典获取故障信息，包括0x603F错误代码对象。基于CAN的版本可通过其支持的通信对象提供故障状态。

这些集成功能减少了客户所需的基础驱动和故障管理开发工作。

在分布式系统中，开发人员必须配置外置伺服驱动器、调试控制环，并实现所需的故障处理逻辑。

例如，如果机器人关节发生机械卡滞，配置适当的跟随误差保护功能有助于检测异常运动并触发保护响应。如果缺少适当的监测和保护，电机持续输出可能会损坏谐波减速器或其他机械部件。

再生制动与能量管理

机器人减速时，根据驱动架构的不同，电机可作为发电机运行，并将能量回馈至直流母线。

集成伺服驱动器可在整体电源系统中支持再生能量处理。

但是，多个关节同时减速时，直流母线电压可能升高。因此，系统必须具备适当的能量吸收、回馈或耗散能力。

在分布式多轴系统中，开发人员还需要考虑各驱动器如何处理再生能量，以及共用电源如何管理直流母线电压。

一体化关节模组可简化驱动层级的集成，但再生制动仍需要适当的系统级电源管理和兼容硬件。

4. 缩短工程开发周期，降低集成复杂度

通过模块化集成加快机器人开发

一体化机器人关节模组可通过提供标准化机械接口和通信协议来缩短开发流程。

根据产品配置，支持的通信接口可能包括CANopen和EtherCAT。

开发人员可以将更多精力放在负载结构设计、关节布局、线缆布线和机器人运动控制上，而不必从零开始构建每个驱动组件。

典型的分布式关节开发流程可能包括：

• 电机选型。

• 谐波减速器选型。

• 联轴器选型与验证。

• 电机安装及转接法兰设计。

• 机械装配与对准。

• 编码器安装与校准。

• 伺服驱动器配置与参数调试。

• 多轴通信与系统调试。

每个阶段都需要投入工程资源，机械装配和系统调试也可能耗费大量时间。

采用标准化一体化关节模组后，其中许多工作在产品交付给客户之前就已完成。

应用示例：人形机器人研发

对于开发人形机器人的高校研究团队和机器人初创企业，一体化关节模组有助于加快原型开发。

根据机器人的复杂度和开发资源，采用标准化一体化关节的项目可能在两到三个月内完成初步机械和电气集成。

采用完全分布式驱动架构的类似项目，在组件选型、机械设计、装配、校准和多轴调试方面可能需要更多时间。

这些时间仅供说明，并非保证值；实际开发周期取决于项目范围、团队经验和系统复杂度。

减少BOM组件数量，简化供应链

一款一体化关节模组可将多个驱动组件整合为一个产品单元。

分布式方案的物料清单可能包括：

• 伺服电机。

• 谐波减速器。

• 联轴器。

• 输出编码器。

• 外置伺服驱动器。

• 电机安装支架。

• 转接法兰。

• 驱动器壳体。

多组线缆组件和连接器。

这会增加需要采购、检验、储存和管理的独立物料数量。

将这些组件集成到标准化关节模组中，制造商可以简化采购、库存管理和来料质量检验。

标准化测试，提高产品一致性

一体化关节模组可在发货前进行标准化测试。

根据制造商的测试计划和产品规格，检验流程可能包括：

• 扭矩-转速性能测试。

• 噪声检查。

• 振动测试。

• 编码器校准与验证。

• 电气安全和ESD测试。

• 高低温测试。

• 功能运行测试。

在分布式系统中，每个装配后关节的性能可能受到组件公差、装配精度、校准流程和操作人员经验的影响。

标准化工厂装配和测试有助于减少这些差异，提高模组间的一致性。这对于制造多关节机器人或批量生产设备尤为重要。

5. 一体化机器人关节模组有哪些应用？

一体化谐波关节模组的优势使其适用于广泛的机器人应用。

典型应用包括：

人形机器人：紧凑封装、高扭矩密度、中空轴布线和双编码器反馈，有助于开发多关节机器人结构。

康复外骨骼：集成驱动组件有助于降低关节装配复杂度，并支持更紧凑的可穿戴设计。

协作机器人：集成运动控制和可选制动配置，可简化紧凑型机械臂的关节集成。

工业机器人手臂：标准化关节模组有助于减少机械和电气集成工作量。

灵巧机器人手：紧凑型一体化模组可为空间受限的手指关节提供驱动方案。

移动操作机器人：一体化关节模组可简化安装在移动平台上的机械臂的机械和电气设计。

合适的模组取决于所需扭矩、速度、尺寸、重量、中空轴直径、反馈配置、通信协议和工作条件。

6. 一体化机器人关节模组是否总比分布式驱动系统更好？

虽然一体化关节模组具有显著优势，但并非所有机器人设计都适合采用这类模组。

在某些应用中，分布式架构仍可能是更合适的选择。

例如：

组件选择灵活：分布式设计允许开发人员根据具体要求分别选择电机、减速器和驱动器。

专用热管理：在某些大功率或连续运行的应用中，将驱动电子设备与电机分开可能更便于进行热管理。

维护与更换策略：根据设计不同，分布式系统中的单个组件可能可以单独更换，而无需更换整个关节总成。

现有系统兼容性：部分成熟的机器人平台已经采用标准化外置伺服驱动器，未必能从全面改变架构中获得足够收益。

特殊运行要求：某些应用需要定制机械结构、电力电子设备或控制配置，而标准一体化模组可能无法提供这些配置。

因此，选择时应以机器人的整体设计目标为依据，包括扭矩密度、安装空间、热性能、维护要求、控制架构和系统总成本。

结语：为什么越来越多的企业选择一体化机器人关节模组？

越来越多企业采用一体化机器人关节模组，反映了机器人领域的一种整体趋势：从单个组件集成转向标准化、模块化、高度集成的运动系统。

通过将无框力矩电机、谐波减速器、输出轴承、伺服驱动器、编码器反馈和可选制动器集成在一个紧凑单元中，一体化关节模组可帮助制造商：

• 减少机械组件数量和安装空间。

• 提高关节集成度并简化线缆布线。

• 减少装配相关的对准和校准工作。

• 支持更完善的闭环运动控制。

• 简化多轴通信和系统集成。

• 缩短机器人开发周期并简化供应链管理。

对于人形机器人、外骨骼、协作机器人和其他多关节机器人系统，这些优势使一体化关节模组成为传统分布式驱动架构的一种颇具吸引力的替代方案。

选择并非只是在一体化模组和独立组件之间二选一，而是要选出最符合机器人性能要求、开发资源和长期生产目标的关节架构。