Pourquoi les modules de joint rotatif harmonique de type T sont-ils idéaux pour les bras de robots collaboratifs ?

协作机器人手臂正变得越来越紧凑，但其运动要求却在不断提高。单个关节可能需要在非常有限的空间内同时实现精准定位、足够的扭矩、平稳运动、反馈、制动以及可靠的电缆布线。

将这些功能分别由独立部件实现是可行的，但这可能会使关节结构更加复杂。电机、减速机、编码器、制动器、驱动器和联轴器都需要进行安装、对准和连接。

而T型谐波旋转关节模块采用了不同的方法。它不是将传动、电机和控制部件视为相互独立的零件，而是将其集成到一个紧凑的旋转关节中。对于机械空间和关节布置十分重要的协作机器人手臂而言，这种架构尤其具有实用价值。

什么是T型谐波旋转关节模块？

T型谐波旋转关节模块是一种面向机器人运动系统设计的集成式旋转关节。根据具体配置，它可将力矩电机、谐波减速机、精密传感器、制动器和驱动器集成在一个模块中。

“T型”这一名称源于其机械布局。输出法兰与电机轴垂直布置，形成T形结构，而不是传统的同轴直线结构。

这种配置为机器人设计人员在布置臂段之间的关节时提供了另一种选择。对于紧凑型协作机器人手臂、多轴机械臂以及其他需要精确管理电机和输出轴方向的机构而言，这种结构尤其有用。

为什么关节设计对协作机器人很重要

协作机器人并不只是更小型的工业机器人。其关节需要同时平衡多项要求。

机器人需要足够的扭矩来承载有效负载，但关节尺寸和重量过大可能会增加上游轴的负载。传动系统需要提供精准且可重复的运动，而控制系统则需要可靠的位置和扭矩反馈。

此外，还需要考虑空间这一实际问题。

随着机器人手臂变得更轻、更紧凑，用于安装独立减速机、联轴器、制动器、编码器和电缆组件的空间越来越少。因此，关节的机械设计成为整体机器人架构中的重要组成部分。

集成式谐波关节模块正是在这一方面发挥作用。

T形关节架构的优势

T型关节与传统同轴直线关节之间的主要区别，在于电机轴与输出轴之间的关系。

在同轴直线配置中，电机和输出端沿同一轴线布置。而T型配置则使输出法兰与电机轴垂直。

更灵活的空间布局

这种垂直布置能够为工程师在机器人手臂内部定位关节提供更大的自由度。

在肘部和腕部结构中，多个轴需要安装在相对较小的机械空间内，这种布局尤其有用。

T形架构不必强制电机和减速机沿单一直轴布置，而是可以根据机器人的几何结构对关节进行安排。

臂段之间的紧凑集成

机器人手臂的臂段通常通过多个旋转关节连接。如果每个关节都需要额外的联轴器、支架和传动部件，机械结构很快就会变得拥挤。

T型谐波旋转关节模块将主要运动部件集成在一个组件中，减少了围绕关节进行设计时所需的独立机械接口数量。

更整洁的内部电缆布线

随着机器人轴数增加，电缆管理变得越来越重要。

机器人运行时，电源线、编码器线缆、通信线路和其他连接线都需要反复移动。中空轴设计可以为电缆提供内部通道，减少外部电缆回环，并有助于保持关节组件的整齐。

为什么机器人关节采用谐波减速机？

谐波减速机是此类关节核心部位的传动元件。

谐波驱动通过波发生器、柔轮和刚轮，在紧凑机构内实现较高的减速比。这使其非常适合电机需要输出受控高扭矩、但又不适合采用大型传统齿轮箱的应用。

小型结构实现高减速比

电机可以相对较高的转速运行，而机器人关节则需要低得多的输出转速。

谐波减速机能够将输入转速转换为更高的输出扭矩，同时保持紧凑的外形尺寸。对于机器人制造商而言，这有助于制造出能够提供所需扭矩、又不会使手臂尺寸变得不必要地大的关节。

低回差实现精准运动

传动系统中的回差会影响定位，尤其是在运动方向发生改变时。

谐波传动以低回差特性著称。与合适的编码器和闭环控制系统结合后，它能够提供机器人应用所需的精准、可重复运动。

高扭矩密度

重量是多轴机器人的重要考量因素。

如果关节变得更重，手臂后方的电机和关节可能需要补偿增加的负载。因此，具有高扭矩密度的紧凑型谐波传动能够帮助机器人在关节扭矩、重量和整体尺寸之间保持合理平衡。

集成式部件简化机器人关节开发

传统机器人关节可能由多个独立部件组装而成：

电机 + 齿轮箱 + 编码器 + 制动器 + 驱动器 + 联轴器 + 线缆

每个部件都需要进行选型，并集成到机械设计中。同时还需要考虑对准、安装、布线和通信等问题。

集成式关节模块改变了这一开发流程。

工程师无需围绕各个独立部件设计完整关节，而是可以从一个确定的关节模块入手，根据其接口设计周围的机器人结构。

减少机械集成工作

电机、谐波减速机和反馈部件已经被布置为一个功能单元。

这减少了需要设计的机械接口数量，也能使整体机器人架构更易于管理。

更快的装配与更换

模块化设计还可以简化装配。

对于生产多种型号或原型的机器人制造商而言，标准化关节模块可以在不同的手臂配置中重复使用。如果需要维护，更换完整的关节模块也可能比拆卸多个独立传动部件更加简单。

降低布线复杂性

根据模块配置，将驱动器和反馈部件集成到关节中可以减少所需的外部布线量。

对于紧凑型机器人手臂而言，这可以显著改善装配和电缆管理。

协作机器人关节中的精准运动与反馈

机械传动只是关节性能的一部分。反馈系统决定控制器如何获知关节位置，以及如何响应运动指令。

谐波旋转关节模块可以将减速机与精密传感器和电机控制电子元件结合起来。控制器随后可以利用反馈调节电机，并保持指令要求的关节位置。

这种架构可以支持以下应用需求：

• 精准定位

• 可重复运动

• 平稳加速与减速

• 快速响应

• 位置反馈

• 扭矩反馈

• 力-位混合控制

对于协作机器人而言，最后两项功能在涉及与物体或周围环境接触的应用中尤为重要。

T型谐波旋转关节模块可应用于哪些领域？

T形架构适用于不止一种机器人系统。

协作机器人手臂

协作机器人是其自然应用领域，因为其关节需要保持紧凑，同时提供受控且可重复的运动。

典型应用包括：

• 装配

• 取放

• 机床上下料

• 检测

• 包装

• 轻型物料搬运

医疗与康复机器人

医疗和康复设备通常需要具备受控运动能力的紧凑型旋转机构。

集成式谐波关节可以减少外部机械部件的数量，同时提供机器人所需的扭矩和定位性能。

精密自动化设备

同类型的关节架构也可用于需要紧凑型旋转运动的精密自动化设备。

例如自动检测设备、定位机构及其他运动控制系统。

多轴机器人系统

当多个旋转轴需要布置在有限空间内时，每个关节的物理布局就变得十分重要。

T型谐波旋转关节模块可以为这些轴的布置提供另一种机械方案，同时保持传动和控制部件的集成。

T型谐波关节模块与传统机器人关节的对比

主要区别在于集成程度和机械布局。

传统关节可能采用通过轴、联轴器和安装结构连接的独立部件。而集成式T型模块则将主要的运动控制元件组合在一个组件中。

最佳解决方案仍取决于机器人的扭矩、速度、尺寸、有效负载、控制架构和安全要求。集成式模块的优势在于，许多此类工程任务都可以在一个关节组件内得到处理。

选择T型谐波关节模块时需要考虑什么？

选择关节模块时，应从机器人的实际运动要求出发，而不是仅依据电机的峰值扭矩。

输出扭矩

需要综合考虑持续扭矩和峰值扭矩，以及有效负载、手臂长度、加速度、重力负载和工作循环。

关节尺寸和重量

对于机器人手臂的外部轴，关节重量尤其重要。紧凑型关节有助于减小施加在上游关节上的负载。

位置和扭矩反馈

编码器和传感器配置应与所需的定位和控制性能相匹配。涉及力控制的应用可能还需要扭矩反馈。

制动器配置

如果机器人需要在断电时保持位置，则应在关节选型过程中考虑制动器配置。

防护等级和工作环境

灰尘、湿气和温度会影响适用的关节配置。因此，应根据实际工作环境选择所需的防护等级。

电缆布线

对于多轴协作机器人，内部电缆布线可以简化机械设计，并减少重复运动过程中的干涉。在这方面，中空轴结构尤其有用。

HONPINE T型谐波旋转关节模块

对于寻求集成式旋转关节解决方案的协作机器人制造商而言，HONPINE T型谐波旋转关节模块将谐波减速机、力矩电机、精密传感器、制动器和驱动器集成在一个紧凑的关节组件中。

T形结构使输出法兰与电机轴垂直，为工程师布置紧凑型机器人关节提供了更大的灵活性。该模块面向需要精准运动、高扭矩输出和集成控制功能的应用而设计。

其集成式架构有助于简化机器人关节开发，减少独立部件数量并改善电缆管理。

有关详细规格和配置信息，请访问HONPINE T型谐波旋转关节模块产品页面。

结论

关节是协作机器人手臂中最重要的机械元件之一。它需要在有限空间内提供扭矩和精度，并在反复运动循环中保持可靠运行。

T型谐波旋转关节模块通过将电机、谐波减速机、传感、制动和控制功能集成到一个紧凑单元中，应对这一挑战。其输入端与输出端相互垂直的布置方式，还能在设计多轴机器人手臂的几何结构时提供更大的灵活性。

对于协作机器人、医疗机器人和精密自动化设备而言，紧凑布局、谐波传动与集成控制的结合能够简化完整机器人系统的开发。