Развитие робототехники выходит за рамки традиционных архитектур промышленных роботов. Гуманоидные роботы, коллаборативные роботы, легкие роботизированные манипуляторы, медицинские роботы, мобильные манипуляторы и специализированные роботизированные системы предъявляют все более высокие требования к шарнирам роботов.
В подобных задачах выбор модуля шарнира робота — это не просто сравнение номинального крутящего момента или передаточного отношения. Инженеры должны учитывать, как шарнир повлияет на весь робот, включая общий вес, механическую конструкцию, динамический отклик, прокладку кабелей, датчики, управление, безопасность и пространство для установки.
Для создания лёгкого запястья робота может потребоваться чрезвычайно малая масса и инерция, в то время как плечевой сустав может нуждаться в высоком крутящем моменте и жёсткости. Роботу с силовым управлением может потребоваться встроенный датчик крутящего момента, а вертикальному суставу — тормоз. Роботизированная рука специального назначения может иметь уникальную механическую конструкцию, требующую гибкого крепления и внутренней прокладки кабелей.
Эти требования могут затруднить интеграцию традиционных комбинаций двигателя и редуктора.
Таким образом, задача состоит не просто в поиске двигателя или редуктора с подходящими характеристиками. Настоящая сложность заключается в поиске архитектуры шарнира робота , которая бы решала механические, сенсорные, управляющие и интеграционные задачи всей роботизированной системы.
В этой статье рассматриваются 10 распространенных проблем, связанных с модулями шарниров роботов, и инженерные решения, которые могут помочь разработчикам создавать более легкие, компактные, точные и специализированные роботы.

Вес является одним из важнейших факторов при проектировании легких роботов. Это особенно актуально для человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, легких роботизированных манипуляторов и мобильных манипуляторов.
Влияние веса сустава распространяется далеко за пределы самого сустава. Когда запястье становится тяжелее, локтю приходится создавать больший крутящий момент для его перемещения. Увеличение нагрузки на локоть может затем повлиять на плечо. В результате небольшое увеличение веса сустава может привести к большему увеличению требуемого крутящего момента в вышестоящих суставах робота.
Именно поэтому вес соединений следует рассматривать на системном уровне, а не просто как характеристику отдельного компонента.
В то же время, снижение веса не должно происходить за счет крутящего момента, жесткости, точности или надежности. Простой выбор двигателя меньшей мощности может снизить вес, но также может уменьшить грузоподъемность робота и его динамические характеристики.
Для обычного роботизированного шарнира могут потребоваться двигатель, редуктор, энкодер, привод, тормоз, датчик, разъем и поддерживающая механическая конструкция. При независимой разработке этих компонентов дополнительные корпуса, кронштейны, муфты и интерфейсы могут увеличить как вес, так и занимаемое ими пространство.
Интегрированный модуль шарнирного соединения робота использует иной подход, объединяя ключевые функции в единую оптимизированную сборку. Это позволяет сократить количество ненужных механических соединений и одновременно увеличить эффективную плотность крутящего момента шарнира.
Для легких роботизированных систем такой подход может быть более эффективным, чем простое уменьшение размеров отдельных компонентов.
Модуль гармонического шарнира TCHL разработан для применений, где важны малый вес и компактные размеры. Его интегрированная архитектура объединяет гармоническую передачу, двигатель, обратную связь и другие функциональные элементы в компактной конструкции шарнира, помогая инженерам снизить механическую нагрузку на остальную часть робота.
Современные шарниры роботов все чаще должны выполнять множество функций в очень небольшом пространстве. Помимо создания движения, шарниру может потребоваться обратная связь по положению, измерение крутящего момента, электроника управления, интерфейсы связи, тормозная система и электрические соединения.
Это становится особенно сложной задачей в случае человекоподобных запястий, компактных роботизированных манипуляторов, гибких роботизированных систем, медицинских роботов и других специализированных машин. Доступное пространство для установки может быть уже занято конструктивными элементами, подшипниками, кабелями, датчиками или другими механизмами.
Добавление каждой функции в качестве независимого компонента может увеличить диаметр или осевую длину соединения. Это также может привести к созданию большего количества механических и электрических интерфейсов, которые необходимо проектировать и тестировать.
Вместо того чтобы проектировать двигатель, редуктор, энкодер, привод и систему датчиков по отдельности, инженеры могут рассматривать весь шарнир как функциональную подсистему.
Это позволяет учитывать множество функций одновременно при проектировании механических и электрических систем. Цель состоит не просто в уменьшении размеров каждого отдельного компонента. Цель состоит в том, чтобы уменьшить общую площадь, занимаемую шарниром, при сохранении требуемых от робота характеристик.
Такой подход также может снизить сложность разработки. Производители роботов могут сосредоточить больше своих инженерных ресурсов на собственных конкурентоспособных технологиях, таких как механика роботов, планирование движений, системы восприятия, искусственный интеллект, концевые захваты и прикладное программное обеспечение.
Таким образом, для компании, разрабатывающей новую роботизированную платформу, интегрированный шарнир может стать инженерным упрощением без ущерба для функциональности.

По мере того как роботизированные системы становятся все меньше и имеют все больше шарнирных соединений, организация кабельной инфраструктуры становится все более сложной задачей.
Многоосевой робот может потребовать силовых кабелей, проводки для энкодеров, линий связи, соединений для датчиков и пневматических трубок. Если эти кабели проложены снаружи, они могут мешать движению шарниров, увеличивать размеры механической конструкции и создавать дополнительные требования к техническому обслуживанию.
Эта проблема становится еще более актуальной в человекоподобных роботах и роботизированных манипуляторах специального назначения, где суставы должны вращаться в широком диапазоне, сохраняя при этом компактную и аккуратную механическую конструкцию.
Шарнирное соединение робота с полым валом обеспечивает внутреннее пространство для кабелей, трубок и других функциональных соединений. Вместо того чтобы прокладывать эти компоненты снаружи шарнира, инженеры могут интегрировать их в механическую архитектуру.
Это может упростить окружающую структуру робота и уменьшить видимость кабелей. Это также может помочь инженерам создавать более аккуратные пути прокладки кабелей между соседними шарнирами.
Таким образом, при выборе шарнирного модуля для компактных роботизированных запястий, медицинских манипуляторов, легких роботизированных рук и специализированного автоматизированного оборудования конструкция с полым валом может быть важным конструктивным фактором.
Ключевой вопрос заключается не только в том, может ли привод создавать необходимый крутящий момент. Инженеры также должны задаться вопросом, можно ли физически интегрировать шарнир в робота без создания дополнительных проблем с прокладкой кабелей.
Для многих традиционных задач управления движением достаточно обратной связи по положению. Однако от роботов все чаще требуется физическое взаимодействие с окружающей средой.
Робот, выполняющий точную установку, должен обнаруживать контакт. Робот для полировки должен контролировать силу контакта. Роботу-коллаборанту может потребоваться обнаруживать неожиданные внешние нагрузки. Ловкому роботу может потребоваться регулировать силу, приложенную к объекту.
В таких приложениях недостаточно знать положение шарнира. Системе управления также необходима информация о крутящем моменте, создаваемом в шарнире.
Встроенный датчик крутящего момента может предоставлять информацию о фактическом состоянии нагрузки в шарнире и поддерживать замкнутую систему управления силой и положением.
Это может быть полезно для сборки с контролем усилия, обнаружения столкновений, обнаружения контактов, контроля податливости, шлифовки, полировки и взаимодействия человека и робота.
Однако добавление датчика крутящего момента в качестве независимого внешнего компонента может создать еще одну конструктивную проблему. Сам датчик требует места, увеличивает вес и вводит дополнительные механические и электрические интерфейсы.
Именно здесь комплексное решение приобретает особую ценность.
Модуль гармонического шарнира TCHL интегрирует функцию измерения силы/крутящего момента на выходной стороне в архитектуру шарнира. Для компактных роботов, которым требуется как малый вес, так и обратная связь по силе, это может устранить необходимость в добавлении отдельного крупного датчика вокруг шарнира.
В результате мы получаем не просто дополнительные возможности датчиков, а более компактный путь к управлению движением робота с учетом силы воздействия.
Датчики крутящего момента могут улучшить взаимодействие робота с устройством, но они также могут создавать сложный компромисс между возможностями датчика и механической компактностью.
Для установки отдельного датчика крутящего момента может потребоваться дополнительное пространство между редуктором и выходной конструкцией робота. Это также может увеличить вес шарнира и привести к появлению дополнительных разъемов и проводки.
Для крупных промышленных роботов эти факторы могут быть управляемыми. Однако для лёгкого запястья, человекоподобной кисти или компактной роботизированной руки они могут иметь гораздо большее значение.
Интеграция датчика крутящего момента в архитектуру шарнира позволяет сделать функцию измерения частью исполнительного механизма, а не отдельным внешним компонентом.
Это особенно полезно, когда роботу необходимо сочетание малого веса, компактных размеров и обратной связи по усилию.
Модуль гармонической передачи TCHL является примером такого подхода. Сочетая гармоническую передачу с интегрированным датчиком крутящего момента, он позволяет инженерам рассматривать привод, передачу и обратную связь по усилию как единое решение на уровне шарнира.
Это может быть особенно ценно для легких человекоподобных роботов, коллаборативных роботов, медицинских манипуляторов и роботизированных рук специального назначения, где добавление еще одного компонента может поставить под угрозу первоначальную механическую конструкцию.
Использование одинаковой конфигурации приводов во всем роботе может упростить закупку и механическую разработку. Однако это не обязательно приведет к созданию робота с наилучшими характеристиками.
Разные суставы выполняют разные функции.
Плечевой сустав может нуждаться в высоком крутящем моменте и жесткости. Локтевой сустав может требовать баланса между крутящим моментом и динамическим откликом. Запястье может отдавать приоритет малому весу и низкой инерции. Вертикальный сустав может нуждаться в тормозе, в то время как сустав, чувствительный к силе, может нуждаться во встроенной обратной связи по крутящему моменту.
Поэтому попытка использовать один привод для каждого шарнира может привести к ненужным компромиссам.
Более рациональный подход заключается в классификации соединений в соответствии с их фактическими эксплуатационными требованиями.
В высоконагруженных соединениях приоритет отдается крутящему моменту, жесткости, тепловым характеристикам и надежности. В легких соединениях приоритет отдается массе, инерции, компактности и динамическому отклику. Прецизионные соединения требуют точной передачи и высококачественной обратной связи. Соединения с управлением усилием требуют надежного измерения крутящего момента и интеграции управления. В критически важных с точки зрения безопасности вертикальных соединениях могут потребоваться тормозные системы и дополнительные функции защиты.
Именно поэтому производителям роботов может потребоваться более одного типа шарнирных модулей в рамках одной и той же роботизированной платформы.
Платформы HONPINE HPJM-PRO, TCHL и HAG можно оценивать в зависимости от различных комбинаций крутящего момента, размера, веса, обратной связи, управления и требований безопасности, а не рассматривать одно соединение как универсальное решение.
Не каждая роботизированная система имеет механическую архитектуру, аналогичную архитектуре обычного шестиосевого промышленного робота.
Роботизированные манипуляторы специального назначения, медицинские манипуляторы, исследовательские платформы, человекоподобные роботы и специализированное автоматизированное оборудование могут иметь совершенно разные механические конструкции. Привод может потребовать установки с определенного направления или интеграции в шарнир необычной формы.
Обычный привод с единственным вариантом крепления может вынудить инженеров добавлять кронштейны или перепроектировать окружающую конструкцию. Это может увеличить вес, снизить жесткость, занять ценное монтажное пространство и усложнить сборку.
Шарнир робота должен адаптироваться к архитектуре робота, а не заставлять робота адаптироваться к приводу.
Различные варианты крепления обеспечивают большую свободу при проектировании механических узлов. Это особенно полезно, когда у робота ограниченное пространство для установки или нетрадиционная конструкция шарнира.
Модуль гармонического шарнира TCHL поддерживает множество конфигураций соединения, позволяя инженерам оценивать привод как часть всей механической конструкции. Для роботов специального назначения такая гибкость может быть столь же важна, как крутящий момент и точность, поскольку она позволяет уменьшить количество дополнительной механической конструкции, необходимой вокруг шарнира.
Разработка роботизированного сустава из отдельных компонентов требует значительных инженерных усилий.
Двигатель должен быть согласован с редуктором крутильных колебаний. Энкодер должен быть интегрирован с системой управления. Привод должен взаимодействовать с контроллером робота. Кабели и разъемы должны быть проложены внутри механической конструкции. Для тормозов и датчиков также могут потребоваться отдельные интерфейсы управления и питания.
Каждый дополнительный компонент создает еще один интерфейс.
Каждый интерфейс необходимо протестировать.
Для компаний, разрабатывающих новую роботизированную платформу, это может потребовать значительных инженерных ресурсов еще до того, как будет подтверждена работоспособность робота в реальных условиях.
Интегрированный модульный агрегат объединяет множество функций в стандартизированную подсистему.
Это может упростить механическую интеграцию, электропроводку, связь, отладку, техническое обслуживание и проверку системы.
Что еще более важно, это позволяет производителям роботов сосредоточиться на своих областях специализации.
Разработчик человекоподобных роботов может сосредоточиться на искусственном интеллекте, восприятии, планировании движений и ловком манипулировании. Компания, занимающаяся промышленной автоматизацией, может сосредоточиться на производственном процессе и архитектуре машин. Компания, занимающаяся медицинской робототехникой, может сосредоточиться на точных движениях и клинических требованиях.
Модуль шарнирного соединения становится вспомогательной технологией, а не еще одной подсистемой, которую производителю роботов приходится разрабатывать с нуля.
Шарнир робота не является самостоятельным компонентом. Он входит в состав всей системы управления движением робота.
Протокол связи, обратная связь энкодера, режимы управления, цифровые интерфейсы и функции безопасности — все это должно взаимодействовать с контроллером робота.
В зависимости от области применения робот может использовать CAN, CANopen, EtherCAT, CAN-FD или другие архитектуры связи. Правильный выбор зависит от системы управления, требований к синхронизации и общей архитектуры робота.
Перед выбором модуля управления инженерам следует определить необходимую архитектуру управления.
Важные аспекты включают в себя протокол связи, обратную связь энкодера, управление положением и скоростью, управление крутящим моментом, синхронизацию, цифровой ввод/вывод, функции безопасности и совместимость контроллера.
Интегрированный шарнир робота с соответствующей архитектурой связи и обратной связи может сократить разработку интерфейса и упростить многоосевую синхронизацию.
Для производителей роботов это может быть особенно важно, когда десятки шарниров должны надежно взаимодействовать с центральным контроллером.
Цель не должна заключаться в выборе шарнира с наибольшим количеством вариантов связи. Вместо этого шарнир должен обеспечивать интерфейсы и возможности управления, необходимые для работы самого робота.
Во многих проектах по разработке робототехники в конечном итоге достигается точка, когда отдельные компоненты кажутся подходящими, но вся комбинация оказывается неработоспособной.
Двигатель может обеспечивать достаточный крутящий момент, но занимать слишком много места. Редуктор крутильных колебаний может обеспечивать необходимую точность, но для создания полноценного шарнира потребуются дополнительные компоненты. Отдельный датчик крутящего момента может обеспечивать необходимую обратную связь, но делать шарнир слишком тяжелым. Исполнительный механизм может устанавливаться механически, но не иметь архитектуры связи, необходимой для контроллера робота.
В таких случаях проблема заключается не обязательно в работе отдельного компонента.
Проблема в том, что полная архитектура исполнительного механизма не соответствует роботу.
Перед выбором модуля шарнира для робота инженерам следует определить, для чего именно должен выполняться этот шарнир.
Крутящий момент и скорость определяют основные требования к приводу, в то время как вес и габаритные размеры определяют, может ли шарнир физически поместиться в роботе. Точность и жесткость влияют на характеристики движения, а обратная связь от энкодера и крутящего момента определяет, какую информацию может получить контроллер.
Архитектура связи определяет, как шарнир интегрируется с контроллером робота. Конфигурация крепления и конструкция полого вала влияют на механическую интеграцию и прокладку кабелей. Функции торможения и безопасности становятся особенно важными для вертикальных или коллаборативных применений.
Следует также учитывать условия окружающей среды, особенно для роботов, работающих в сложных промышленных условиях или в специализированных областях применения.
После определения этих требований выбор соединения может осуществляться исходя из всех аспектов применения, а не на основе отдельных параметров, таких как номинальный крутящий момент.
Выбор модуля шарнира робота в идеале следует начинать на ранней стадии проектирования механической конструкции.
Сначала рассчитайте фактическую нагрузку на шарнир. Одной лишь статической нагрузки недостаточно. Ускорение, замедление, положение робота, инерция, внешние силы, аварийные остановки и потенциальные ударные нагрузки — все это может влиять на требуемый постоянный и пиковый крутящий момент.
Далее необходимо определить доступное пространство для установки. Перед сравнением различных вариантов приводов следует определить максимальный диаметр, осевую длину, вес шарнира, требования к полому валу и конфигурацию крепления.
Затем следует определить требования к обратной связи. Для обычной оси позиционирования может потребоваться только высокоточная обратная связь по положению, в то время как роботу, выполняющему физическое взаимодействие, может потребоваться интегрированное измерение крутящего момента.
Архитектуру управления также следует учитывать на ранних этапах. Протоколы связи, совместимость контроллеров, обратная связь энкодера, режимы управления и функции безопасности могут напрямую влиять на пригодность шарнира.
Наконец, оцените выбранный шарнир на системном уровне. Шарнир, который отлично выглядит в технической документации, может оказаться непригодным, если он увеличивает общий вес робота, усложняет прокладку кабелей, уменьшает доступное пространство или требует серьезной механической перестройки.
Интегрированные модули шарниров робота особенно ценны в тех случаях, когда одновременно существует несколько инженерных ограничений.
Для человекоподобных роботов требуется сложное сочетание малого веса, высокой плотности крутящего момента, компактных размеров, динамического отклика, точной обратной связи и все более сложного физического взаимодействия. Различные суставы также могут предъявлять совершенно разные требования, поэтому гибкая платформа суставов имеет важное значение при разработке архитектуры робота.
Для коллаборативных роботов необходимо сбалансировать полезную нагрузку, вес, безопасность, точность и динамическую реакцию. Интегрированный шарнир может уменьшить механическую и электрическую сложность, обеспечивая при этом обратную связь и возможности связи, необходимые для системы управления.
Роботизированные манипуляторы специального назначения часто имеют механические конструкции, существенно отличающиеся от конструкций обычных промышленных роботов. Они могут требовать необычных конфигураций крепления, внутренней прокладки кабелей, встроенных датчиков крутящего момента, компактных размеров или специализированных интерфейсов.
Для таких систем механическая гибкость и системная интеграция могут быть важнее, чем простой выбор привода с наибольшим крутящим моментом.
Медицинские роботы и прецизионное автоматизированное оборудование часто требуют компактных размеров, плавного движения, точной обратной связи и высокой механической точности. В таких приложениях шарнир следует рассматривать как часть всей системы прецизионного перемещения, а не как изолированную комбинацию двигателя и редуктора.
Технология шарнирных соединений роботов актуальна и за пределами традиционных роботизированных манипуляторов. Полупроводниковое оборудование, оптическое оборудование, автоматизированные системы контроля, прецизионные механизмы позиционирования и другие специализированные машины могут потребовать компактных вращательных приводов с высокой точностью, контролируемым движением и гибкой интеграцией.
Для разных роботизированных систем требуются разные сочетания характеристик.
Для лёгкого запястья не обязательно нужен тот же привод, что и для тяжёлого плечевого сустава. Для сустава с силовым управлением не обязательно нужна та же конфигурация, что и для обычной оси позиционирования. Вертикальный сустав может потребовать тормоза, в то время как компактный робот может отдавать приоритет малому весу и внутренней прокладке кабелей.
По этой причине компания HONPINE подходит к выбору шарниров робота, исходя из области применения, а не просто рекомендуя один стандартный привод.
Модуль гармонических шарниров TCHL особенно подходит для случаев, когда в проекте особое внимание уделяется облегченной конструкции, компактной интеграции, гибкому монтажу, внутренней прокладке кабелей и встроенному датчику крутящего момента.
Для применений, требующих более широкого диапазона крутящего момента, высоких динамических характеристик и высокоинтегрированной конфигурации, HPJM-PRO предоставляет еще одну платформу для оценки необходимой комбинации гармонической передачи, двигателя, энкодера, привода и дополнительных функций безопасности.
Для промышленных роботов, коллаборативных роботов, человекоподобных роботов и прецизионного автоматизированного оборудования, требующего различных сочетаний крутящего момента, жесткости, обратной связи, торможения и связи, серия HAG предоставляет еще один вариант для выбора шарниров, адаптированных под конкретные задачи.
Цель состоит не в том, чтобы выбрать продукт с наивысшими техническими характеристиками.
Цель состоит в том, чтобы найти такую архитектуру суставов, которая наилучшим образом подходит для робота.
Технология роботизированных суставов выходит за рамки традиционного сочетания двигателя и редуктора.
Современные роботизированные системы все чаще требуют, чтобы шарнирное соединение объединяло функции привода, передачи, обратной связи, датчиков, управления, связи, прокладки кабелей и обеспечения безопасности в компактной механической конструкции.
Эта тенденция особенно важна для человекоподобных роботов, легких роботизированных манипуляторов, коллаборативных роботов, медицинских роботов, специализированных манипуляторов и компактных систем автоматизации.
В таких случаях инженерам следует задавать не только следующие вопросы:
«Какой шарнир робота обладает наибольшим крутящим моментом?»
Более уместный вопрос:
«Какая архитектура шарниров робота может удовлетворить механические, сенсорные, управляющие и интеграционные требования нашего робота?»
Такой подход может повысить эффективность выбора шарнирных соединений. Он позволяет инженерам оценивать привод как часть всей роботизированной системы и снизить риск дорогостоящей механической доработки на более поздних этапах разработки.
Каждая роботизированная система имеет свои уникальные инженерные требования.
Выбор подходящего соединения зависит от соотношения крутящего момента, скорости, веса, размера, жесткости, точности, датчиков, связи, монтажа, безопасности и условий эксплуатации.
Компания HONPINE предлагает несколько платформ для гармонических шарниров роботов и может оценить эти требования совместно при выборе подходящего решения.
Для легких и компактных роботизированных систем, требующих встроенного датчика крутящего момента, гибкой установки и внутренней прокладки кабелей, TCHL можно рассматривать как компактное решение в виде гармонического шарнира.
Для применений, требующих более высокой производительности и более широкого диапазона крутящего момента, HPJM-PRO представляет собой еще одну интегрированную платформу для роботизированных шарниров.
Для промышленных роботов, коллаборативных роботов, человекоподобных роботов и систем точной автоматизации с различными требованиями к крутящему моменту, жесткости, обратной связи и безопасности, технология HAG также может быть рассмотрена как часть общей архитектуры шарниров.
Ключевым моментом является выбор шарнира в соответствии с тем, что должен выполнить робот, а не попытка адаптировать конструкцию робота к стандартному приводу.
Правильно подобранный модуль шарнира робота — это не просто компонент с высочайшими техническими характеристиками. Это решение, которое подходит для всего робота.
Подробнее
Узнайте больше о истории HONPINE и тенденциях в области точных передач.
Двойной щелчок
Мы предлагаем гармоничные редукторы, планетарные редукторы, моторы для роботизированных суставов, поворотные приводы для роботов, RV-редукторы, конечные эффекторы для роботов, ловкие роботизированные руки