为什么机器人联合测试现在至关重要
全球协作机器人 (协作机器人) 市场正在扩大 20% 每年. 人形机器人——下一个前沿——正在亚洲各地的公司进入试生产, 欧洲, 和北美. 每个协作机器人手臂和人形肢体的核心是关节模块: 集成伺服电机的紧凑型执行器, 谐波传动减速机, 扭矩传感器, 编码器, 和控制器在一个单元中.
关节模块性能直接决定机器人精度, 重复性, 有效负载能力, 和安全. 间隙过大的接头会导致定位误差. 具有高齿槽扭矩的接头在低速时会产生急动运动. 热管理不良的接头在持续负载下会过热，并引发工厂车间的安全停机.
测试这些特性需要专门的测试系统——而不是通用的电机测试台——专为集成关节模块独特的机械和电气特性而设计.
机器人关节模块的剖析
了解要测试的内容需要了解典型联合模块内部的内容:
- 伺服电机: BLDC 或 PMSM, 通常为 100–500 W, 高极数，低齿槽效应
- 谐波传动减速机: 比率 50:1 到 160:1, 提供高扭矩密度和接近零的间隙
- 输出扭矩传感器: 内置反作用扭矩传感器，用于合规控制 (力/扭矩传感)
- 双编码器系统: 电机侧编码器 (用于换向) + 输出侧编码器 (为了定位精度)
- 集成控制器: 电机驱动, 位置/扭矩控制环, 通讯接口 (EtherCAT, 能)
- 热管理: 被动散热片或主动液体冷却取决于功率等级
测试系统必须与所有这些进行机械连接, 电的, 并通过通信协议.
这 8 机器人关节模块核心测试项目
1. 输出扭矩精度
关节模块被命令通过其控制器接口产生一系列扭矩设定值. 参考扭矩传感器 (外部的, 独立校准) 测量每个命令值的实际输出扭矩. 命令扭矩和实际扭矩之间的偏差定义了扭矩精度 - 对于生产协作机器人，通常指定为满量程扭矩的 ±1–3%, 精密型号为 ±0.5%.
关键仪器: 外部参考扭矩传感器 (准确性 >10× 优于接头声称的精度 — 通常为 ±0.01–0.05% FS)
2. 扭矩脉动和齿槽扭矩
齿槽扭矩在低速时会导致速度脉动，这对于需要平滑运动的应用来说是一个重大问题 (集会, 表面处理, 医疗机器人). 测试系统以恒定的低速旋转关节输出，同时使用高分辨率动态扭矩传感器和角度编码器测量扭矩波动.
关键指标:
- 齿槽转矩峰峰值幅度 (牛顿·米)
- 齿槽转矩为 % 额定扭矩 (目标: <0.5–2%)
- 齿槽转矩频率 (与电机极数×转速有关)
- 谐波传动传输误差脉动 (叠加在电机齿槽效应上)
3. 扭转刚度
扭转刚度 (牛顿·米/拉德) 确定关节在负载下的偏转程度——直接影响机器人在负载下的精度. 测试系统将一系列已知的扭矩负载施加到关节输出，同时使用高分辨率角度编码器测量角度偏转. 刚度 = Δ扭矩 / Δ角.
刚度测试还表明:
- 滞后 (加载和卸载之间的挠度曲线差异)
- 预载对谐波传动刚度的影响
- 刚度随扭矩大小的变化 (非线性)
刚度测试图显示扭矩与角位移的关系，并突出显示磁滞回线 - 加载曲线和卸载曲线
4. 间隙测量
谐波传动理论上是零齿隙的, 但制造差异, 穿, 和装配公差会带来可测量的间隙. 测试系统使联合输出在正负扭矩负载之间振荡 (额定扭矩的±10%) 以弧秒分辨率测量角位置. 齿隙 = 扭矩反向期间无净位移的总角运动.
协作机器人关节的验收标准: <1–3 弧分. 用于精密机器人: <0.5 弧分.
5. 联合效率MAP
关节效率=机械输出功率 / 电输入功率, 在整个扭矩速度操作空间内测量. 测试系统扫描输出扭矩和输出速度点网格, 同时记录电机电输入和关节机械输出.
额定条件下的典型关节模块效率: 65–80% (低于独立伺服电机，因为包含 15-25% 的谐波驱动损耗). 效率 MAP 确定了最高效率的操作区域 - 对于电池供电的移动机器人至关重要，因为关节效率直接影响运行时间.
6. 持续负载下的热性能
连续工作应用中的机器人关节 (焊接机器人, 物料搬运协作机器人) 必须维持额定输出而不发生热关断. 热测试以额定扭矩和速度运行接头 60–120 分钟, 记录:
- 电机绕组温度 (通过内置热敏电阻)
- 谐波传动外壳温度
- 控制器板温度
- 由于热降额而导致输出扭矩下降
7. 保持扭矩 (静载荷)
当协作机器人关节在重力负载（最常见的静态条件）下保持某个位置时，它必须在不漂移或不需要连续电流的情况下保持该位置. 保持扭矩测试向关节输出施加静态负载并测量随时间变化的角度漂移 (30–60 分钟). 任何漂移都表明位置控制增益不足, 刹车打滑 (如果有刹车), 或谐波传动反向驱动能力问题.
8. 动态响应和带宽
测试系统以不断增加的频率施加正弦扭矩命令并测量接头的响应 (输出扭矩幅值和相位滞后). 输出幅度下降到的频率 70.7% 输入幅度 (−3分贝) 是关节的扭矩带宽——动态机器人应用的关键参数. 典型协作机器人扭矩带宽: 10–50赫兹.
测试系统配置
关键工具及其选择原因
| 乐器 | 规格 | 为什么这对于联合测试很重要 |
|---|---|---|
| 外部参考扭矩传感器 | 囊肿4503B, 动态的, 0–50 牛·米, 0.01 牛顿·米分辨率 | 独立于关节的内置传感器——验证所声称的精度 |
| 高精度角度编码器 | ±1角秒, 23-有点绝对 | 刚度和间隙测量所需 |
| 负载伺服执行器 | 交流伺服, 0–500牛·米, 四象限 | 在两个方向上施加受控负载以实现刚度和滞后 |
| 动态信号分析仪 | 16-渠道, 24-少量, 51.2 千秒/秒 | 捕获齿槽扭矩谐波和 NVH |
| NI 数据采集系统 | NI CompactDAQ, 16-通道AI/AO | 来自所有传感器的高速同步数据 |
| 电机性能分析仪 | 4-渠道, ±0.2% 精度 | 用于效率计算的电输入功率 |
| EtherCAT / CAN主站 | 实时现场总线接口 | 通过本机机器人通信协议进行联合命令 |
| 垂直安装夹具 | 死板的, 重力补偿 | 消除转子重量对扭矩测量的影响 |
垂直与垂直. 水平安装
联合模块通常在垂直方向进行测试 (输出轴朝上或朝下) 匹配它们在机器人手臂中的安装方向，并最大限度地减少转子重量对齿槽扭矩测量的影响. 测试夹具包括平衡重或重力补偿机构，以将关节自身产生的扭矩与静态重力效应隔离.
测试人形机器人关节: 新兴需求
人形机器人关节模块引入了标准协作机器人关节之外的额外测试要求:
- 多轴加载: 髋关节和肩关节经历联合轴向, 径向, 同时施加扭矩负载 - 需要多轴负载夹具
- 抗冲击性: 行走机器人在脚跟着地时会经历冲击载荷——关节必须能够承受重复的脉冲载荷 5-10 倍的额定扭矩 <10 多发性硬化症
- 反向驱动能力: 为了安全的人机交互，关节必须可反向驱动——测试系统测量反向驱动扭矩 (电机未通电时旋转关节输出所需的扭矩)
- 疲劳寿命: 10 关键结构节点额定载荷百万次循环耐久性试验
- 热循环: 反复上电 / 模拟日常操作模式的断电周期
常见问题解答
机器人关节测试系统和伺服电机测试台有什么区别?
伺服电机测试台单独测试电机 - 在电机轴处. 机器人关节模块测试系统测试包括电机在内的完整集成单元, 谐波传动减速机, 输出扭矩传感器, 编码器, 和控制器 - 在联合输出接口处. 联合测试系统必须处理非常低的输出速度 (1–100 rpm 之后 100:1 减少), 非常高的输出扭矩 (50–500牛·米), 以及与机器人通信协议的接口 (EtherCAT, 能). 这些要求与高速有很大不同, 低扭矩伺服电机测试.
如何与电机效率分开测量谐波传动效率?
通过在电机轴上安装扭矩传感器 (谐波传动输入) 和联合输出轴同时. 电机轴扭矩×电机轴转速=谐波传动的机械输入功率. 输出扭矩×输出转速=谐波传动机械输出功率. 谐波驱动效率=输出/输入. 这种双传感器测量是 EconoTest 联合测试系统的标准功能.
测试系统支持哪些通讯协议?
测试系统包括 EtherCAT 接口 (在工业协作机器人领域占据主导地位——Universal Robots, 发那科, 哭), CAN 2.0A/B (常见于中国协作机器人品牌和电动自行车控制器), 和 RS-485 Modbus (传统和低成本执行器). 可以为专有接口开发自定义协议适配器.
测试系统能否测试为人形机器人设计的关节模块?
是的. 测试夹具设计可容纳来自 0.5 N·m 至 500 输出扭矩N·m. 适用于仿人机器人应用, 我们为系统配置冲击负载能力 (用于脉冲测试的气动执行器), 多轴负载应用, 和反向驱动扭矩测量作为附加模块.
典型的联合模块验证计划包括哪些内容?
新联合模块的完整设计验证程序通常包括: 3 静态测试天数 (刚性, 反弹, 保持扭矩, 齿槽扭矩); 2 动态测试天数 (效率图, 带宽, 扭矩精度); 2 热表征天数; 5–10 天加速耐力测试. 每个接头的生产验收测试运行 15-30 分钟.
结论
机器人关节模块测试是电机和执行器测试台技术要求最高的应用之一 - 结合超高扭矩精度, 弧秒角分辨率, 多协议通讯接口, 和动态信号分析在单个集成系统中.
随着协作机器人和人形机器人的生产规模从数百台增加到数万台, 对可靠的需求, 自动化联合测试系统正在快速增长. EconoTest的联合模块测试系统涵盖了来自 1 N·m 至 500 输出扭矩N·m, 具有完整的 EtherCAT/CAN 接口和自动多重测试序列执行.
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