机器人关节如何做到精准控制的，原来内部结构这么复杂！

发布时间：

2025-06-20

现在工业机器人的自动化程度让人叹为观止，5轴6轴机器人具有如此多的关节，还能够做到运动和指令的精确传输，各部位紧密配合完成复杂的工作，让人不禁好奇它们的传动系统到底是怎样的，关节到底是什么结构的呢?

机器人关节处的减速传动，要求传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制，同时，对于中高载荷的工业机器人，还需要足够的刚度、回转精度和运动精度稳定性。

机器人关节减速传动结构↓↓↓

1. 核心组件：关节的“硬件基础”

电机（动力源）

无刷直流电机（BLDC）或伺服电机：提供高扭矩、低惯量、快速响应的动力，支持精确的转速和位置控制。

电机选型：需匹配负载需求（如工业机械臂常用大扭矩电机，协作机器人则倾向轻量化设计）。

减速器（扭矩放大与精度提升）

谐波减速器：通过弹性变形传递动力，零背隙（消除齿轮间隙）、减速比高（50:1~160:1），精度可达1角秒内（如日本Harmonic Drive）。

行星减速器：承载能力强，用于高负载场景（如汽车制造机器人）。

RV减速器：刚性和精度极高，常用于关节基座（如ABB的IRB系列）。

高分辨率编码器（位置反馈）

绝对式编码器：直接读取关节绝对角度（无需复位），分辨率达17位以上（每圈13万脉冲）。

双编码器设计：电机端+输出端双反馈，消除减速器弹性形变导致的误差（如KUKA的RoboDrive）。

扭矩传感器（力控制关键）

直接测量关节输出扭矩，实现力控柔顺（如手术机器人、协作机器人防碰撞）。

2. 控制系统的“大脑”：算法与实时性

闭环控制（PID与进阶算法）

PID控制：基础位置/速度环控制，通过反馈调整电机输入。

前馈控制：预判负载惯性和摩擦力，减少跟踪误差（如高速拾放动作）。

自适应控制：自动调整参数应对负载变化（如搬运不同重量的物体）。

动力学模型补偿

基于牛顿-欧拉方程或拉格朗日动力学建立机器人模型，实时计算关节所需的补偿力矩（如抵消重力对机械臂的影响）。

谐振抑制算法

减速器和结构弹性易引发振动，需通过滤波器设计（如Notch滤波器）或状态观测器抑制共振。

3. 精度保障的“隐形技术”

温度补偿

谐波减速器的钢轮热膨胀会导致微米级形变，需用温度传感器实时校准（如Fanuc的温控算法）。

摩擦补偿

采用Stribeck模型或LuGre模型补偿非线性摩擦力，尤其在低速运动时避免“爬行”现象。

弹性变形补偿

通过有限元分析（FEA） 预标定结构形变，在控制算法中反向修正（如航天机械臂）。