人形機器人電驅動關節(jié)接口要求

T/CAMETAXXXXX-20XXⅡT/BTIAIRIXXXXX-20XXIII前言本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別這些專利的責任。本文件由北京智能機器人產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟提出。本文件由北京智能機器人產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟歸口。本文件起草單位：xxx。本文件主要起草人：xxx。人形機器人電驅動一體化關節(jié)接口要求范圍本文件規(guī)定了以電動機為驅動的人形機器人一體化關節(jié)的接口要求。本文件適用于以電動機為驅動的人形機器人一體化關節(jié)接口的設計，其他機器人關節(jié)可參考執(zhí)行。規(guī)范性引用文件下列文件中的條款通過本文件的引用而成為本文件的條款。下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內容）或修訂版均不適用于本文件，然而，鼓勵根據(jù)本文件達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本文件。GB/T12643-2013機器人與機器人裝備詞匯GB/T14468.1-2006工業(yè)機器人機械接口第1部分板類GB/T14468.2-2006工業(yè)機器人機械接口第2部分軸類GB/T29825-2013機器人通信總線協(xié)議GB-T30819-2024機器人用諧波齒輪減速器GB/T32197-2015機器人控制器開放式通信接口規(guī)范GB/T37414.3-2020工業(yè)機器人電氣設備及系統(tǒng)第3部分：交流伺服電動機技術條件GB/T37718-2019

機器人用精密行星擺線減速器GB/T3797—2016電氣控制設備GB/T38560-2020工業(yè)機器人的通用驅動模塊接口GB/T39633-2020協(xié)作機器人用一體式伺服電動機系統(tǒng)通用規(guī)范GB/T43200-2023機器人一體化關節(jié)性能及試驗方法GB/T5080.6-1996設備可靠性試驗恒定失效率假設的有效性檢驗GB/T5226.1-2019機械電氣安全機械電氣設備第1部分：通用技術條件IEC61076-1:2006Connectorsforelectronicequipment-Productrequirements-Part1:GenericspecificationISO11898-1:2024ContainsallCANProtocolsISO11898-2:2024ContainsallCANTransceivers術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1人形機器人humanoidrobot具有軀干、頭和四肢，外觀和動作與人類相似的機器人。[來源：GB/T12643-20133.17]3.2一體化關節(jié)mechatronicjoint由電機、傳動機構、編碼器、傳感器、驅動器等組成的具有獨立功能的驅動模塊。[來源：GB/T43200-2023,3.1]3.3旋轉關節(jié)revolutejoint連接兩桿件的組件，能使其中一桿件相對于另一桿件繞固定軸線轉動。[來源：GB/T12643-20133.7.2]3.4直線關節(jié)prismaticJoint指允許兩個連接臂段之間沿一條固定直線進行相對運動的關節(jié)類型。3.5機械接口mechatronicinterface位于操作機末端，用于安裝末端執(zhí)行器的安裝面，也指關節(jié)安裝于機器人的三維包絡空間。注：見GB/T14468.1(ISO9409-1)和GB/T14468.2(ISO9409-2)。[來源：GB/T12643-20133.10]3.6電氣接口communicationinterface連接關節(jié)與機器人整機的電氣組件，包括動力電氣接口和信號電氣接口。[QC／T896-2011，3.1]3.7通信接口communicationinterface按一組規(guī)范進行工作的電路。經(jīng)過通信接口可使一個設備與另一個設備進行數(shù)據(jù)交換。[來源：GB/T32197-20153.1]縮略語下列縮略語適用于本文件。CAN：控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork）CANFD：可變速率CAN（CANwithFlexibleData-rate）EtherCAT：以太網(wǎng)控制自動化技術（EthernetforControlAutomationTechnology）要求5.1接口類型及設計原則5.1.1接口類型人形機器人電驅動一體化關節(jié)應具備如下接口：a）機械接口；b）電氣接口；c）通信接口；5.1.2接口設計原則5.1.2.1接口設計通用原則人形機器人電驅動一體化關節(jié)接口設計應滿足以下原則：a)遵循接口高可靠性、高安全性、易維護等設計原則；b)提供機械、電氣和通信接口，均可與人形機器人相連，快速連接裝配；c)支撐結構、電機及傳動裝置宜采用旋轉外形設計，結構緊湊、裝配方便和可重構，緊固件連接應牢靠，鎖緊，密封應可靠，機械連接法蘭應滿足側向力的強度要求；d)采用即插即用連接機構以實現(xiàn)電氣和機械的快速連接，并且在功能出現(xiàn)異常時可快速替換，保證結構和功能的快速修復；f)接口應有可靠的防銹措施，外殼防護等級(IP代碼)應實現(xiàn)IP40防護等級。5.1.2.2機械接口設計原則人形機器人電驅動一體化關節(jié)機械接口應遵循以下原則：為保證人形機器人電驅動關節(jié)的連接和功能的有效性，機械接口應遵循以下原則：關節(jié)應具有通用性良好的機械接口，便于關節(jié)和其他連接件之間的連接；機械接口應連接牢固穩(wěn)定，考慮負載和扭矩要求以及工作環(huán)境等因素，使用過程不應出現(xiàn)性能問題和安全風險；機械接口應保證連接的可靠性，保證靜態(tài)和動態(tài)運動條件下的連接強度，能承受人形機器人使用和運輸過程中的機械沖擊和振動；機械接口應可重復多次拆卸，并確保接口在裝配和拆卸過程中不易損壞;機械接口宜具有維護和更換的便利性；機械接口可采用定位銷或機械定位結構等機械設計方法，確保關節(jié)的對齊和定位。機械接口應鎖緊和密封可靠，所用螺紋、卡箍、銷孔規(guī)格應符合GB/T14468.1-2006及GB/T14468.2-2006規(guī)定。5.1.2.3電氣接口設計原則人形機器人的多個關節(jié)宜采用共直流母線的連接方式；宜搭配具有母線再生能量處理的電源管理組件實現(xiàn)母線再生能量的處理，而無需單關節(jié)處理母線再生能量；母線的再生能量的處理方式以能夠回收為宜，盡量避免將其以熱能的形式泄放掉。5.1.2.4通信接口設計原則通信物理層接口可支持一種或多種國際通用標準總線協(xié)議，宜采用CAN、EtherCAT、RS485、TSN、MODBUS-TCP、AUTBUS等。針對需要端接匹配電阻的總線類型，如CAN，RS485等，應支持端接電阻的配置接口。5.2機械接口要求5.2.1旋轉關節(jié)5.2.1.1輸出盤徑向圓跳動旋轉關節(jié)輸出盤徑向圓跳動要求見表1：表1輸出盤徑向圓跳動單位：毫米法蘭直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300徑向圓跳動≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0505.2.1.2輸出盤圓柱度旋轉關節(jié)輸出盤圓柱度要求見表2：表2輸出盤圓柱度單位：毫米法蘭直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300圓柱度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.1.3輸出盤端面平面度旋轉關節(jié)輸出盤端面平面度要求見表3：表3輸出盤端面平面度單位：毫米法蘭直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300平面度≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0505.2.1.4輸出盤端面相對于法蘭軸線的垂直度旋轉關節(jié)輸出盤端面相對于法蘭軸線的垂直度要求見表4：表4輸出盤端面相對于法蘭軸線的垂直度單位：毫米法蘭直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300輸出盤端面相對于法蘭軸線的垂直度≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0505.2.1.5輸出盤端面相對于輸出盤軸線的端面圓跳動旋轉關節(jié)輸出盤端面相對于輸出盤軸線的端面圓跳動見表5：表5輸出盤端面相對于輸出盤軸線的端面圓跳動單位：毫米法蘭直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300端面圓跳動≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0505.2.1.6輸出盤表面粗糙度旋轉關節(jié)輸出盤表面粗糙度見表6：表6輸出盤表面粗糙度單位：微米輸出盤端面Ra≤Ra1.0輸出盤圓柱面Ra≤Ra1.05.2.1.7安裝配合面（凸緣止口）對輸出盤軸線的徑向圓跳動旋轉關節(jié)安裝配合面（凸緣止口）對輸出盤軸線的徑向圓跳動見表7：表7安裝配合面（凸緣止口）對輸出盤軸線的徑向圓跳動單位：毫米法蘭直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300安裝配合面（凸緣止口）對輸出盤軸線的徑向圓跳動≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.1.8安裝配合圓柱面（凸緣止口）圓柱度旋轉關節(jié)安裝配合圓柱面（凸緣止口）圓柱度見表8：表8安裝配合圓柱面（凸緣止口）圓柱度單位：毫米安裝配合圓柱面直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300圓柱度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.1.9安裝配合面平面度旋轉關節(jié)安裝配合安裝配合面平面度見表9：表9安裝配合面平面度單位：毫米安裝配合面直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300安裝配合面平面度≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0505.2.1.10安裝配合平面相對于安裝止口圓軸線垂直度旋轉關節(jié)安裝配合平面相對于安裝止口圓軸線垂直度見表10：表10安裝配合平面相對于安裝止口圓軸線垂直度單位：毫米安裝配合面直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300安裝配合面平面度≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0455.2.1.11安裝配合圓柱面（凸緣止口）對輸出盤軸線端面跳動旋轉關節(jié)安裝配合圓柱面（凸緣止口）對輸出盤軸線端面跳動見表11：表11安裝配合圓柱面（凸緣止口）對輸出盤軸線端面跳動單位：毫米安裝配合圓柱面直徑＜40≥40且＜60≥60且＜120≥120且＜200≥200且＜300安裝配合面（凸緣止口）對輸出盤軸線的端面跳動≤0.150≤0.020≤0.030≤0.040≤0.0505.2.1.12安裝配合面粗糙度旋轉關節(jié)安裝配合面粗糙度見表12：表12安裝配合面表面粗糙度單位：微米安裝配合平面Ra≤Ra1.0安裝配合圓柱面Ra≤Ra1.05.2.2直線關節(jié)5.2.2.1球軸承孔位徑向圓跳動直線關節(jié)球軸承孔位徑向圓跳動見表13：表13球軸承孔位徑向圓跳動單位：毫米軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50徑向圓跳動≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0405.2.2.2球軸承孔位圓柱度直線關節(jié)球軸承孔位圓柱度見表14：表14球軸承孔位圓柱度單位：毫米軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50圓柱度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.3球軸承孔位端面的平面度直線關節(jié)球軸承孔位端面的平面度見表15：表15球軸承孔位端面的平面度單位：毫米軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50平面度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.4球軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的垂直度直線關節(jié)球軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的垂直度見表16：表16球軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的垂直度單位：毫米軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的垂直度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.5球軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的端面圓跳動直線關節(jié)球軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的端面圓跳動見表17：表17球軸承孔位端面相對于軸承孔軸線的端面圓跳動單位：毫米軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50端面圓跳動≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.6球軸承孔位端面及軸承孔圓柱面表面粗糙度直線關節(jié)球軸承孔位端面及軸承孔圓柱面表面粗糙度見表18：表18球軸承孔位端面及軸承孔圓柱面表面粗糙度單位：微米軸承孔端面Ra≤Ra1.0軸承孔圓柱面Ra≤Ra1.0基座銷軸圓柱度直線關節(jié)的基座銷軸圓柱度見表19：表19基座銷軸圓柱度單位：毫米基座銷軸直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50圓柱度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.8基座銷軸圓柱面及銷軸小圓柱面表面粗糙度直線關節(jié)的基座銷軸圓柱面及銷軸小圓柱面表面粗糙度見表20：表20基座銷軸圓柱面及銷軸小圓柱面表面粗糙度單位：微米軸承孔端面Ra≤Ra1.0銷軸小圓柱面Ra≤Ra1.05.2.2.9基座銷軸圓柱面與兩端銷軸小圓柱面同軸度直線關節(jié)的基座銷軸圓柱面與兩端銷軸小圓柱面同軸度見表21：表21基座銷軸圓柱面與兩端銷軸小圓柱面同軸度單位：毫米基座銷軸直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50同軸度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.10基座軸承孔徑向跳動直線關節(jié)的基座軸承孔徑向跳動見表22：表22基座軸承孔徑向跳動單位：毫米基座軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50徑向圓跳動≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.11基座軸承孔圓柱度直線關節(jié)的基座軸承孔圓柱度見表23：表23基座軸承孔圓柱度單位：毫米基座軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50圓柱度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.12基座軸承孔臺階平面度直線關節(jié)的基座軸承孔臺階平面度見表24：表24基座軸承孔臺階平面度單位：毫米基座軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50平面度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.13基座軸承孔臺階平面相對于基座軸承孔軸線的垂直度直線關節(jié)基座軸承孔臺階平面相對于基座軸承孔軸線的垂直度見表25：表25基座軸承孔臺階平面相對于基座軸承孔軸線的垂直度單位：毫米基座軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50基座軸承孔臺階平面相對于基座軸線的垂直度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.2.14基座軸承兩端軸承孔同軸度直線關節(jié)的基座軸承兩端軸承孔同軸度見表26：表26基座軸承兩端軸承孔同軸度單位：毫米基座軸承孔直徑＜5≥5且＜10≥10且＜20≥20且＜30≥30且＜50同軸度≤0.150≤0.020≤0.025≤0.030≤0.0355.2.4.15基座兩端軸承孔臺階面及基座軸承孔圓柱面表面粗糙度直線關節(jié)基座兩端軸承孔臺階面及基座軸承孔圓柱面表面粗糙度見表27：表27基座兩端軸承孔臺階面及基座軸承孔圓柱面表面粗糙度單位：微米臺階端面Ra≤Ra1.0軸承孔圓柱面Ra≤Ra1.05.3電氣接口要求電氣接口包括動力電氣接口和信號電氣接口。電氣接口應滿足耐用易用、絕緣耐壓、工況電壓電流等使用要求，具備防觸電保護，滿足振動沖擊、電磁兼容、高低溫環(huán)境要求等。關節(jié)接入機器人系統(tǒng)不對其他部件造成電磁干擾，且滿足工作環(huán)境電磁兼容要求，電磁兼容具體要求可參照GB/T5226.1-2019,4.4.2。5.3.1動力電氣接口人形機器人電驅動一體化關節(jié)動力電氣接口應符合以下要求：a)供電電源通常額定電壓值為直流24V、36V、48V、72V、96V，額定電壓不超過100V，接口需支持穩(wěn)定的電源輸入。b)動力電氣接口接插件關節(jié)端應為公頭，正負兩極清晰標注，接插件具備防反插防脫落功能；c)動力電氣接口接插件應滿足工作環(huán)境溫度要求，至少滿足-20?C-55?C應用環(huán)境溫度要求；d)動力電氣接口工頻耐壓等級一般應滿足：24~60V->500V;60~125V->1000V。漏電流有效值不大于5mA；e)動力電氣接口絕緣電阻一般應滿足：在規(guī)定的極限低溫條件下,電氣接口與系統(tǒng)機殼之間的絕緣電阻應不小于50MΩ,在極限高溫條件下絕緣電阻應不小于10MΩ；絕緣電阻表電壓500Vdc；f)動力電氣接口若有引出線每根引出線的長度由設計確定，引出線線徑應能滿足工作電流要求；g)動力電氣接口接插件：插拔次數(shù)滿足至少不低于N次插拔使用要求。5.3.2接線方式電源線纜應采用中空孔走線方式，避免電源或通信線暴露在驅動模塊外部，在運行過程中與其他外設產(chǎn)生干涉。5.3.2.1關節(jié)級聯(lián)供電關節(jié)級聯(lián)接線方式如圖X，根據(jù)級聯(lián)關節(jié)的數(shù)量依此類推。5.3.2.2關節(jié)并聯(lián)供電關節(jié)并聯(lián)接線方式如圖X，根據(jù)并聯(lián)關節(jié)的數(shù)量依此類推。5.3.2信號電氣接口采用CAN總線通信的信號電氣接口一般為差分信號CANH、CANL兩線制。若關節(jié)CAN總線電路需外接地線，接插件需考慮CAN總線接地接口；采用EtherCAT總線通信的信號電氣接口輸入和輸出均可以采用排式接插件或RJ45接插件；軟件更新下載接口可采用USB接口、RS232接口等方式，可共用一個接插件；信號電氣接口采用帶卡扣接插件，防振動脫落，至少滿足-20?C-55?C應用環(huán)境溫度要求。5.4通信接口要求5.4.1通信接口端子5.4.1.1CAN通信接口端子PIN端子標記端子功能1CAN_HCAN網(wǎng)絡信號線2CAN_L5.4.1.2EtherCAT通信接口端子PINECATInECATOut端子標記端子功能端子標記端子功能1ECATIn_RX-EtherCAT輸入信號接收-ECATOut_RX-EtherCAT輸出信號接收-2ECATIn_RX+EtherCAT輸入信號接收+ECATOut_RX+EtherCAT輸出信號接收+3ECATIn_TX-EtherCAT輸入信號發(fā)送-ECATOut_TX-EtherCAT輸出信號發(fā)送-4ECATIn_TX+EtherCAT輸入信號發(fā)送+ECATOut_TX+EtherCAT輸出信號發(fā)送+5.4.2通信協(xié)議發(fā)送報文協(xié)議中關節(jié)數(shù)據(jù)應至少包括：關節(jié)運行狀態(tài)、扭矩、轉速、位置、母線電壓、相電流、電機溫度、驅動器溫度、關節(jié)故障信息等。接收報文協(xié)議中應至少包括：關節(jié)啟停指令、關節(jié)扭矩指令、轉速指令、位置指令等。5.5線纜及連接器要求5.5.1線纜要求線纜緊固件連接應牢固耐久；供電線纜應滿足斷續(xù)工作區(qū)的過流要求，且不會發(fā)熱或軟化。5.5.2連接器要求電氣連接器應考慮機械操作的耐用性,以及絕緣性、防水性和耐壓性等電氣性能指標要求。由于人形機器人工作環(huán)境的差異,應考慮連接器耐溫、抗振動和沖擊等參數(shù)。具體要求應符GB/T5226.1-2019和IEC61076-1:2006；所選的連接器方案應能夠穿過關節(jié)中空；所有連接器都應具備安全可靠鎖止結構,以應對運動所帶來的振動；在可靠連接后，連接器要能承受不低于9N任意方向的拉力且不發(fā)生松動。

參考文獻[1]GB/T17626EMC測試國家標準[2]GB/T43200-2023機器人一體化關節(jié)性能及試驗方法[3]GB/T4208-2017外殼防護等級（IP代碼）附錄A

（資料性附錄）A.1關節(jié)系統(tǒng)組成人形機器人關節(jié)主要由電機、減速器、編碼器和驅動器等組成，其中一種結構組成示例如圖A.1所示。其中減速器輸入端與電機輸出側連接，傳輸電機的扭矩和速度，編碼器檢測電機主軸、關節(jié)輸出軸的旋轉位置，驅動器驅動電機運動。圖A.1關節(jié)結構示意圖（參考GB/T39633-2020）A.2關節(jié)分類A.2.1按人形機器人使用位置分類根據(jù)使用位置的不同，人形機器人關節(jié)可分為頭關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、手關節(jié)、腰關節(jié)、髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)，如圖A.2所示。圖A.2人形機器人關節(jié)分類A.2.2按結構形式分類a)中空關節(jié)：指關節(jié)內部設計有貫穿軸心的空心結構，允許電纜、管線等通過。b)非中空關節(jié)：指關節(jié)內部為實心結構，無貫穿軸心的空心通道。A.2.3按執(zhí)行機構分類a)旋轉關節(jié)：由無框力矩電機、減速器、力矩傳感器、編碼器等組成。b)直線關節(jié)：由無框力矩電機、絲杠、力矩傳感器、編碼器等組成。A.2.4按電機分類a)空心杯電機：一種微型伺服電機，無鐵芯結構，能效高、轉速快。多用于靈巧手關節(jié)，體積小、重量輕，適合高精度操作。b)無框力矩電機：一種高轉矩密度、中空結構的電機，具有較大的徑長比和較多的磁極，能夠提供較大的扭矩輸出，同時轉速較低。多用于人形機器人的旋轉關節(jié)，例如肩部、腰部、髖部等需要高扭矩輸出的部位。c)伺服電機：一種能夠實現(xiàn)精準控制的電機，常配備高精度編