В этой статье исследуются конструкция, оптимизация производительности и применение бессердечниковых мотор-редукторов в ловких руках гуманоидных роботов.

Мотор-редукторы без сердечника благодаря своим сверх-малым размерам, высокой плотности крутящего момента и быстрому динамическому отклику стали основным компонентом совместного приведения в действие в ловких руках гуманоидных роботов. В этой статье систематически анализируются принципы их структурного проектирования, ключевые параметры производительности и преимущества применения в медицинских хирургических инструментах и ​​интеллектуальных роботах. Учитывая технические проблемы, с которыми сталкиваются отечественные производители при интеграции намоточной технологии и планетарного редуктора, предлагаются решения по оптимизации и направления дальнейшего развития.

1. Введение

С быстрым развитием гуманоидных роботов и минимально инвазивных медицинских устройств предъявляются более высокие требования к размеру, эффективности и точности управления приводными двигателями. 12-миллиметровый мотор-редуктор без сердечника, являющийся представителем систем микро-привода, устраняет потери в железе и снижает инерцию вращения благодаря конструкции ротора без сердечника. В сочетании с планетарным редуктором для усиления крутящего момента он стал идеальным выбором для прецизионных приводов, таких как ловкие руки и скальпели.

2.1 Конструкция и принцип работы мотор-редуктора без сердечника

2.1 Конструкция ротора без сердечника

В двигателе без сердечника используется конструкция обмотки без сердечника, катушка которой имеет чашеобразную форму и напрямую соединена с валом ротора. По сравнению с традиционными коллекторными двигателями его преимущества включают в себя:

- Отсутствие эффекта зубчатого зацепления, что приводит к низким пульсациям крутящего момента;

- Низкий момент инерции, механическая постоянная времени до 3,86 мс;

- Высокая эффективность: коэффициент использования энергии достигает 75–90 %.

2.2 Интеграция планетарной передачи

Чтобы удовлетворить требования к выходному крутящему моменту ловких ручных шарниров (обычно 5–20 мНм), бессердечниковые двигатели диаметром 8, 10, 12 и 13 мм часто включают в себя миниатюрные планетарные редукторы с передаточными числами в диапазоне от 5 до 1500 и выходной скоростью от 5 до 2000 об/мин. Особенности конструкции планетарной передачи:

- Коаксиальный выход, компактная конструкция;

- Высокая плотность крутящего момента, позволяющая увеличить выходной крутящий момент более чем в 10 раз;

- High transmission efficiency (>90%), подходит для сценариев частого запуска-остановки.

3. Анализ ключевых параметров производительности

Если взять в качестве примера бессердечный двигатель диаметром 12 мм от Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd., его типичные параметры следующие:

- Номинальное напряжение: 12 В;

- Скорость без-нагрузки: 18 000 об/мин;

- Момент срыва: 11,5 мНм;

- Постоянный крутящий момент: 4,85 мНм/А;

- Механическая постоянная времени: 3,86 мс;

- Максимальная эффективность: 72%.

Этот двигатель может выдавать крутящий момент 11,5 мНм при токе останова 2,4 А. При использовании планетарного редуктора с передаточным числом 10:1 выходной крутящий момент может достигать 115 мНм, что достаточно для того, чтобы ловкая рука могла выполнять захватывающие и зажимающие действия одним пальцем.

4. Сценарии применения и преимущества

4.1 Ловкие руки робота-гуманоида

- Высокая степень свободы движения. Для одной ловкой руки требуется от 6 до 12 моторов. Двигатель с полой чашкой диаметром 12 мм может быть интегрирован в шарниры пальцев для выполнения сложных движений, таких как выдвижение, втягивание и переворачивание.

- Быстрое реагирование: механическая постоянная времени составляет 10 000 часов, что намного превышает 1 000–3 000 часов у коллекторных двигателей.

4.2 Медицинские хирургические инструменты

- Миниатюрный дизайн: диаметром 12 мм его можно встраивать в хирургические инструменты, такие как скальпели и эндоскопы.

- Высокая-точность управления: благодаря энкодеру достигается контроль положения на уровне 0,1 градуса -, что соответствует потребностям малоинвазивной хирургии.

5. Проблемы отечественных технологий и пути прорыва

5.1 Технологические барьеры

- Процесс намотки. Катушки с полой чашкой требуют высокой-точной намотки. Зарубежные лидеры используют-технологию формования цельных изделий, в то время как отечественные производители в основном полагаются на ручной процесс или процессы намотки, что приводит к низкой производительности.

- Точность планетарных передач. Миниатюрные планетарные передачи требуют точности обработки на уровне мкм-, а отечественное оборудование все еще с трудом обеспечивает стабильное массовое производство.. 5.2 Пути прорыва

- Разработка оборудования для автоматической намотки: внедрение инновационной-системы управляемой намотки для улучшения однородности рулона;

- Оптимизация материала планетарной передачи: использование порошковой металлургии или керамических материалов для повышения износостойкости и эффективности трансмиссии;

- Комплексная конструкция: объединение двигателя, редуктора и энкодера в едином корпусе для уменьшения ошибок при сборке.

6. Выводы и перспективы

12-миллиметровый мотор-редуктор без сердечника, обладающий высокой удельной мощностью, быстрым откликом и длительным сроком службы, стал ключевым компонентом в области прецизионных приводов. В будущем, благодаря прорывам в отечественной технологии намотки и технологии обработки планетарных передач, его стоимость значительно снизится, что приведет к его широкому применению в бытовой электронике, умных домах и других областях. Одновременно с этим в сочетании с алгоритмами управления ИИ можно достичь более интеллектуального управления крутящим моментом и положением, что еще больше расширяет границы его применения в гуманоидных роботах и ​​медицинском оборудовании.