Този документ изследва дизайна, оптимизацията на производителността и приложението на двигатели с редуктори без ядро ​​в сръчните ръце на хуманоидни роботи.

Моторите-редуктори без ядро, със своя ултра-малък размер, висока плътност на въртящия момент и бърза динамична реакция, се превърнаха в основен компонент за съвместно задействане в сръчните ръце на хуманоидни роботи. Тази статия систематично анализира принципите на структурния им дизайн, ключовите параметри на ефективността и предимствата на приложението в медицински хирургически инструменти и интелигентни роботи. Като се имат предвид техническите предизвикателства, пред които са изправени местните производители в технологията за навиване и интегрирането на планетарна скоростна кутия, се предлагат решения за оптимизация и бъдещи насоки за развитие.

1. Въведение

С бързото развитие на хуманоидните роботи и минимално инвазивните медицински устройства се поставят по-високи изисквания към размера, ефективността и прецизността на управление на задвижващите двигатели. 12-милиметровият мотор-редуктор без сърцевинка, като представител на микро-системите за задвижване, елиминира загубата на желязо и намалява инерцията на въртене чрез своята роторна структура без сърцевина. В комбинация с планетарна скоростна кутия за усилване на въртящия момент, той се превърна в идеален избор за прецизни задвижващи механизми като сръчни ръце и скалпели.

2.1 Структура на мотор-редуктор без ядро ​​и принцип на работа

2.1 Дизайн на ротор без ядро

Двигателят без сърцевина приема структура на намотка без сърцевина, като бобината е навита във форма на чаша и е директно свързана към вала на ротора. В сравнение с традиционните двигатели с четка, неговите предимства включват:

- Няма ефект на зацепване, което води до ниска пулсация на въртящия момент;

- Нисък инерционен момент, с механична времеконстанта до 3,86 ms;

- Висока ефективност, с използване на енергия, достигащо 75%~90%.

2.2 Интегриране на планетарни зъбни колела

За да отговорят на изискванията за изходен въртящ момент на сръчните ръчни шарнири (обикновено 5~20 mNm), 8 mm, 10 mm, 12 mm и 13 mm двигатели без ядро ​​често интегрират миниатюрни планетарни скоростни кутии с редукционни съотношения, вариращи от 5 до 1500 и изходни скорости от 5 до 2000 об./мин. Структурата на планетарната предавка се характеризира с:

- Коаксиален изход, компактна структура;

- Висока плътност на въртящия момент, способен да усили изходния въртящ момент повече от 10 пъти;

- High transmission efficiency (>90%), подходящо за често стартиране-стопиране.

3. Анализ на ключови параметри на ефективността

Като вземем за пример 12-милиметровия двигател без ядро ​​от Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd., типичните му параметри са както следва:

- Номинално напрежение: 12V;

- Без-скорост на зареждане: 18 000 об/мин;

- Въртящ момент при спиране: 11,5mNm;

- Константа на въртящ момент: 4,85 mNm/A;

- Механична времева константа: 3,86 ms;

- Максимална ефективност: 72%.

Този мотор може да изведе 11,5 mNm въртящ момент при ток на спиране от 2,4 A. С планетарна скоростна кутия с редукционно съотношение 10:1, изходният въртящ момент може да достигне 115 mNm, достатъчен за задвижване на сръчна ръка за извършване на действия за хващане и щипане с един пръст.

4. Сценарии за приложение и предимства

4.1 Хуманоиден робот Сръчни ръце

- Задвижване с висока степен на свобода: Една сръчна ръка изисква 6-12 мотора. 12 мм кух двигател с чаша може да бъде интегриран в ставите на пръстите, за да се постигнат сложни движения като удължаване, прибиране и обръщане.

- Бърза реакция: Механичната времева константа е 10 000 часа, което далеч надхвърля 1000-3000 часа на двигатели с четки.

4.2 Медицински хирургически инструменти

- Миниатюризиран дизайн: С диаметър от 12 мм може да се вгражда в хирургически инструменти като скалпели и ендоскопи.

- Високо-прецизен контрол: С енкодер постига 0,1 степен -контрол на позицията на нивото, отговаряйки на нуждите на минимално инвазивната хирургия.

5. Вътрешни технологични предизвикателства и пътища за пробив

5.1 Технологични бариери

- Процес на навиване: Бобините с кухи чаши изискват високо-прецизно навиване. Отвъдморските лидери използват-технология за формоване на едно парче, докато местните производители разчитат най-вече на ръчни процеси или процеси на навиване, което води до ниски добиви.

- Прецизност на планетарни зъбни колела: Миниатюрните планетарни зъбни колела изискват μm{1}}прецизност на обработка на ниво, а домашното оборудване все още се бори да постигне стабилно масово производство. 5.2 Пътища за пробив

- Разработка на автоматизирано оборудване за навиване: Въвеждане на визуална-направлявана система за навиване за подобряване на консистенцията на намотките;

- Оптимизиране на материала на планетарното зъбно колело: Използване на прахова металургия или керамични материали за подобряване на устойчивостта на износване и ефективността на предаване;

- Интегриран дизайн: Интегриране на двигателя, редуктора и енкодера в един пакет за намаляване на грешките при сглобяване.

6. Заключения и перспективи

12-милиметровият мотор-редуктор без ядро, със своята висока плътност на мощността, бърза реакция и дълъг живот, се превърна в основен компонент в областта на прецизното задвижване. В бъдеще, с пробиви в технологията за навиване на дома и технологията за обработка на планетарни зъбни колела, неговата цена ще намалее значително, което ще доведе до широкото му приложение в потребителската електроника, интелигентните домове и други области. Едновременно с това, комбинирано с алгоритми за управление на AI, може да се постигне по-интелигентен контрол на въртящия момент и позиция, което допълнително разширява границите на приложението му в хуманоидни роботи и медицинско оборудване.