Šiame straipsnyje nagrinėjamas bešerdžių reduktorinių variklių projektavimas, našumo optimizavimas ir pritaikymas gudriose humanoidinių robotų rankose.

Itin mažo dydžio, didelio sukimo momento tankio ir greito dinaminio atsako begysliai pavarų dėžės varikliai tapo pagrindiniu komponentu, leidžiančiu įjungti jungtinius robotų humanoidų rankose. Šiame darbe sistemingai analizuojami jų konstrukcijų projektavimo principai, pagrindiniai veikimo parametrai ir pritaikymo medicinos chirurginiuose instrumentuose bei intelektualiuose robotuose pranašumai. Atsižvelgiant į techninius iššūkius, su kuriais susiduria šalies gamintojai apvijų technologijos ir planetinių pavarų dėžių integravimo srityje, siūlomi optimizavimo sprendimai ir ateities plėtros kryptys.

1. Įvadas

Sparčiai tobulėjant humanoidiniams robotams ir minimaliai invaziniams medicinos prietaisams, varomųjų variklių dydžiui, efektyvumui ir valdymo tikslumui keliami didesni reikalavimai. 12 mm variklis be šerdies reduktoriaus, kaip mikro-pavaros sistemų atstovas, pašalina geležies nuostolius ir sumažina sukimosi inerciją dėl begydžio rotoriaus struktūros. Kartu su planetine pavarų dėže, kuri padidina sukimo momentą, ji tapo idealiu pasirinkimu tikslioms pavaroms, tokioms kaip vikrios rankos ir skalpeliai.

2.1 Variklio be šerdies pavaros konstrukcija ir veikimo principas

2.1 Šerdies rotoriaus konstrukcija

Variklis be šerdies turi apvijų struktūrą be šerdies, o ritė suvyniota taurelės forma ir tiesiogiai prijungta prie rotoriaus veleno. Palyginti su tradiciniais šepetiniais varikliais, jo pranašumai yra šie:

- Nėra traukimo efekto, todėl sukimo momento bangavimas yra mažas;

- Mažas inercijos momentas, mechaninė laiko konstanta iki 3,86 ms;

- Didelis efektyvumas, energijos panaudojimas siekia 75–90 %.

2.2 Planetinės pavaros integravimas

Kad būtų patenkinti gudrių rankinių jungčių išėjimo sukimo momento reikalavimai (paprastai 5–20 mNm), 8 mm, 10 mm, 12 mm ir 13 mm begyslių varikliai dažnai integruoja miniatiūrines planetines pavarų dėžes, kurių redukcijos koeficientai svyruoja nuo 5 iki 1500, o išėjimo greitis nuo 5 iki 2000 aps./min. Planetinės pavaros konstrukcijos ypatybės:

- bendraašė išvestis, kompaktiška struktūra;

- Didelis sukimo momento tankis, galintis padidinti išėjimo sukimo momentą daugiau nei 10 kartų;

- High transmission efficiency (>90 %), tinka dažno paleidimo{1}}sustabdymo scenarijams.

3. Pagrindinių našumo parametrų analizė

Kaip pavyzdį imant 12 mm bešerdį variklį iš Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd., jo tipiniai parametrai yra tokie:

- Nominali įtampa: 12V;

- Be-apkrovos Greitis: 18 000 aps./min.;

- Sukimo momentas: 11,5 mNm;

- Sukimo momento konstanta: 4,85 mNm/A;

- Mechaninė laiko konstanta: 3,86 ms;

- Maksimalus efektyvumas: 72 %.

Šis variklis gali išvesti 11,5 mNm sukimo momentą esant 2,4 A užstrigimo srovei. Naudojant planetinę pavarų dėžę, kurios redukcijos koeficientas yra 10:1, išėjimo sukimo momentas gali siekti 115 mNm, to pakanka, kad vikria ranka būtų galima atlikti sugriebimo ir suspaudimo veiksmus vienu pirštu.

4. Taikymo scenarijai ir privalumai

4.1 Humanoidinis robotas, vikrios rankos

- Didelis vairavimo laisvės laipsnis: vienai mikliai rankai reikia 6–12 variklių. 12 mm tuščiaviduris puodelio variklis gali būti integruotas į pirštų sąnarius, kad būtų atlikti sudėtingi judesiai, tokie kaip ištempimas, įtraukimas ir apvertimas.

- Greitas atsakas: mechaninė laiko konstanta yra 10 000 valandų, o tai gerokai viršija 1 000–3 000 šepetinių variklių valandų.

4.2 Medicininiai chirurginiai instrumentai

- Miniatiūrinis dizainas: 12 mm skersmens jį galima įdėti į chirurginius instrumentus, tokius kaip skalpeliai ir endoskopai.

- Didelis- tikslumas valdymas: su koduotuvu pasiekiamas 0,1 laipsnio -lygio padėties valdymas, atitinkantis minimaliai invazinės chirurgijos poreikius.

5. Buitinių technologijų iššūkiai ir proveržio keliai

5.1 Technologinės kliūtys

- Apvijos procesas: tuščiavidurėms taurėms ritėms reikia didelio-tikslumo apvijos. Užsienio lyderiai naudoja vieno-gabalo formavimo technologiją, o vietiniai gamintojai dažniausiai pasikliauja rankiniu arba vyniojimo procesu, todėl išeiga yra maža.

- Planetinės pavaros tikslumas: miniatiūrinėms planetinėms pavaroms reikalingas μm-lygio apdirbimo tikslumas, o buitinei įrangai vis dar sunku pasiekti stabilios masinės gamybos. 5.2 Proveržio keliai

- Automatinės apvijos įrangos kūrimas: pristatoma vizija-valdoma apvijų sistema, siekiant pagerinti ritės nuoseklumą;

- Planetinės pavaros medžiagų optimizavimas: miltelinės metalurgijos arba keraminių medžiagų naudojimas siekiant pagerinti atsparumą dilimui ir perdavimo efektyvumą;

- Integruotas dizainas: variklio, reduktoriaus ir koduotuvo integravimas į vieną paketą, siekiant sumažinti surinkimo klaidas.

6. Išvados ir perspektyva

12 mm bešerdis variklis su dideliu galios tankiu, greitu atsaku ir ilgu tarnavimo laiku tapo pagrindine tikslios pavaros srities sudedamąja dalimi. Ateityje, pasirodžius buitinėms apvijų technologijoms ir planetinių krumpliaračių apdorojimo technologijoms, jos kaina labai sumažės, o tai paskatins jos platų taikymą buitinės elektronikos, išmaniųjų namų ir kitose srityse. Kartu su dirbtinio intelekto valdymo algoritmais galima pasiekti protingesnį sukimo momento ir padėties valdymą, toliau plečiant jo taikymo ribas humanoidiniuose robotuose ir medicinos įrangoje.