این مقاله به بررسی طراحی، بهینه‌سازی عملکرد و کاربرد موتورهای دنده‌ای بدون هسته در دست‌های ماهر روبات‌های انسان‌نما می‌پردازد.

موتورهای دنده ای بدون هسته، با اندازه فوق العاده-کوچک، چگالی گشتاور بالا، و پاسخ دینامیکی سریع، به یک جزء اصلی برای فعال سازی مفصل در دستان ماهر ربات های انسان نما تبدیل شده اند. این مقاله به طور سیستماتیک اصول طراحی ساختاری، پارامترهای کلیدی عملکرد، و مزایای کاربرد در ابزارهای جراحی پزشکی و روبات‌های هوشمند را تجزیه و تحلیل می‌کند. با توجه به چالش های فنی پیش روی سازندگان داخلی در فناوری سیم پیچ و ادغام گیربکس سیاره ای، راه حل های بهینه سازی و جهت گیری های توسعه آتی پیشنهاد شده است.

1. مقدمه

با توسعه سریع روبات‌های انسان‌نما و دستگاه‌های پزشکی کم تهاجمی، خواسته‌های بالاتری بر روی اندازه، کارایی و دقت کنترل موتورهای محرک اعمال می‌شود. موتور گیربکس 12 میلی متری بدون هسته، به عنوان نماینده سیستم های درایو میکرو، اتلاف آهن را از بین می برد و اینرسی چرخشی را از طریق ساختار روتور بدون هسته خود کاهش می دهد. همراه با یک گیربکس سیاره ای برای تقویت گشتاور، به یک انتخاب ایده آل برای محرک های دقیق مانند دست های ماهر و چاقوی جراحی تبدیل شده است.

2.1 ساختار موتور دنده ای بدون هسته و اصل کار

2.1 طراحی روتور بدون هسته

موتور بدون هسته از ساختار سیم پیچی بدون هسته استفاده می کند که سیم پیچ به شکل فنجانی پیچیده شده و مستقیماً به شفت روتور متصل است. در مقایسه با موتورهای برس دار سنتی، مزایای آن عبارتند از:

- بدون اثر چسبندگی، در نتیجه موج گشتاور کم.

- ممان اینرسی کم، با ثابت زمانی مکانیکی تا 3.86 میلی‌ثانیه؛

- راندمان بالا، با استفاده از انرژی به 75٪ تا 90٪ می رسد.

2.2 ادغام چرخ دنده سیاره ای

موتورهای بدون هسته 8 میلی متر، 10 میلی متر، 12 میلی متر و 13 میلی متر برای برآوردن نیازهای گشتاور خروجی اتصالات دستی ماهرانه (معمولاً 5 تا 20 میلی نیوتن متر)، اغلب گیربکس های سیاره ای مینیاتوری را با نسبت های کاهشی از 5 تا 1500 و سرعت خروجی 50000 تا 2 در دقیقه ادغام می کنند. ویژگی های ساختار چرخ دنده سیاره ای:

- خروجی کواکسیال، ساختار فشرده.

- چگالی گشتاور بالا، قادر به تقویت گشتاور خروجی بیش از 10 برابر.

- High transmission efficiency (>90٪، مناسب برای سناریوهای شروع مکرر-توقف.

3. تجزیه و تحلیل پارامترهای عملکرد کلیدی

با در نظر گرفتن موتور 12 میلی متری بدون هسته از Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd.، پارامترهای معمول آن به شرح زیر است:

- ولتاژ نامی: 12 ولت;

- بدون بار-سرعت: 18000 دور در دقیقه.

- گشتاور استال: 11.5mNm;

- ثابت گشتاور: 4.85mNm/A;

- ثابت زمانی مکانیکی: 3.86 میلی‌ثانیه؛

- حداکثر راندمان: 72%.

این موتور می تواند 11.5mNm گشتاور را در جریان استال 2.4A تولید کند. با یک گیربکس سیاره‌ای با نسبت کاهش 10:1، گشتاور خروجی می‌تواند به 115 میلی‌نیوتن‌متر برسد، که برای هدایت یک دست ماهرانه برای انجام اعمال گرفتن و نیشگون گرفتن با یک انگشت کافی است.

4. سناریوهای کاربردی و مزایا

4.1 ربات انسان نما دستان ماهر

- درایو با درجه آزادی بالا: یک دست ماهر به ۶ تا ۱۲ موتور نیاز دارد. یک موتور فنجانی توخالی 12 میلی متری را می توان در مفاصل انگشتان ادغام کرد تا به حرکات پیچیده ای مانند کشش، عقب نشینی و چرخاندن دست یابد.

- پاسخ سریع: ثابت زمانی مکانیکی 10000 ساعت است که بسیار بیشتر از 1000-3000 ساعت موتورهای برس خورده است.

4.2 ابزار جراحی پزشکی

- طراحی مینیاتوری: با قطر 12 میلی متر، می توان آن را در ابزار جراحی مانند چاقوی جراحی و آندوسکوپ جاسازی کرد.

- کنترل دقیق- بالا: با یک رمزگذار، کنترل موقعیت سطح 0.1 درجه - را به دست می‌آورد که نیازهای جراحی کم تهاجمی را برآورده می‌کند.

5. چالش های فناوری داخلی و مسیرهای پیشرفت

5.1 موانع تکنولوژیکی

- فرآیند سیم پیچی: سیم پیچ های فنجانی توخالی نیاز به سیم پیچی- با دقت بالایی دارند. رهبران خارج از کشور از فناوری قالب‌گیری یک تکه-استفاده می‌کنند، در حالی که تولیدکنندگان داخلی عمدتاً به فرآیندهای دستی یا سیم پیچی تکیه می‌کنند که در نتیجه بازده پایینی دارد.

- دقت دنده سیاره‌ای: چرخ دنده‌های سیاره‌ای مینیاتوری به دقت ماشین‌کاری در سطح میکرومتر-نیاز دارند و تجهیزات داخلی هنوز برای دستیابی به تولید انبوه پایدار در تلاش هستند. 5.2 مسیرهای پیشرفت

- توسعه تجهیزات سیم پیچی خودکار: معرفی یک سیستم سیم پیچ هدایت شونده چشم انداز- برای بهبود قوام سیم پیچ.

- بهینه‌سازی مواد دنده سیاره‌ای: استفاده از مواد متالورژی پودر یا سرامیک برای بهبود مقاومت در برابر سایش و راندمان انتقال.

- طراحی یکپارچه: ادغام موتور، کاهنده و رمزگذار در یک بسته واحد برای کاهش خطاهای مونتاژ.

6. نتیجه گیری و چشم انداز

موتور دنده ای 12 میلی متری بدون هسته، با چگالی توان بالا، پاسخ سریع و طول عمر طولانی، به یک جزء اصلی در زمینه درایو دقیق تبدیل شده است. در آینده، با پیشرفت‌هایی در فناوری سیم پیچ داخلی و فناوری پردازش چرخ دنده‌های سیاره‌ای، هزینه آن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و کاربرد گسترده آن در لوازم الکترونیکی مصرفی، خانه‌های هوشمند و سایر زمینه‌ها را افزایش می‌دهد. همزمان، همراه با الگوریتم‌های کنترل هوش مصنوعی، گشتاور و کنترل موقعیت هوشمندتر می‌توان به دست آورد و مرزهای کاربرد آن را در ربات‌های انسان‌نما و تجهیزات پزشکی گسترش داد.