この論文では、人型ロボットの器用な手におけるコアレス ギヤード モーターの設計、性能の最適化、および応用について検討します。

コアレス ギヤード モーターは、超小型、高トルク密度、迅速な動的応答を備え、人型ロボットの器用な手の関節作動の中核コンポーネントとなっています。{0}この論文では、医療用手術器具やインテリジェントロボットにおける構造設計原理、主要な性能パラメータ、応用上の利点を系統的に分析しています。巻線技術と遊星ギアボックスの統合において国内メーカーが直面する技術的課題を考慮し、最適化ソリューションと将来の開発方向を提案します。

1. はじめに

人型ロボットや低侵襲医療機器の急速な発展に伴い、駆動モーターのサイズ、効率、制御精度に対する要求が高まっています。マイクロドライブシステムの代表格である12mmコアレスギヤードモーターは、コアレスローター構造により鉄損をなくし、回転慣性を低減します。トルクを増幅する遊星ギアボックスと組み合わせることで、器用な手やメスなどの精密アクチュエーターにとって理想的な選択肢となっています。

2.1 コアレスギヤードモーターの構造と動作原理

2.1 コアレスローターの設計

コアレスモーターは、カップ状に巻いたコイルをローターシャフトに直結したコアレス巻線構造を採用しています。従来のブラシ付きモーターと比較して、次のような利点があります。

- コギング効果がないため、トルクリップルが低くなります。

- 慣性モーメントが低く、機械時定数は 3.86 ms まで下がります。

- エネルギー利用率が 75% ～ 90% に達する高効率。

2.2 遊星歯車の統合

器用なハンドジョイントの出力トルク要件 (通常 5 ～ 20 mNm) を満たすために、8mm、10mm、12mm、および 13mm コアレス モーターには、減速比が 5 ～ 1500、出力速度が 5 ～ 2000 rpm の小型遊星ギアボックスが組み込まれていることがよくあります。遊星歯車構造の特徴は次のとおりです。

- 同軸出力、コンパクトな構造。

- 高いトルク密度。出力トルクを 10 倍以上に増幅できます。

- High transmission efficiency (>90%)、頻繁な起動停止シナリオに適しています。-

3. 主要なパフォーマンスパラメータの分析

Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd.の 12mm コアレスモーターを例にとると、その典型的なパラメータは次のとおりです。

- 定格電圧: 12V;

- 無負荷-速度: 18,000rpm;

- ストールトルク: 11.5mNm;

- トルク定数: 4.85mNm/A;

- 機械時定数: 3.86ms;

- 最大効率: 72%。

このモーターは、2.4A のストール電流で 11.5mNm のトルクを出力できます。減速比 10:1 の遊星ギアボックスを使用すると、出力トルクは 115mNm に達し、器用な手を使って指 1 本で掴んだりつまんだりする動作を行うのに十分です。

4. 適用シナリオと利点

4.1 人型ロボットの器用な手

- 高い自由度の駆動: 1 つの器用な手には 6 ～ 12 個のモーターが必要です。 12mmの中空カップモーターを指の関節に組み込むことで、伸ばす、縮める、ひっくり返すなどの複雑な動きを実現できます。

- 迅速な応答: 機械的時定数は 10,000 時間で、ブラシ付きモーターの 1,000 ～ 3,000 時間をはるかに上回ります。

4.2 医療用手術器具

- 小型設計: 直径 12 mm なので、メスや内視鏡などの手術器具に埋め込むことができます。

- 高精度制御: エンコーダにより、0.1 度の - レベルの位置制御を実現し、低侵襲手術のニーズを満たします。

5. 国内技術の課題と突破口

5.1 技術的障壁

- 巻線プロセス: 中空カップ コイルには高精度の巻線が必要です。-海外の大手企業は一体成形技術を使用していますが、国内メーカーは主に手作業または巻き取りプロセスに依存しているため、歩留まりが低くなります。-

- 遊星歯車の精度: ミニチュア遊星歯車にはμm- レベルの加工精度が必要ですが、国内の設備では安定した量産がまだ困難です. 5.2 ブレークスルーパス

- 自動巻線装置の開発: コイルの一貫性を向上させるビジョンガイド付き巻線システムの導入-。

- 遊星歯車の材料の最適化: 粉末冶金またはセラミック材料を利用して、耐摩耗性と伝達効率を向上させます。

- 統合設計: モーター、減速機、エンコーダーを 1 つのパッケージに統合して、組み立てエラーを削減します。

6. 結論と展望

12mm コアレスギヤードモーターは、高出力密度、高速応答、長寿命を備え、精密ドライブ分野の中核コンポーネントとなっています。将来的には、国産の巻線技術や遊星歯車加工技術の進歩によりコストが大幅に下がり、家電やスマートホームなどの分野での普及が進むと予想されます。同時に、AI 制御アルゴリズムと組み合わせることで、よりインテリジェントなトルクおよび位置制御を実現でき、人型ロボットや医療機器における応用範囲をさらに拡大できます。