Este artículo explora el diseño, la optimización del rendimiento y la aplicación de motores con engranajes sin núcleo en las diestras manos de robots humanoides.

Los motores con engranajes sin núcleo, con su tamaño ultra-pequeño, su alta densidad de par y su rápida respuesta dinámica, se han convertido en un componente central para la actuación conjunta en las diestras manos de los robots humanoides. Este artículo analiza sistemáticamente sus principios de diseño estructural, parámetros clave de rendimiento y ventajas de aplicación en instrumentos médicos quirúrgicos y robots inteligentes. Teniendo en cuenta los desafíos técnicos que enfrentan los fabricantes nacionales en la tecnología de bobinado y la integración de cajas de engranajes planetarios, se proponen soluciones de optimización y direcciones de desarrollo futuro.

1. Introducción

Con el rápido desarrollo de robots humanoides y dispositivos médicos mínimamente invasivos, se imponen mayores exigencias en cuanto al tamaño, la eficiencia y la precisión del control de los motores de accionamiento. El motorreductor sin núcleo de 12 mm, como representante de los sistemas de micro-accionamiento, elimina la pérdida de hierro y reduce la inercia rotacional a través de su estructura de rotor sin núcleo. Combinado con una caja de cambios planetaria para amplificar el par, se ha convertido en una opción ideal para actuadores de precisión como manos diestras y bisturíes.

2.1 Estructura y principio de funcionamiento del motorreductor sin núcleo

2.1 Diseño de rotor sin núcleo

El motor sin núcleo adopta una estructura de bobinado sin núcleo, con la bobina enrollada en forma de copa y conectada directamente al eje del rotor. En comparación con los motores con escobillas tradicionales, sus ventajas incluyen:

- Sin efecto de engranaje, lo que resulta en una ondulación de par baja;

- Momento de inercia bajo, con una constante de tiempo mecánica de hasta 3,86 ms;

- Alta eficiencia, con una utilización de energía que alcanza entre el 75% y el 90%.

2.2 Integración de engranajes planetarios

Para cumplir con los requisitos de par de salida de las articulaciones manuales diestras (normalmente 5 ~ 20 mNm), los motores sin núcleo de 8 mm, 10 mm, 12 mm y 13 mm a menudo integran cajas de engranajes planetarios en miniatura, con relaciones de reducción que van de 5 a 1500 y velocidades de salida de 5 a 2000 rpm. La estructura del engranaje planetario presenta:

- Salida coaxial, estructura compacta;

- Alta densidad de par, capaz de amplificar el par de salida más de 10 veces;

- High transmission efficiency (>90%), adecuado para escenarios de inicio-parada frecuentes.

3. Análisis de parámetros clave de rendimiento

Tomando como ejemplo el motor sin núcleo de 12 mm de Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd., sus parámetros típicos son los siguientes:

- Voltaje nominal: 12 V;

- Velocidad sin-carga: 18 000 rpm;

- Par de calado: 11,5 mNm;

- Constante de par: 4,85 mNm/A;

- Constante de tiempo mecánica: 3,86 ms;

- Eficiencia máxima: 72%.

Este motor puede generar 11,5 mNm de par con una corriente de parada de 2,4 A. Con una caja de cambios planetaria con una relación de reducción de 10:1, el par de salida puede alcanzar 115 mNm, suficiente para impulsar una mano diestra a realizar acciones de agarre y pellizco con un solo dedo.

4. Escenarios de aplicación y ventajas

4.1 Manos diestras del robot humanoide

- Impulso de alto grado de libertad: una sola mano diestra requiere entre 6 y 12 motores. Se puede integrar un motor de copa hueca de 12 mm en las articulaciones de los dedos para lograr movimientos complejos como extensión, retracción y giro.

- Respuesta rápida: La constante de tiempo mecánica es de 10.000 horas, superando con creces las 1.000-3.000 horas de los motores con escobillas.

4.2 Instrumentos médico-quirúrgicos

- Diseño miniaturizado: Con un diámetro de 12 mm, se puede incrustar en instrumentos quirúrgicos como bisturíes y endoscopios.

-Control de alta-precisión: con un codificador, logra un control de posición de nivel -de 0,1 grados, satisfaciendo las necesidades de la cirugía mínimamente invasiva.

5. Desafíos tecnológicos nacionales y caminos de avance

5.1 Barreras Tecnológicas

- Proceso de bobinado: las bobinas de copa hueca requieren un bobinado de alta-precisión. Los líderes extranjeros utilizan tecnología de moldeo de una sola pieza-, mientras que los fabricantes nacionales dependen principalmente de procesos manuales o de bobinado, lo que genera bajos rendimientos.

- Precisión de engranajes planetarios: los engranajes planetarios en miniatura requieren una precisión de mecanizado de nivel μm-y los equipos domésticos todavía tienen dificultades para lograr una producción en masa estable.. 5.2 Caminos de avance

- Desarrollo de equipos de bobinado automatizado: presentación de un sistema de bobinado guiado por visión-para mejorar la consistencia de la bobina;

- Optimización del material del engranaje planetario: utilización de pulvimetalurgia o materiales cerámicos para mejorar la resistencia al desgaste y la eficiencia de la transmisión;

- Diseño Integrado: Integrar el motor, el reductor y el codificador en un solo paquete para reducir los errores de ensamblaje.

6. Conclusiones y perspectivas

El motorreductor sin núcleo de 12 mm, con su alta densidad de potencia, respuesta rápida y larga vida útil, se ha convertido en un componente central en el campo de la transmisión de precisión. En el futuro, con los avances en la tecnología de bobinado nacional y la tecnología de procesamiento de engranajes planetarios, su costo disminuirá significativamente, lo que impulsará su aplicación generalizada en la electrónica de consumo, los hogares inteligentes y otros campos. Al mismo tiempo, en combinación con algoritmos de control de IA, se puede lograr un control de posición y par más inteligente, ampliando aún más sus límites de aplicación en robots humanoides y equipos médicos.