Este artigo explora o projeto, a otimização do desempenho e a aplicação de motores redutores sem núcleo nas mãos hábeis de robôs humanóides.

Motoredutores sem núcleo, com tamanho ultra-pequeno, alta densidade de torque e resposta dinâmica rápida, tornaram-se um componente essencial para atuação conjunta nas mãos hábeis de robôs humanóides. Este artigo analisa sistematicamente seus princípios de projeto estrutural, principais parâmetros de desempenho e vantagens de aplicação em instrumentos médico-cirúrgicos e robôs inteligentes. Considerando os desafios técnicos enfrentados pelos fabricantes nacionais em tecnologia de enrolamento e integração de caixas de engrenagens planetárias, são propostas soluções de otimização e direções de desenvolvimento futuro.

1. Introdução

Com o rápido desenvolvimento de robôs humanóides e dispositivos médicos minimamente invasivos, maiores demandas são impostas ao tamanho, eficiência e precisão de controle dos motores de acionamento. O motoredutor sem núcleo de 12 mm, como representante dos sistemas de micro{2}}acionamento, elimina a perda de ferro e reduz a inércia rotacional por meio de sua estrutura de rotor sem núcleo. Combinado com uma caixa de engrenagens planetárias para amplificar o torque, tornou-se a escolha ideal para atuadores de precisão, como mãos hábeis e bisturis.

2.1 Estrutura e princípio de funcionamento do motor com engrenagem sem núcleo

2.1 Projeto de rotor sem núcleo

O motor sem núcleo adota uma estrutura de enrolamento sem núcleo, com a bobina enrolada em forma de copo e conectada diretamente ao eixo do rotor. Comparado aos motores escovados tradicionais, suas vantagens incluem:

- Sem efeito de denteamento, resultando em baixa ondulação de torque;

- Baixo momento de inércia, com constante de tempo mecânico de até 3,86 ms;

- Alta eficiência, com utilização de energia atingindo 75%~90%.

2.2 Integração de Engrenagens Planetárias

Para atender aos requisitos de torque de saída de juntas manuais hábeis (normalmente 5 ~ 20 mNm), os motores sem núcleo de 8 mm, 10 mm, 12 mm e 13 mm geralmente integram caixas de engrenagens planetárias em miniatura, com taxas de redução variando de 5 a 1.500 e velocidades de saída de 5 a 2.000 rpm. A estrutura da engrenagem planetária apresenta:

- Saída coaxial, estrutura compacta;

- Alta densidade de torque, capaz de amplificar o torque de saída em mais de 10 vezes;

- High transmission efficiency (>90%), adequado para cenários de início-parada frequentes.

3. Análise dos principais parâmetros de desempenho

Tomando o motor sem núcleo de 12 mm da Shenzhen Kegu Technology Co., Ltd. como exemplo, seus parâmetros típicos são os seguintes:

- Tensão Nominal: 12V;

- Velocidade sem{1}}carga: 18.000 rpm;

- Torque de parada: 11,5mNm;

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

- Constante de Tempo Mecânica: 3,86ms;

- Eficiência máxima: 72%.

Este motor pode produzir 11,5mNm de torque a uma corrente de bloqueio de 2,4A. Com uma caixa de engrenagens planetárias com relação de redução de 10:1, o torque de saída pode chegar a 115mNm, suficiente para acionar uma mão hábil para realizar ações de agarrar e beliscar com um único dedo.

4. Cenários e vantagens de aplicação

4.1 Mãos hábeis do robô humanóide

- Alto grau de liberdade de movimento: uma única mão hábil requer de 6 a 12 motores. Um motor de copo oco de 12 mm pode ser integrado nas articulações dos dedos para realizar movimentos complexos, como extensão, retração e inversão.

- Resposta Rápida: A constante de tempo mecânico é de 10.000 horas, excedendo em muito as 1.000-3.000 horas dos motores com escovas.

4.2 Instrumentos Médico-Cirúrgicos

- Design Miniaturizado: Com diâmetro de 12mm, pode ser embutido em instrumentos cirúrgicos como bisturis e endoscópios.

- Controle de alta-precisão: com um codificador, ele alcança controle de posição de nível -de 0,1 grau, atendendo às necessidades de cirurgia minimamente invasiva.

5. Desafios tecnológicos nacionais e caminhos inovadores

5.1 Barreiras Tecnológicas

- Processo de enrolamento: bobinas de copo oco exigem enrolamento de alta-precisão. Os líderes estrangeiros usam tecnologia de moldagem-de peça única, enquanto os fabricantes nacionais dependem principalmente de processos manuais ou de enrolamento, resultando em baixos rendimentos.

- Precisão de engrenagens planetárias: engrenagens planetárias em miniatura exigem precisão de usinagem de nível -μm, e os equipamentos domésticos ainda estão lutando para alcançar uma produção em massa estável. 5.2 Caminhos inovadores

- Desenvolvimento de equipamento de enrolamento automatizado: introdução de um sistema de enrolamento-orientado por visão para melhorar a consistência da bobina;

- Otimização de materiais de engrenagens planetárias: utilização de metalurgia do pó ou materiais cerâmicos para melhorar a resistência ao desgaste e a eficiência da transmissão;

- Projeto Integrado: Integração do motor, redutor e codificador em um único pacote para reduzir erros de montagem.

6. Conclusões e perspectivas

O motoredutor sem núcleo de 12 mm, com alta densidade de potência, resposta rápida e longa vida útil, tornou-se um componente central no campo de acionamentos de precisão. No futuro, com os avanços na tecnologia de enrolamento nacional e na tecnologia de processamento de engrenagens planetárias, o seu custo diminuirá significativamente, impulsionando a sua aplicação generalizada em electrónica de consumo, casas inteligentes e outros campos. Simultaneamente, combinado com algoritmos de controle de IA, um controle de torque e posição mais inteligente pode ser alcançado, expandindo ainda mais seus limites de aplicação em robôs humanóides e equipamentos médicos.