Что такое бескорпусный моментный мотор? Основные преимущества в конструкции суставов робота

 С быстрым развитием человекоподобных роботов, четвероногих роботов и индустрии интеллектуальной автоматизации технология роботизированных суставов становится одним из ключевых направлений отрасли. В робототехнических системах характеристики привода суставов часто определяют подвижность робота, стабильность и точность управления.

Хотя традиционные сервоприводы широко используются, постоянно растущие требования к лёгким конструкциям, компактным размерам и высокой динамической производительности в робототехнике сделали традиционные решения всё менее достаточными для высокоуровневых робототехнических применений.

На этом фоне «бескорпусный моментный двигатель» начал привлекать всё больше внимания со стороны производителей роботов и команд R&D.

Что такое бескорпусный моментный двигатель?

Бескорпусный моментный двигатель — это тип двигателя, специально разработанный для высокопроизводительных роботов и оборудования автоматизации. В отличие от традиционных сервомоторов, он исключает такие конструкции, как корпус, подшипники и стандартный выходной вал, обычно сохраняя только два наиболее основных компонента:

• Статор

• Ротор

Поэтому он называется «бескорпусным» двигателем.

Такая конструкция позволяет напрямую встраивать двигатель внутрь роботизированного сустава, давая разработчикам возможность свободно проектировать механическую структуру, редукторную систему и весь суставной модуль в соответствии с требованиями конкретного применения.

Проще говоря, бескорпусный моментный двигатель больше похож на «основной силовой модуль» роботизированного сустава, а не на полноценный двигатель в традиционном понимании.

По сравнению с традиционными сервомоторами, бескорпусные моментные двигатели становятся основным силовым решением для всё большего числа робототехнических проектов благодаря высокой степени интеграции, высокой плотности крутящего момента и гибкой конструктивной архитектуре.

Сравнение бескорпусных моментных двигателей и традиционных сервомоторов

Почему роботы всё чаще используют бескорпусные моментные двигатели?

С быстрым развитием человекоподобных роботов, четвероногих роботов и интеллектуальных роботизированных манипуляторов отрасль робототехники предъявляет всё более высокие требования к системам привода суставов.

Современные роботы должны не только «двигаться», но и требовать:

• Более естественного движения

• Более быстрой реакции

• Более лёгких конструкций

• Более точного управления

• Более стабильной работы

Однако из-за большего размера и фиксированной конструкции традиционные сервомоторы постепенно выявили ограничения в высокопроизводительных робототехнических применениях.

Основные преимущества бескорпусных моментных двигателей

На фоне стремительного развития робототехники и интеллектуальной автоматизации приводные системы переходят от традиционных моторных решений к высокоинтегрированным и высокопроизводительным архитектурам. Среди них бескорпусный моментный двигатель, как высоко настраиваемое электромагнитное приводное решение, всё чаще применяется в высокоуровневых робототехнических системах.

В отличие от традиционных двигателей, бескорпусные моментные двигатели обычно интегрируются непосредственно в роботизированные суставы и объединяются с редукторами, энкодерами и системами управления, формируя единые модули. Такая конструкция делает суставы робота более компактными и повышает общую эффективность движения и точность управления.

Лёгкая конструкция суставов

Бескорпусные моментные двигатели удаляют корпус, подшипники и выходной вал, присутствующие в традиционных двигателях, оставляя только основные электромагнитные компоненты. Это позволяет напрямую интегрировать их в суставы и обеспечивает истинную структурную интеграцию.

Прикладная ценность: делает суставы робота легче и более подвижными, повышает скорость отклика и снижает общее энергопотребление. Особенно подходит для человекоподобных и четвероногих роботов с высокими требованиями к динамике.

Высокая плотность крутящего момента

За счёт оптимизации электромагнитного дизайна и магнитных цепей бескорпусные моментные двигатели могут обеспечивать более высокий крутящий момент в ограниченном пространстве, улучшая силовые характеристики без увеличения размеров.

Прикладная ценность: подходит для высокодинамичных роботизированных систем, таких как прыжки и бег четвероногих роботов, управление ходьбой человекоподобных роботов, операции роботизированных манипуляторов с высокой нагрузкой и экзоскелетные системы.

Высокоточное управление движением

Благодаря низкой инерции и отличной динамической реакции бескорпусные моментные двигатели обеспечивают более плавную и непрерывную передачу крутящего момента, позволяя системам управления достигать более высокой точности и стабильности.

Прикладная ценность: обеспечивает стабильный динамический баланс, адаптивное взаимодействие, высокоточную траекторию и естественную походку, делая движение робота более плавным и биоподобным.

Подходит для интегрированных и модульных систем

Бескорпусные моментные двигатели обычно модульно объединяются с гармоническими редукторами, энкодерами, тормозами и драйверами, формируя высокоинтегрированные приводные узлы.

Прикладная ценность: снижает сложность конструкции и трудоёмкость проводки, повышает интеграцию системы и ускоряет разработку и итерации, что идеально подходит для быстрого прототипирования.

Кейс Gorilla Mk1: практические преимущества бескорпусных моментных двигателей в робототехнике

В робототехнической отрасли бескорпусные моментные двигатели уже применяются в высокопроизводительных проектах.

Используя кейс CubeMars Gorilla Mk1 в качестве примера, этот робот, предназначенный для обслуживания высоковольтных линий электропередачи, использует бескорпусный моментный двигатель CubeMars RI80 V2.0 в качестве основного привода.

Gorilla Mk1 в основном используется в сложных задачах, таких как инспекция линий электропередачи, обслуживание высоковольтных линий, работы в опасных условиях и аварийно-спасательные операции на высоте. В этих задачах робот должен длительное время работать в неструктурированных, высокорисковых условиях, сталкиваясь с динамическими изменениями нагрузки и сложными условиями контакта.

Поэтому система должна одновременно удовлетворять следующим требованиям:

• Высокая динамическая стабильность при подвешенных и наклонных условиях

• Непрерывная высокая тяговая способность для выполнения задач перемещения и контакта с линиями

• Точное управление крутящим моментом для снижения воздействия на линии электропередачи

• Лёгкая конструкция для повышения безопасности и энергоэффективности на высоте

В таких условиях бескорпусный моментный двигатель используется не как отдельный исполнительный элемент, а как основной источник мощности системы привода сустава. Он встроен в колесно-приводной модуль и вместе с редуктором, системой управления и конструкцией образует полный приводной узел.

Его роль уже не ограничивается простым выходом крутящего момента, а заключается в совместной работе со всей цепью привода, определяя общие характеристики движения и выполнение задач робота в сложных условиях.

Конкретные характеристики системы следующие:

Из кейса Gorilla Mk1 видно, что бескорпусные моментные двигатели играют важную роль в суставных системах инспекционных роботов.

В сложных условиях эксплуатации воздушных линий роботы должны выполнять задачи при неструктурированном контакте, высоких динамических изменениях нагрузки и длительной непрерывной работе. Поэтому ключевой акцент конструкции привода делается не на отдельный двигатель, а на согласованную работу всей цепи привода (двигатель, редуктор, система управления и конструкция).

В рамках такой архитектуры бескорпусные моментные двигатели обеспечивают большую свободу конструкции и точность управления благодаря встроенной интеграции. Однако их эффективность всё ещё сильно зависит от механической конструкции, теплового режима и алгоритмов управления.

Поэтому их ценность в высокоуровневых робототехнических системах можно точнее сформулировать как:

• Обеспечение «электромагнитной основы привода» с высокой плотностью крутящего момента

• Поддержка компактной конструкции суставов

• Адаптация к высокодинамическим системам управления

• Обеспечение непрерывной работы и задач силового управления

• Повышение гибкости системной интеграции

Как выбрать подходящий бескорпусный моментный двигатель?

Выбор бескорпусного моментного двигателя должен основываться на размере суставов робота, нагрузке и требованиях к динамике. Разные сценарии применения требуют разных спецификаций.

В практических проектах выбор обычно основывается на следующих ключевых параметрах:

• Требуемый крутящий момент

• Размер сустава

• Передаточное отношение

• Способность к теплоотводу

• Скорость динамического отклика

• Напряжение питания

Различные робототехнические системы имеют существенно разные требования к двигателям, поэтому подбор должен выполняться в соответствии с конкретным сценарием применения.

Типовые сценарии применения

Рекомендации по моделям бескорпусных моментных двигателей

Заключение

Бескорпусные моментные двигатели становятся ключевым силовым решением в проектировании суставов роботов нового поколения.

Удаляя корпус и фиксированные конструкции традиционных двигателей, они могут быть встроены в суставы с большей свободой конструкции и интегрированы с редукторами, энкодерами и системами управления, формируя высокоинтегрированные приводные модули. Такая структура обеспечивает роботам большую гибкость проектирования и закладывает основу для лёгких конструкций, высокой динамики и высокой точности управления.

В практических применениях бескорпусные моментные двигатели уже широко используются в инспекционных роботах, экзоскелетах, коллаборативных роботизированных манипуляторах и промышленном оборудовании автоматизации. Благодаря глубокой интеграции с редукторами, энкодерами и системами управления они позволяют создавать более компактные и эффективные суставные системы роботов, повышая общую эффективность разработки и надёжность систем.

В целом, бескорпусные моментные двигатели — это не только эволюция формы двигателя, но и важная тенденция перехода от «мышления компонентами» к «системному мышлению» в проектировании роботизированных суставов. По мере развития роботов в сторону большей степени свободы, более высокой динамики и более естественного взаимодействия человека и робота значение этой технологии будет только расти.

В будущем, с ростом индустрии человекоподобных роботов и ИИ-робототехники, применение бескорпусных моментных двигателей в системах приводов суставов будет продолжать расширяться. В этом процессе высокопроизводительные решения бескорпусных моментных двигателей, представленные CubeMars, продолжают способствовать развитию робототехнических суставов в сторону меньшего веса, более высокой динамики и большей интеграции.