專題討論 - 研發人形機器人 (Humanoid) 與外骨骼 (Exoskeleton) 科技 - 關節馬達的關鍵考量因素

在不斷創新的機器人和可穿戴技術領域中，人形機器人(Humanoid robots)與外骨骼(Exoskeletons)在多個應用中持續展現潛力。隨著人工智慧跨時代的發展，人形機器人開發商們正在已前所未有的速度研發能代替人類從事危險、重複工作的機器人。而外骨骼這項技術則是在身體康復治療應用中最為普遍，最終它可能會在家庭護理和輔助居住環境中變得無所不在——使用者能夠長時間保持行動能力和自由，而不需太依賴他人照顧。
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這些可能性令人鼓舞，但將它們變為現實對人形機器人與外骨骼工程師來說相當具有挑戰性。要實現規模化的成功商業應用，需要高度優化的組件和具有豐富經驗的設計合作夥伴，例如 Kollomorgen，我們對於人形機器人與外骨骼設計的挑戰非常熟悉。

應對人形機器人與外骨骼設計挑戰

人型機器人與外骨骼皆需要設計既輕巧又強大的驅動力來源。在設計者考慮為不同應用需求和人體重量大小差異進行規模化和調整之前，所有因素都必須考慮進去。
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無論應用是什麼，運動設計和馬達選擇都是工程過程中關鍵的步驟，它們如何幫助（或阻礙）最終性能，這種性能必須如何模仿人體複雜的機械結構？讓我們來看看關鍵的考慮因素和見解。

人形機器人​與外骨骼的運動設計和關節馬達選擇

克服人形機器人與外骨骼開發中的挑戰的關鍵在於馬達整合。無框架馬達以其高扭矩密度和緊湊尺寸而在關節馬達中成為首選。並且如此輕量化設計的關節可以使系統的重量分配更好，使機器人的靈活性與穩定性大幅增加。

這個過程的第一步是了解所需運動的負載和動力學，以及這些轉換必須發生的速率。有了這些速度和扭矩需求，你可以選擇減速機(齒輪箱)。減速機的選擇將影響馬達的選擇和整合，這往往是設計挑戰出現的地方。
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一旦選擇和整合了組件，測試和驗證可能會顯示性能問題——這迫使設計師重新開始。例如，膝蓋關節上的齒輪箱和馬達組合的重量可能比先前預期的要大，這就需要設計師加強髖關節的規格。這反過來又會影響整體重量、操作溫度等，使設計變得困難重重。

在任何機械工程過程中，反覆實驗是不可避免的，但設計師可以採取一些步驟來確保更容易地整合和減少重新工作。

1. 選擇一個針對諧波齒輪齒條優化的緊凑型馬達設計
諧波齒輪傳動在人形機器人與外骨骼設計中是一種常見選擇，因為它可以實現零間隙的輕型、緊湊型關節。為了充分利用這些優勢，設計者必須選擇一種針對這種齒輪傳動優化的馬達。

​Kollmorgen TBM2G™ 無框架電機的尺寸與諧波齒輪傳動直接配合——提供了設計所需的緊湊、短形和輕量級關節。專為人形機器人和外骨骼設計的 TBM2G 系列具有七種直徑，範圍從 50 毫米到 115 毫米，三種堆疊長度和多種繞組——共有 63 種可能的目錄標準電機組合。

2. 選擇性能高、扭矩密度大的馬達
除了被優化為齒輪傳動並提供一系列緊湊尺寸外，確保你選擇的馬達比競爭對手更扭矩密集。簡單看來，扭矩密度更大的馬達可以實現人形機器人與外骨骼設計所需的加速。但更深入地思考，性能更高的電機可以簡化設計過程，可更好地適應增加的需求，而不需要設計者從頭開始設計減速機​或馬達。性能更高的馬達提供了更大的容錯性和靈活性。

美商 Kollmorgen 所推出全新 TBM2G™ 系列無刷馬達專門為關節馬達而設計：通常情況下，如果在一個人形機器人或外骨骼系統中最大化了扭矩，並且必須提高齒輪比，因此不得不犧牲速度。但 TBM2G 馬達不然，透過特殊且最佳化的繞線方式，您可以得到在高速度仍保有高扭力的表現，因此不必妥協性能。
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這種高扭矩高速度的能力還允許更小的減速機選擇。由於減速機通常是外骨骼和機器人設計中較重和較昂貴的組件之一，因此這是一個至關重要的好處。並且，TBM2G 馬達非常低的溫升使馬達可以與配戴的人或對溫度敏感的原件不必保持距離。另外，其高效率低能耗特性可以增加人形機器人或外骨骼系統的續航時間。

了解 Kollmorgen TBM2G™ 系列無框馬達