通过自主研发成功实现差动减速机薄型化 - 用于动力辅助服的驱动装置

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什么才是电机厂商开发的减速机(到底出色到什么程度)

“本公司开发的驱动装置,体积之小前所未见。”看着用于动力辅助服的驱动装置,开发技术总部的臼井弘明副本部长回忆起了开发历程。
这款轻量薄型驱动装置的诞生,具有跨时代意义。开发阶段克服了诸多难关,包括差动减速机的开发、与新型电机的组装、改善结构令其更加轻量化与薄型化、实现量产化等。

近年来,动力辅助服越来越多地被应用于物流、生产制造、农业及护理等工作场所。现有机型的平均重量为5.0公斤左右。这个重量在长时间作业时,会对身体造成很大负担。因此,各开发商均将其视为有待改善的问题之一,并不断尝试减轻重量。

动力辅助服的核心部件,是由减速机和电机组成的驱动装置,输出功率为50瓦。从2015年起,我们开始对该驱动装置进行全新开发。

即使分别购买了薄型电机及薄型减速机,其厚度也无法满足动力辅助服驱动装置的需要。认识到这一点后,我们明确了通过同时自主开发电机和减速机,最终完成驱动装置的开发方向,并着手进行开发。

在研发开始阶段,虽然在ASPINA带有行星减速器电机的开发、量产历史已超过10年,品种多样、经验丰富。但2015年时,尚没有一款产品能够满足动力辅助服所需的输出功率与体积大小。而且,为了获得更大的减速比,行星减速机必须采用多级组合。开发技术总部的臼井弘明副本部长回忆说:“当时即使齿轮很薄,实现了薄型化,可强度方面却到了极限”。

因此,我们着眼于可以通过单级传动,获得较大减速比的差动减速机(摆线针轮减速机)。当时市场上的同类产品均体积庞大。而我们在2000年前后就曾致力于差动减速机的研发,并进行了试制。我们认为,此前积累的丰富理论知识与经验,有助于提升开发速度。因此,2015年开始在公司内部进行开发。

行星减速机(左)与差动减速机(右)在厚度上有着极大的区别。

当时已经拥有解析技术。例如:在摆线齿轮开发环节,通过查找齿轮等的应力分布图(强度、刚度的计算、评估)等方法,在设计初期阶段就完成了齿轮强度、刚度的评估。

此外,当时世界上还没有一种方法,能够将如此薄型、轻量的差动减速机实现量产。为了能够长期以合理价格批量销售,必须实现产品的批量化生产,而不能仅局限于生产定制品。为此,我们反复进行数值模拟及试制,并按照齿轮的齿形以1微米级的精度,进行可行性量产设计。同时,在齿轮啮合位置,选用了可以承受巨大挤压力的材料。从而也确立了可以批量化生产的相关生产技术。

与电机组装在一起后,厚度更薄

仅靠完成减速机的薄型化,驱动装置体积还无法达到预期目标。为了在保证同等输出功率的前提下,实现电机的薄型化,我们开始研发分割铁芯技术。

同时,为了进一步减少厚度,在减速机和电机的布局上,采用了共有模式,即减速机和电机尽可能采用共有零部件及空间等。编码器是电机精密控制不可或缺的零部件,通常与电机分开外置。为了实现驱动装置的薄型化,我们将编码器模块在结构空间中配置为三次元结构。编码器内置也不会增加厚度,是设计理念具有跨时代的意义的驱动装置。

通过上述将减速机与电机、编码器模块相互嵌合的精密布局方式,最终成功实现了驱动装置的薄型化。相比采用差动减速机之前的同类产品,驱动装置的薄型化与轻量化均得到了大幅度改善。此时距离开发之初仅用了不到三年的时间。

ASPINA成功将现在市场上出售的传动装置缩小变薄。外径为77mm,厚度约为46mm左右。

还有一款定制品驱动装置,更多采用了树脂材料,重量仅为250克,减重率高达62%。目前已上市销售的驱动装置外径77毫米、厚度约46毫米*,体积缩小到在穿着动力辅助服时,也令人感觉体感舒适的程度。

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    型号为CBA-50FFF-T49时

“成功源于顾客至上”的开发体制

为了准确掌握顾客及市场需求究竟在哪里,我们频繁地拜访动力辅助服的开发企业及大学。了解到,当时的电机与减速机相结合的驱动装置穿着体感很差,这个问题解决的好不好直接关系到能否为顾客创造价值。

因此决定不仅是电机,减速机也需要重新开发,并通过反复试制,使驱动装置最终达到实用级别的尺寸和重量。苍天不负有心人,当我们将最终试制的完成品拿给某企业负责人看时,获得了很高的评价:“居然变得这么薄?此前担心的噪音、震动等,也控制在能够接受的范围。要是这样,当然可以投入使用了”。

开发之所以能够取得成功,一方面是源于公司各相关部门齐心协力,“为了满足顾客和市场的真正需求,尽早成功开发出薄型轻量的驱动装置”。另一方面,电机开发人员与减速机开发人员并肩合作,共同提出新想法、交流意见,从而大大提升了研发进度。

本驱动装置技术开发的未来应用领域

给人提供辅助的机器,除了动力辅助服,还包括辅助台车、服务机器人、AGV(无人搬运车)等,相关开发目前在全球范围内取得了长足进展。我们期待在开发动力辅助服的驱动装置时所涉及的轻量化与薄型化技术,未来也可以有效应用于上述相关领域。

ASPINA未来致力于将驱动电路、通讯技术结合并应用于驱动装置的开发,为客户提供一体化产品,从而令客户专注于自身辅助机器的开发与市场推广,以获得更加广阔的市场机会。

行业发展推动了辅助机器的革新,搬运、移动等实现了前所未有的轻松体验。这样一个令人惊叹的世界已经到来。ASPINA的技术,正是其中不可或缺的一环。