早稻田大学理工学术院综合研究所次席研究员大谷拓也和该学术院创造理工学部教授高西淳夫等人组成的研究团队，宣布与hide kasuga 1896、三井化学共同成功开发出了超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）制造的轻量、低摩擦机器人齿轮。相较于使用金属齿轮，搭载了该齿轮的机器人手指部分能耗降低约3%，重量减轻约89%。有望以此开发出节能、驱动声小、易于社会应用的机器人。研究成果展示活动将于12月16日在gallery de kasuga（位于东京都涩谷区神宫前）举办。相关成果已发表在美国电气及电子工程师学会发行的《IEEE access》9月19日版上。
安装了蜗杆齿轮的机器人指部。右下为此次制造的两个蜗杆齿轮（右为金属制，左为LUBMER制）（供图：早稻田大学 大谷拓也）
机器人工作时消耗的能源主要为电动机电力，能耗随机器人的大型化、重量化而增加。因此要减少能耗，必须减轻机器人自身重量。为支撑自重，传统机器人部件一直使用金属，但近年来，不仅是框架部，驱动部的齿轮也以塑料代替，以期减轻重量。
因此，此次研究团队着眼于超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）。其平均分子量非常高，通常为1.0×106，较其它工程塑料更具耐磨损性和耐冲击性。由于它仅由碳原子和氢原子构成，因此重量轻，具有出色的耐溶剂性。
研究团队用三井化学提供的HI-ZEX MILLION（0.93g/cm2）和LUBMER（0.97g/cm2）制造了齿轮，其在UHMW-PE中具有高耐磨损性和滑动特性（易于滑动的特性），较金属齿轮（8.8g/cm2）轻约89%。为符合相应条件，制造齿轮时所有UHMW-PE均采用切削加工的方式，与蜗杆齿轮效率相关的齿数、驱动扭矩等参数都确保与金属齿轮等价。
研究团队将上述UHMW-PE齿轮安装到机器人指部，测量其关节活动时的能耗，并与金属齿轮进行了比较。
结果显示，LUBMER齿轮的能耗较金属齿轮降低约3%，HI-ZEX MILLION齿轮的能耗则与金属齿轮无较大差异。
LUBMER作为一种特定材料，具有自润滑性，而HI-ZEX MILLION则不具备该特性。LUBMER的滑动特性有利于减小摩擦，从而使能耗降低。该特性还有望推动机器人的间接无油化。
由于大多数机器人都使用齿轮，因此仅改变材料就能降低能耗。通过减轻其它部件的重量，有望实现机器人的高速运转和动态活动。
大谷次席研究员表示：“此次我们通过使用与金属齿轮完全相同的设计，制造出了UHMW-PE齿轮，今后我们还将研究并评估适合维持强度的设计。此外，LUBMER的滑动特性有利于减小机器人的驱动声，考虑到机器人的日常使用，这一特性是非常重要的，我们计划继续对其进行评估。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：IEEE access
论文：Energy Efficiency Improvement of a Robotic Finger with Ultra High Molecular Weight Polyethylene Gear
DOI： 10.1109/ACCESS.2022.3207752
