كيف تعمل محركات عزم الدوران بدون إطار على تشغيل الروبوتات البشرية

ربما تكون قد شاهدت بالفعل مقاطع فيديو قصيرة لروبوتات شبيهة بالبشر، مثل القيام بشقلبة خلفية في المختبرات، أو حمل قطع غيار في مصانع السيارات، أو حتى إجراء محادثات طبيعية مع الناس. وراء هذه الإجراءات التي تبدو 'شبيهة بالإنسان' يكمن عامل تمكين أساسي: النظام المشترك. إذا كانت الخوارزميات هي عقل الروبوت وأجهزة الاستشعار هي حواسه، فإن يعد محرك عزم الدوران بدون إطار للروبوت  بمثابة عضلاته، حيث يحدد مدى سرعة الجري، ومدى الثقل الذي يمكنه رفعه، ومدى ثباته في المشي. اليوم، سنبدأ بالعديد من منتجات الروبوتات البشرية السائدة لتحليل المجالات التي تتفوق فيها تقنية 'العضلات' هذه وكيف تدعم التحول الصناعي.

I. لماذا لا يمكن فصل الروبوتات البشرية عن محركات عزم الدوران الروبوتية بدون إطار؟

دعونا نتعرف على بطل الرواية لدينا. يعد محرك عزم الدوران بدون إطار وجودًا فريدًا - فهو لا يحتوي على غلاف أو عمود أو محامل. ومن خلال إزالة كافة المكونات الطرفية 'المعبأة' فإنه يحتفظ  فقط بالجزء الثابت والجزء الدوار ، اللذين تم دمجهما مباشرة في الهيكل المشترك للروبوت. الفوائد واضحة ومباشرة:  حجم أصغر وعزم دوران أعلى . في الروبوت البشري، تتطلب المفاصل ذات عزم الدوران الكبير مثل الورك والركبة والكتف كثافة طاقة عالية للغاية وضغطًا؛ غالبًا ما تشغل المحركات التقليدية مساحة كبيرة جدًا، في حين يمكن دمج محرك عزم الدوران بدون إطار داخل المفصل لتحقيق تصميم 'مفصل المحرك'، مما يجعل الهيكل العام أكثر إحكاما وكفاءة.

تؤكد البيانات أيضًا أهميتها. خذ Tesla Optimus كمثال:  يستخدم كل واحد من مشغلاتها الـ 28 محرك عزم دوران بدون إطار ، مما يسلط الضوء على الدور الأساسي لهذا المنتج في التشغيل المشترك.

ثانيا. التحليل السائد لتكوين المنتج: مفاصل مختلفة و'عضلات' مختلفة

إذا قارنا المحركات بالعضلات، فإن متطلبات أجزاء الجسم المختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا، فالمفاصل الكبيرة مثل الكتفين والوركين تحتاج إلى قوة متفجرة، والمعصمون والأيدي البارعة بحاجة إلى تحكم دقيق، وتحتاج الركبتان إلى تحمل الحمل مع الحفاظ على الاستقرار. اعتمد المصنعون، بناءً على تحديد موقع المنتج واعتبارات التكلفة، حلولاً مختلفة لمجموعة المحركات.

تيسلا أوبتيموس: 'التكوين الكامل' للمعيار الفني

تمتلك Tesla Optimus حاليًا حل المشغل الأكثر اكتمالًا وشفافية من الناحية الفنية في الصناعة. وتنقسم مفاصله إلى ثلاث فئات:

·  المحركات الدوارة (14 وحدة) : تستخدم بشكل رئيسي في المفاصل الدورانية ذات الزوايا الكبيرة مثل الكتفين والوركين والمعصمين والخصر. الحل هو 'محرك عزم الدوران بدون إطار + مخفض توافقي + مستشعر عزم الدوران + أجهزة تشفير مزدوجة'، حيث يقدم ثلاثة مواصفات لعزم الدوران:  20 نيوتن متر، 110 نيوتن متر، 180 نيوتن متر.

·  المحركات الخطية (14 وحدة) : موزعة على المفاصل ذات زاوية التأرجح المحدودة ولكنها تتطلب قوة دفع عالية (مثل المرفقين والركبتين والكاحلين). الحل هو 'محرك عزم الدوران بدون إطار + مسمار أسطواني كوكبي'، بمواصفات دفع تبلغ  500 نيوتن، و3900 نيوتن، و8000 نيوتن..

·  مشغلات يدوية بارعة (12 وحدة / كلتا اليدين) : تستخدم مزيجًا من محرك مجوف + علبة تروس كوكبية مصغرة متعددة المراحل + ترس دودي. تتمتع كل يد بـ 11 درجة من الحرية ويمكنها رفع حمولة 9 كجم.

بشكل عام، يستخدم أوبتيموس مشغلًا عالي عزم الدوران يبلغ 180 نيوتن متر للمفاصل ذات الأحمال الثقيلة مثل الورك والكتف، وحلول عزم الدوران المتوسط/المنخفض للأجزاء متوسطة الحمل مثل الكوع والمعصم، مما يشكل 'تدرجًا عضليًا' معقولًا. من منظور التكلفة،  يمثل محرك عزم الدوران بدون إطار حوالي 14.8% من إجمالي تكلفة الروبوت ، مما يجعله العنصر الثاني الأكثر أهمية بعد المسمار اللولبي الكوكبي.

Unitree H1/G1: أداء عالي التكلفة 'فصيل مطوّر ذاتيًا'

يختلف نهج يونيتري بشكل كبير عن نهج تيسلا - فهم يفضلون  بنية الدفع شبه المباشر باستخدام محركات ذات كثافة عزم دوران عالية + تروس كوكبية ذات نسبة منخفضة ، مما يضمن إنتاج الطاقة مع تقليل التكلفة.

تم وضع H1  باعتباره روبوتًا بشريًا كبيرًا من الدرجة الصناعية، ومجهزًا بمحرك M107 مطور ذاتيًا يمكنه توفير عزم دوران أقصى يبلغ  360 نيوتن متر  (مفصل الورك  220 نيوتن متر ، مفصل الكاحل  45 نيوتن متر )، مع كثافة طاقة مُطالب بها تبلغ 1.5 مرة من المنافسين. توزيع المفاصل: 14 مفصلًا للطرف السفلي (يتراوح عزم الدوران من 45 إلى 220 نيوتن · متر)، و14 مفصلًا للطرف العلوي (عزم الدوران ~ 75 نيوتن · متر)، ومفصلي جذع.

يستهدف G1  سيناريوهات المستهلك المنزلي: طوله 1.32 مترًا ووزنه 35 كجم. يحتوي الإصدار القياسي على 23 DOF، بينما يقدم إصدار EDU 23–43 DOF. يستخدم مفصل الساق السفلي 'محرك + مخفض كوكبي على مرحلتين + جهاز تشفير + محرك ' وحدة متكاملة أربعة في واحد، مع أقصى عزم دوران لمفصل الركبة يبلغ  90 نيوتن متر  وحمولة ذراع قصوى تبلغ 2 كجم. والجدير بالذكر أن Unitree حققت معدل توطين يزيد عن 90%، مع المحركات ومخفضات السرعة ووحدات التحكم وأجهزة التشفير والمكونات الأساسية الأخرى كلها مطورة ذاتيًا، مما يسمح بسعر الإصدار الأساسي من G1 بسعر منخفض يصل إلى 85000 يوان صيني.

Xiaomi CyberGear: 'الخبير الاكتواري' المصغر المتكامل

يتخذ CyberGear من Xiaomi مسارًا مختلفًا تمامًا - فهو يحتوي على محرك مؤازر ومخفض توافقي وأجهزة تشفير مزدوجة ومحرك في جسم صغير يزن  317 جرامًا فقط ، مما يحقق 'حجم صغير وتكامل كبير'.

المعلمات التقنية: يتمتع محرك CyberGear بعزم دوران أقصى يبلغ  3 نيوتن متر فقط  ولكن يمكنه الاستجابة بسرعة تصل إلى  20 مللي ثانية . إنها مناسبة للسيناريوهات خفيفة الوزن مثل الأذرع الروبوتية المكتبية والمفاصل الآلية الصغيرة. يستخدم المحرك غلافًا من الألومنيوم المؤكسد باللون الأسود لتبديد الحرارة بشكل أفضل، ويتضمن نظامًا للكشف عن درجة الحرارة وخوارزميات حماية تم تطويره ذاتيًا، ويأتي بشكل قياسي مع موصل XT30 وتصميم سريع التحرير. يتم بيعه في متجر Xiaomi عبر الإنترنت مقابل  499 يوان صيني فقط ، مما يجعله 'حارس بوابة السعر' للوحدات المشتركة للروبوت على مستوى الدخول.

على الرغم من أن عزم الدوران الأقصى البالغ 3 نيوتن متر أقل بكثير من حلول عزم الدوران الكبير من أوبتيموس ويونيتري، مع الأخذ في الاعتبار وزنه الذي يبلغ 317 جرامًا فقط وتصميمه 'سريع التحرير + المتكامل'، فهو أكثر من مناسب لسيناريوهات المستهلك (الروبوتات المنزلية الصغيرة، والروبوتات التعليمية). إنها تتبع استراتيجية 'جيدة بما فيه الكفاية' - لتمكين الشركات المصنعة الصغيرة والمتوسطة الحجم من اللعب أيضًا في مجال الروبوتات.

سلسلة رحلات Zhiyuan Robotics الاستكشافية: السعي وراء 'قوة الانفجار المطلقة'

تعتبر سلسلة Zhiyuan Expedition عدوانية بشكل خاص في الأداء الحركي. يوفر روبوت Expedition A2 Max أقصى عزم دوران مشترك يبلغ  450 نيوتن متر ، وهو حاليًا أحد أعلى أرقام عزم الدوران المشتركة المتاحة للعامة. يعتمد محرك PowerFlow الذي تم تطويره ذاتيًا على طريق تقنية الدفع شبه المباشر - في مكان ما بين الدفع المباشر والمحركات التقليدية - مما يوفر عزم دوران أقصى يتجاوز 350 نيوتن متر بينما يزن 1.6 كجم فقط، كما يشتمل أيضًا على نظام تبريد سائل، يوازن بين حساسية التحكم في القوة وسعة التحميل المستمرة. حاليًا، أطلقت Zhiyuan قاعدة صناعية في مدينة Chengdu، وحققت منتجات مثل Expedition A3 وA2 وLingxi X2 إنتاجًا ضخمًا.

لإجراء مقارنة بديهية، يتم تلخيص المعلمات الرئيسية للنماذج السائدة المذكورة أعلاه في الجدول أدناه:

من الجدول أعلاه، من الواضح أن محركات عزم الدوران بدون إطار للروبوت أصبحت تقريبًا قياسية في سيناريوهات الأحمال الثقيلة مثل مفاصل الورك والركبة والكتف، في حين يتم استخدام محركات مجوفة أكثر دقة في نهاية العقارب - تكمن الاختلافات الوحيدة في مزيج  نوع المحرك ومعلمات الأداء . الاتجاه ثابت.

ثالثا. 'رسم الخرائط' بين المحركات والروبوتات الكاملة

إذًا ما هي الشركات المصنعة للمحركات الأولية التي تدعم منتجات الروبوتات البشرية المعروفة؟ مع تزايد الإنتاج الضخم، يلتزم عدد من الموردين المحليين والدوليين بشدة بمصنعي الروبوتات الكاملة، ويحتلون مناصب رئيسية.

·  سلسلة توريد تسلا : تحتل شركة Inovance Technology مكانة رائدة في المفاصل المتكاملة للتحكم في القيادة، كما دخلت منتجات التحكم في الحركة من Leadshine إلى سلسلة توريد Tesla. بالإضافة إلى ذلك، دخلت محركات عزم الدوران بدون إطار الخاصة بـ Wolong Electric Drive بنجاح في سلاسل التوريد للروبوتات المحلية السائدة مثل Unitree وZhiyuan، وترتبط بشكل غير مباشر بشركة Tesla، بحصة سوقية محلية تبلغ حوالي 25%.

·  Unitree  هو لاعب يتمتع بمعدل توطين مرتفع للغاية؛ تم تطوير محركاتها ولوحات القيادة وخوارزميات التحكم في الحركة ذاتيًا إلى حد كبير. من منظور سلسلة التوريد، فإن المخفضات التوافقية من شركة Leaderdrive ومحركات عزم الدوران بدون إطار من شركة Haozhi Electromechanical، من بين أمور أخرى، تزود شركة Unitree.

·  CyberGear من Xiaomi على موردي المحركات الخارجيين، لكن عمليات التفكيك تكشف أنه يدمج التشفير المغناطيسي الخاص بـ ams OSRAM ووحدة التحكم الرئيسية MCU في GigaDevice.  لا يعتمد محرك وفي الوقت نفسه، تقوم شركة Inovance Technology أيضًا بتزويد شركة Xiaomi.

· لدى  شركة Zhiyuan  عدد من الموردين المرتبطين بها بشكل وثيق. لم تدخل Wolong Electric Drive سلسلة التوريد الخاصة بشركة Zhiyuan من خلال ربط مزدوج 'الصناعة + رأس المال' فحسب، بل تمتلك أيضًا أسهمًا في Zhiyuan بشكل غير مباشر. ومن بين الشركات الرائدة المحلية الأخرى التي تقدم أنظمة مؤازرة ومحركات عزم الدوران بدون إطار Inovance Technology، وSTEP Electric، وVeichi Electric.

بشكل عام،  يشهد مجال محرك عزم الدوران بدون إطار تسارعًا في التوطين . في السوق الراقية، لا تزال العلامات التجارية العالمية مثل Kollmorgen وMOOG تحتل مكانة تكنولوجية عالية، ولكن من حيث الإنتاج الضخم والتحكم في التكاليف والخدمات المخصصة، فإن الشركات المحلية مثل Inovance وWolong وSTEP تشهد ارتفاعًا سريعًا.

رابعا. متطلبات 'العضلات' ذات المستوى الأعلى: أجهزة التشفير والمفاصل عالية الدقة

تعمل المحركات على حل مشكلة خرج الطاقة، ولكن لتحقيق موضع مشترك دقيق بما فيه الكفاية، وردود فعل دقيقة للقوة، والتحكم السلس في الحركة، يلزم وجود مكون رئيسي آخر -  جهاز التشفير.

يعمل المشفر بمثابة 'الجهاز العصبي' للروبوت، وهو المسؤول عن ردود الفعل في الوقت الحقيقي لمعلومات الموقع والسرعة والزاوية. في الروبوتات البشرية، أصبح حل  التشفير المزدوج  سائدًا: يتم تثبيت أحد التشفيرين على جانب المحرك، والآخر على جانب الإخراج، ويتم مقارنة الفرق الزاوي بينهما بمعايرة عزم الدوران والموضع. في المفاصل ذات الأحمال الثقيلة (مثل الورك والركبة)، يحدد المشفر مدى دقة الروبوت في التحكم في المشية والقوة؛ في العمليات اليدوية الدقيقة، تعد دقة التشفير متغيرًا حاسمًا يتم قياسه بالملليمتر.

V. SDM: نجم صاعد في محركات عزم الدوران بدون إطار للروبوتات المحلية وأجهزة التشفير المغناطيسي

على خلفية التعريب المتسارع، تدخل شركة من مدينة هانغتشو - SDM - تدريجيًا في قلب سلسلة صناعة الروبوتات البشرية من خلال مصفوفة منتجاتها ذات العجلات المزدوجة المكونة من 'محركات عزم دوران روبوتية بدون إطار + أجهزة تشفير مغناطيسية'.

تنعكس المزايا المتميزة لـ SDM في محركات عزم الدوران بدون إطار بشكل أساسي في ثلاثة جوانب:

1. القدرة على تصميم المحرك الذاتي التطوير بالكامل . تدعم محركات عزم الدوران بدون إطار من SDM الاستجابة عالية السرعة والتحكم في الحلقة المغلقة لعزم الدوران في الوقت الفعلي، وذلك باستخدام مواد سبائك من فئة الطيران ومغناطيس منتجات الطاقة المغناطيسية العالية، مما يحسن بشكل كبير كثافة عزم الدوران ومقاومة الصدمات. من خلال استهداف الاحتياجات المختلفة لمفاصل الروبوت المختلفة (الورك/الركبة/الكتف)، أطلقت SDM خطوط إنتاج متعددة للمحركات ذات ذروة عزم دوران تغطي 50 نيوتن متر إلى أكثر من 200 نيوتن متر، وتتكيف بمرونة مع التطبيقات التي تتراوح من الخدمة التجارية الخفيفة إلى الأحمال الصناعية الثقيلة.

2. التكنولوجيا الأساسية في التشفير المغناطيسي . تتوافق أجهزة التشفير المغناطيسية المطلقة متعددة المنعطفات التي طورتها شركة SDM ذاتيًا وأجهزة التشفير المغناطيسية ذات المنعطف الواحد مع الحلول العالمية السائدة من حيث الدقة والاستقرار والقدرة على مقاومة التداخل. باستخدام أجهزة استشعار مقاومة مغناطيسية عالية الدقة وتقنية الحلقة المغناطيسية متعددة الأقطاب، تحقق أجهزة التشفير المغناطيسية الخاصة بـ SDM دقة موضعية أفضل من 18 بت، مع تحسين خصائص مقاومة الاهتزاز ودرجات الحرارة العالية/المنخفضة بشكل كبير. تسمح هذه القدرة المتكاملة 'المحرك + التشفير' لمصنعي الروبوتات الكاملة بتحقيق  اختيار حل محرك مشترك شامل ، مما يحسن بشكل كبير كفاءة التطوير وتكامل النظام.

3. متجذرة في المجموعة الصناعية 'Hangzhou Six Little Dragons' . يقع SDM في مدينة هانغتشو ومنطقة دلتا نهر اليانغتسى، التي تستضيف التركيز الأكثر كثافة لموارد مكونات الروبوت في الصين، والتي تغطي مخفضات السرعة والمحامل وأجهزة الاستشعار والأجزاء الرئيسية الأخرى. من خلال الاستفادة من الترويج المستمر لسياسات تطوير صناعة الروبوتات البشرية في مقاطعة تشجيانغ، تتوسع SDM تدريجيًا من التوريد أحادي المكون إلى حلول الوحدات المشتركة الكاملة.

مع انتقال الروبوتات الشبيهة بالبشر من مرحلة المختبر إلى  'عصر الإنتاج الضخم' ، فإن المنافسة بين موردي المحركات وأجهزة التشفير تتطور من 'فعالية التكلفة' إلى معركة ذات مسار مزدوج حول 'الأداء + الموثوقية'. أصبحت SDM، التي تستفيد من مزايا سلسلتها الصناعية المحلية في هانغتشو وقدراتها الذاتية في المحرك والتشفير المغناطيسي، قوة لا غنى عنها في 'مصدر الطاقة' للروبوتات البشرية المنتجة محليًا.