Jak robotické bezrámové momentové motory pohánějí humanoidní roboty

Možná jste již viděli krátká videa humanoidních robotů – jak dělají backflipy v laboratořích, nosí součástky v továrnách na automobily nebo dokonce vedou přirozené rozhovory s lidmi. Za těmito zdánlivě 'lidskými' akcemi se skrývá hlavní aktivátor: společný systém. Pokud jsou algoritmy mozkem robota a senzory jeho smysly, pak Robot Frameless Torque Motor  je jeho sval – určuje, jak rychle může běžet, jak těžko se dokáže zvednout a jak stabilně může chodit. Dnes začneme od několika mainstreamových produktů humanoidních robotů, abychom rozebrali, kde tato technologie 'svalů' vyniká a jak podporuje průmyslovou transformaci.

I. Proč jsou humanoidní roboti neoddělitelní od robotických bezrámových točivých motorů?

Pojďme se seznámit s naším hlavním hrdinou. Bezrámový momentový motor je jedinečná existence – nemá skříň, hřídel ani ložiska. Odstraněním všech 'zabalených' periferních součástí si zachová  pouze jádro statoru a rotoru , které jsou přímo zapuštěny do kloubní struktury robota. Výhody jsou přímočaré:  menší objem, vyšší točivý moment . U humanoidního robota vyžadují klouby s velkým točivým momentem, jako je kyčel, koleno a rameno, extrémně vysokou hustotu výkonu a kompaktnost; tradiční motory často zabírají příliš mnoho místa, zatímco do kloubu lze integrovat bezrámový momentový motor, aby se dosáhlo designu 'motorového kloubu一体化', čímž je celková konstrukce kompaktnější a efektivnější.

Jeho důležitost potvrzují i ​​data. Vezměte si Tesla Optimus jako příklad:  každý z jejích 28 pohonů používá bezrámový momentový motor , což zdůrazňuje hlavní roli tohoto produktu při společném ovládání.

II. Analýza konfigurace hlavního proudu produktu: různé klouby, různé 'svaly'

Pokud porovnáme motory se svaly, požadavky na různé části těla se velmi liší – velké klouby, jako jsou ramena a kyčle, potřebují výbušnou sílu, zápěstí a šikovné ruce potřebují přesnou kontrolu a kolena musí nést zátěž při zachování stability. Výrobci, na základě umístění produktu a nákladů, přijali různá řešení kombinací motorů.

Tesla Optimus: 'Full-Stack Configuration' technického benchmarku

Tesla Optimus má v současnosti nejúplnější a technicky nejtransparentnější řešení pohonů v oboru. Jeho klouby jsou rozděleny do tří kategorií:

·  Rotační pohony (14 jednotek) : Používají se hlavně ve velkoúhlových rotačních kloubech, jako jsou ramena, boky, zápěstí a pas. Řešením je 'bezrámový momentový motor + harmonický reduktor + snímač momentu + duální enkodéry', který nabízí tři specifikace točivého momentu:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Lineární pohony (14 jednotek) : Rozmístěné v kloubech s omezeným úhlem kyvu, ale vyžadující vysoký tlak (např. lokty, kolena, kotníky). Řešením je 'bezrámový momentový motor + planetový válečkový šroub', se specifikacemi tahu  500N, 3900N a 8000N.

·  Obratné ruční pohony (12 jednotek / obě ruce) : Využívá kombinaci motoru s dutou miskou + miniaturní vícestupňové planetové převodovky + šnekového převodu. Každá ruka má 11 stupňů volnosti a dokáže zvednout břemeno o hmotnosti 9 kg.

Celkově Optimus používá 180Nm aktuátor s vysokým točivým momentem pro vysoce zatěžované klouby, jako jsou kyčle a ramena, a řešení se středním/nízkým točivým momentem pro středně zatěžované části, jako je loket a zápěstí, vytvářející přiměřený 'svalový gradient'. Z hlediska nákladů  představuje bezrámový momentový motor přibližně 14,8 % celkových nákladů na robota , což z něj činí druhou nejkritičtější součást po šroubu s planetovým válečkem.

Unitree H1/G1: Vysoká cena-výkon 'Self-Developed Faction'

Přístup Unitree se výrazně liší od přístupu Tesly – preferují  kvazi-přímou architekturu pohonu využívající motory s vysokou hustotou točivého momentu + planetové převody s nízkým převodovým poměrem , což zajišťuje výkon a zároveň snižuje náklady.

H1  je umístěn jako velký humanoidní robot průmyslové třídy, vybavený vlastním motorem M107, který dokáže dodat špičkový točivý moment  360 N·m  (kyčelní kloub  220 N·m , hlezenní kloub  45 N·m ), s nárokovanou hustotou výkonu 1,5krát vyšší než u konkurentů. Rozložení kloubů: 14 kloubů dolní končetiny (točivý moment v rozmezí 45–220 N·m), 14 kloubů horní končetiny (točivý moment ~75 N·m) a 2 klouby trupu.

G1  se zaměřuje na domácí spotřebitelské scénáře: 1,32 m vysoký, váží 35 kg. Standardní verze má 23 DOF, zatímco verze EDU nabízí 23–43 DOF. Jeho spodní nožní kloub využívá integrovaný modul „motor + dvoustupňový planetový reduktor + kodér + ovladač“ čtyři v jednom s maximálním krouticím momentem kolenního kloubu  90 N·m  a maximálním zatížením paže 2 kg. Je pozoruhodné, že Unitree dosáhlo míry lokalizace přes 90 %, s motory, reduktory, ovladači, kodéry a dalšími základními komponenty, které byly vyvinuty samy, což umožňuje cenu základní verze G1 až na 85 000 RMB.

Xiaomi CyberGear: Miniaturizovaný integrovaný 'pojistný matematik'

CyberGear od Xiaomi jde úplně jinou cestou – obsahuje servomotor, harmonický reduktor, duální kodéry a ovladač do malého těla vážícího pouhých  317 gramů , čímž dosahuje 'malé velikosti, velká integrace'.

Technické parametry: motor CyberGear má maximální točivý moment pouze  3 N·m  , ale může reagovat již za  20 milisekund . Je vhodný pro lehké scénáře, jako jsou stolní robotická ramena a klouby malých robotů. Motor používá černé eloxované hliníkové pouzdro pro lepší odvod tepla, obsahuje vlastní vyvinutý systém detekce teploty a ochranné algoritmy a je standardně dodáván s konektorem XT30 a rychloupínacím designem. Prodává se v internetovém obchodě Xiaomi pouze za  499 RMB , což z něj činí „strážce cen“ pro základní moduly robotických kloubů.

Přestože jeho maximální točivý moment 3 N·m je mnohem nižší než u řešení s velkým točivým momentem Optimus a Unitree, vzhledem k jeho hmotnosti pouhých 317 gramů a jeho „rychloběžnému + integrovanému“ designu je více než dostačující pro spotřebitelské scénáře (domácí malí roboti, vzdělávací roboti). Řídí se „dostatečně dobrou“ strategií – umožňuje malým a středním výrobcům hrát také v robotickém prostoru.

Série Zhiyuan Robotics Expedition Series: Pronásleduje 'Ultimátní výbuch energie'

Řada Zhiyuan Expedition je zvláště agresivní ve výkonu motoru. Robot Expedition A2 Max poskytuje maximální točivý moment kloubu  450 N·m , což je v současnosti jedna z nejvyšších veřejně dostupných hodnot točivého momentu kloubu. Jeho samostatně vyvinutý motor PowerFlow využívá technologii kvazi přímého pohonu – někde mezi přímým pohonem a tradičními motory – poskytuje špičkový točivý moment přesahující 350 N·m při hmotnosti pouhých 1,6 kg a také obsahuje systém chlazení kapalinou, citlivost řízení vyvažovací síly a nepřetržitou nosnost. V současné době společnost Zhiyuan spustila průmyslovou základnu v Čcheng-tu a produkty jako Expedition A3, A2 a Lingxi X2 dosáhly sériové výroby.

Pro intuitivní srovnání jsou klíčové parametry výše uvedených mainstreamových modelů shrnuty v tabulce níže:

Z výše uvedené tabulky je zřejmé, že bezrámové momentové motory robotů se staly téměř standardem ve scénářích s velkým zatížením, jako jsou kyčelní, kolenní a ramenní klouby, zatímco na konci rukou se používají přesnější motory s dutou miskou – jediné rozdíly spočívají v kombinaci  typu motoru a výkonnostních parametrů . Směr je konzistentní.

III. 'Mapování' mezi motory a kompletními roboty

Kteří přední výrobci motorů tedy podporují tyto známé produkty humanoidních robotů? S narůstající masovou výrobou se řada domácích i mezinárodních dodavatelů hluboce váže k výrobcům kompletních robotů, kteří zaujímají klíčové pozice.

·  Dodavatelský řetězec společnosti Tesla : Technologie Inovance zaujímá vedoucí pozici v integrovaných spojích řízení pohonu a produkty Leadshine pro řízení pohybu také vstoupily do dodavatelského řetězce společnosti Tesla. Bezrámové momentové motory Wolong Electric Drive navíc úspěšně vstoupily do dodavatelských řetězců domácích běžných robotů, jako jsou Unitree a Zhiyuan, a nepřímo se tak navázaly na společnost Tesla s podílem na domácím trhu asi 25 %.

·  Unitree  je přehrávač s extrémně vysokou mírou lokalizace; jeho motory, desky pohonů a algoritmy řízení pohybu jsou z velké části vyvinuty samy. Z hlediska dodavatelského řetězce dodávají Unitree mimo jiné harmonické redukce od Leaderdrive a bezrámové momentové motory Haozhi Electromechanical.

· Motor  CyberGear společnosti Xiaomi  se nespoléhá na externí dodavatele motorů, ale bouračky odhalují, že integruje magnetický kodér OSRAM a hlavní řídicí MCU GigaDevice. Mezitím Inovance Technology dodává také Xiaomi.

·  Zhiyuan  má řadu dodavatelů hluboce svázaných s ním. Wolong Electric Drive nejenže vstoupila do dodavatelského řetězce Zhiyuanu prostřednictvím duální vazby 'průmysl + kapitál', ale také nepřímo drží akcie v Zhiyuanu. Mezi další tuzemské lídry dodávající servosystémy a bezrámové momentové motory patří Inovance Technology, STEP Electric a Veichi Electric.

Celkově  je pole bezrámového momentového motoru svědkem zrychlení lokalizace . Na high-end trhu mezinárodní značky jako Kollmorgen a MOOG stále zaujímají technologickou špičku, ale pokud jde o masovou výrobu, kontrolu nákladů a přizpůsobené služby, domácí hráči jako Inovance, Wolong a STEP rychle rostou.

IV. Požadavky na 'svaly' vyšší úrovně: kodéry a vysoce přesné spoje

Motory řeší problém výstupního výkonu, ale pro dosažení dostatečně přesného polohování kloubu, jemné zpětné vazby síly a hladkého řízení pohybu je zapotřebí další klíčová součást –  kodér.

Kodér funguje jako 'nervový systém' robota zodpovědný za zpětnou vazbu informací o poloze, rychlosti a úhlu v reálném čase. U humanoidních robotů se řešení  s duálním kodérem  stalo hlavním proudem: jeden kodér je instalován na straně motoru, druhý na výstupní straně a úhlový rozdíl mezi nimi je porovnáván s kalibrací krouticího momentu a polohy. V kloubech s velkým zatížením (jako jsou kyčle a kolena) kodér určuje, jak přesně může robot ovládat chůzi a sílu; při jemných ručních operacích je přesnost kodéru kritickou proměnnou měřenou v milimetrech.

V. SDM: Nově vznikající hvězda v bezrámových točivých motorech a magnetických enkodérech pro domácí roboty

Na pozadí zrychlující se lokalizace společnost z Hangzhou – SDM – postupně vstupuje do jádra průmyslového řetězce humanoidních robotů se svou dvoukolovou produktovou matricí „robotové bezrámové momentové motory + magnetické kodéry“.

Diferencované výhody SDM v bezrámových momentových motorech se odrážejí hlavně ve třech aspektech:

1. Plně vlastní konstrukce motoru . Bezrámové momentové motory SDM podporují vysokorychlostní odezvu a řízení točivého momentu v reálném čase pomocí slitinových materiálů pro letectví a magnetů produktů s vysokou magnetickou energií, což výrazně zlepšuje hustotu točivého momentu a odolnost proti nárazu. S cílem zaměřit se na různé potřeby různých robotických kloubů (kyčel/kolena/rameno) uvedla SDM na trh několik produktových řad motorů se špičkovým točivým momentem pokrývajícím 50 Nm až více než 200 Nm, které se flexibilně přizpůsobují aplikacím od lehkých komerčních služeb až po průmyslové těžké zatížení.

2. Technologie jádra v magnetických kodérech . Samostatně vyvinuté víceotáčkové absolutní magnetické enkodéry a jednootáčkové magnetické enkodéry SDM odpovídají mezinárodním běžným řešením v přesnosti, stabilitě a schopnosti proti rušení. Pomocí vysoce přesných magnetorezistivních senzorů a vícepólové technologie magnetického prstence dosahují magnetické kodéry SDM pozičního rozlišení lepšího než 18 bitů, přičemž výrazně optimalizují antivibrační a vysoko/nízkoteplotní charakteristiky. Tato integrovaná schopnost 'motor + kodér' umožňuje výrobcům kompletních robotů dosáhnout  výběru řešení kloubového pohonu na jednom místě , což výrazně zlepšuje efektivitu vývoje a integraci systému.

3. Zakořeněné v průmyslovém klastru 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM se nachází v Hangzhou a oblasti delty řeky Jang-c'-ťiang, která je hostitelem nejhustší koncentrace zdrojů robotických komponent v Číně, zahrnujících redukce, ložiska, senzory a další klíčové části. SDM těží z neustálé propagace politik rozvoje průmyslu humanoidních robotů v provincii Zhejiang a postupně se rozšiřuje od dodávek jednotlivých komponent až po kompletní řešení společných modulů.

Jak se humanoidní roboti přesouvají z laboratorního stádia do  'éry hromadné výroby' , konkurence mezi dodavateli motorů a kodérů směrem nahoru přechází z 'cenové efektivity' na dvoukolejný souboj 'výkon + spolehlivost'. SDM, využívající výhod svého místního průmyslového řetězce Hangzhou a svých vlastních schopností motoru a magnetického kodéru, se stává nepostradatelnou silou v 'zdroji energie' v tuzemsku vyráběných humanoidních robotů.