Hvordan robotrammeløse momentmotorer driver menneskelige robotter

Du har måske allerede set korte videoer af humanoide robotter - laver backflips i laboratorier, bærer dele på bilfabrikker eller har endda naturlige samtaler med mennesker. Bag disse tilsyneladende 'menneskelignende' handlinger ligger en kerneaktiverer: det fælles system. Hvis algoritmer er robottens hjerne, og sensorer er dens sanser, så er det Robot Frameless Torque Motor  er dens muskel – der bestemmer, hvor hurtigt den kan køre, hvor tung den kan løfte, og hvor stabil den kan gå. I dag vil vi starte fra adskillige almindelige humanoide robotprodukter for at dissekere, hvor denne 'muskel'-teknologi udmærker sig, og hvordan den understøtter en industriel transformation.

I. Hvorfor er humanoide robotter uadskillelige fra robotrammeløse momentmotorer?

Lad os lære vores hovedperson at kende. En rammeløs momentmotor er en unik tilværelse - den har intet hus, ingen aksel, ingen lejer. Ved at fjerne alle 'pakkede' perifere komponenter, bevarer den  kun statoren og rotorkernen , som er direkte indlejret i robottens ledstruktur. Fordelene er ligetil:  mindre volumen, højere drejningsmoment . I en humanoid robot kræver led med stort drejningsmoment såsom hofte, knæ og skulder ekstrem høj effekttæthed og kompakthed; traditionelle motorer fylder ofte for meget, mens en rammeløs momentmotor kan integreres inde i leddet for at opnå et 'motor-joint一体化'-design, hvilket gør den overordnede struktur mere kompakt og effektiv.

Data bekræfter også deres betydning. Tag Tesla Optimus som et eksempel:  hver eneste af dens 28 aktuatorer bruger en rammeløs drejningsmomentmotor , hvilket fremhæver dette produkts centrale rolle i fælles aktivering.

II. Mainstream produktkonfigurationsanalyse: Forskellige led, forskellige 'muskler'

Hvis vi sammenligner motorer med muskler, varierer kravene til forskellige kropsdele meget - store led som skuldre og hofter har brug for eksplosiv kraft, håndled og fingerfærdige hænder har brug for præcis kontrol, og knæ skal bære belastning, samtidig med at stabiliteten bevares. Producenter har baseret på produktpositionering og omkostningsovervejelser taget forskellige motorkombinationsløsninger til sig.

Tesla Optimus: 'Full-Stack-konfigurationen' af et teknisk benchmark

Tesla Optimus har i øjeblikket den mest komplette og teknisk gennemsigtige aktuatorløsning i branchen. Dens led er opdelt i tre kategorier:

·  Roterende aktuatorer (14 enheder) : Anvendes hovedsageligt i store vinklede rotationsled såsom skuldre, hofter, håndled og talje. Løsningen er 'rammeløs drejningsmomentmotor + harmonisk reducering + drejningsmomentsensor + dobbeltkoder', der tilbyder tre drejningsmomentspecifikationer:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Lineære aktuatorer (14 enheder) : Fordelt i led med begrænset svingvinkel, men som kræver høj tryk (f.eks. albuer, knæ, ankler). Løsningen er 'rammeløs momentmotor + planetarisk rulleskrue', med trykspecifikationer på  500N, 3900N og 8000N.

·  Behændige håndaktuatorer (12 enheder / begge hænder) : Bruger en kombination af hulkopmotor + miniature flertrins planetgearkasse + snekkegear. Hver hånd har 11 frihedsgrader og kan løfte en byrde på 9 kg.

Samlet set bruger Optimus 180Nm aktuatoren med højt drejningsmoment til tunge led som hofte og skulder, og medium/lavt drejningsmoment løsninger til moderat belastede dele som albue og håndled, hvilket danner en rimelig 'muskelgradient'. Fra et omkostningsperspektiv  tegner den rammeløse drejningsmomentmotor sig for cirka 14,8 % af de samlede robotomkostninger , hvilket gør den til den næstmest kritiske komponent efter den planetariske rulleskrue.

Unitree H1/G1: Høje omkostninger-performance 'Selvudviklet fraktion'

Unitrees tilgang adskiller sig væsentligt fra Teslas – de foretrækker en  kvasi-direkte drev-arkitektur ved hjælp af motorer med høj drejningsmomentdensitet + planetgear med lavt forhold , som sikrer effekt, samtidig med at omkostningerne reduceres.

H1  er placeret som en stor humanoid robot i industriel kvalitet, udstyret med en selvudviklet M107-motor, der kan levere et maksimalt drejningsmoment på  360N·m  (hofteled  220N·m , ankelled  45N·m ), med en påstået effekttæthed på 1,5 gange konkurrenternes. Ledfordeling: 14 led i underekstremiteterne (drejningsmoment i området 45-220N·m), 14 led i overekstremiteterne (moment ~75N·m) og 2 torso-led.

G1  er rettet mod hjemmeforbrugsscenarier: 1,32 m høj, vejer 35 kg. Standardversionen har 23 DOF, mens EDU-versionen tilbyder 23–43 DOF. Dens underbensled bruger en 'motor + to-trins planetreduktion + encoder + driver' fire-i-én integreret modul med et maksimalt knæledsmoment på  90N·m  og en maksimal armbelastning på 2 kg. Navnlig har Unitree opnået en lokaliseringsrate på over 90 %, med motorer, reduktionsgearer, controllere, indkodere og andre kernekomponenter alle selvudviklede, hvilket gør det muligt for basisversionen af ​​G1 at blive prissat så lavt som RMB 85.000.

Xiaomi CyberGear: Den miniaturiserede integrerede 'aktuar'

Xiaomis CyberGear tager en helt anden rute - den pakker en servomotor, harmonisk reducer, dobbeltkodere og en driver ind i en lille krop, der kun vejer  317 gram , og opnår 'lille størrelse, stor integration'.

Tekniske parametre: CyberGear-motoren har et maksimalt drejningsmoment på kun  3N·m  , men kan reagere så hurtigt som  20 millisekunder . Den er velegnet til lette scenarier som desktop-robotarme og små robotled. Motoren bruger et sort anodiseret aluminiumshus for bedre varmeafledning, inkorporerer et selvudviklet temperaturdetektionssystem og beskyttelsesalgoritmer og leveres som standard med et XT30-stik og quick-release design. Den sælges i Xiaomis onlinebutik for kun  499 RMB , hvilket gør den til 'pris-gatekeeper' for robotledsmoduler på entry-level.

Selvom dets maksimale drejningsmoment på 3N·m er langt lavere end Optimus og Unitrees løsninger med stort drejningsmoment, i betragtning af dens vægt på kun 317 gram og dets 'hurtigudløsende + integrerede' design, er det mere end tilstrækkeligt til forbrugerscenarier (små hjemmerobotter, uddannelsesrobotter). Det følger en 'god nok'-strategi - der gør det muligt for små og mellemstore producenter også at spille i robotter.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Forfølger 'Ultimate Burst Power'

Zhiyuan Expedition-serien er særlig aggressiv i motorisk ydeevne. Expedition A2 Max-robotten leverer et maksimalt ledmoment på  450N·m , som i øjeblikket er et af de højeste offentligt tilgængelige ledmomenttal. Dens egenudviklede PowerFlow-motor anvender en quasi-direct drive teknologi-rute – et sted mellem direkte drev og traditionelle motorer – og leverer et maksimalt drejningsmoment på over 350N·m, mens den kun vejer 1,6 kg, og den inkorporerer også et væskekølesystem, der balancerer kraftkontrolfølsomhed og kontinuerlig belastningskapacitet. I øjeblikket har Zhiyuan lanceret en industriel base i Chengdu, og produkter som Expedition A3, A2 og Lingxi X2 har opnået masseproduktion.

Til intuitiv sammenligning er nøgleparametrene for ovennævnte mainstream-modeller opsummeret i tabellen nedenfor:

Fra tabellen ovenfor er det tydeligt, at robotrammeløse drejningsmomentmotorer er blevet næsten standard i scenarier med tung belastning såsom hofte-, knæ- og skulderled, mens mere præcise hulkopmotorer bruges for enden af ​​hænderne - de eneste forskelle ligger i kombinationen  af ​​motortype og præstationsparametre . Retningen er konsekvent.

III. 'kortlægning' mellem motorer og komplette robotter

Så hvilke opstrøms motorproducenter understøtter disse velkendte humanoide robotprodukter? Efterhånden som masseproduktionen stiger, binder en række indenlandske og internationale leverandører sig dybt til komplette robotproducenter og indtager nøglepositioner.

·  Teslas forsyningskæde : Inovance Technology har en førende position inden for drive-control integrerede led, og Leadshines motion control-produkter er også kommet ind i Teslas forsyningskæde. Derudover er Wolong Electric Drives rammeløse drejningsmomentmotorer med succes kommet ind i forsyningskæderne for indenlandske mainstream-robotter som Unitree og Zhiyuan, indirekte forbundet med Tesla med en hjemmemarkedsandel på omkring 25 %.

·  Unitree  er en spiller med en ekstrem høj lokaliseringsrate; dens motorer, drevkort og bevægelseskontrolalgoritmer er stort set selvudviklede. Fra et forsyningskædeperspektiv leverer blandt andet Leaderdrives harmoniske reduktioner og Haozhi Electromechanicals rammeløse momentmotorer til Unitree.

·  Xiaomis CyberGear-  motor er ikke afhængig af eksterne motorleverandører, men nedbrydelser afslører, at den integrerer ams OSRAMs magnetiske encoder og GigaDevices hovedkontrol-MCU. I mellemtiden leverer Inovance Technology også Xiaomi.

·  Zhiyuan  har en række leverandører dybt knyttet til sig. Wolong Electric Drive er ikke kun kommet ind i Zhiyuans forsyningskæde gennem en 'industri + kapital' dobbelt binding, men ejer også indirekte aktier i Zhiyuan. Andre indenlandske ledere, der leverer servosystemer og rammeløse momentmotorer, omfatter Inovance Technology, STEP Electric og Veichi Electric.

Samlet set  er det rammeløse drejningsmomentmotorfelt vidne til en acceleration af lokalisering . På high-end-markedet indtager internationale mærker som Kollmorgen og MOOG stadig den teknologiske høje terræn, men med hensyn til masseproduktion, omkostningskontrol og tilpassede tjenester er indenlandske aktører som Inovance, Wolong og STEP hastigt stigende.

IV. Krav til 'muskel' på højere niveau: Encodere og højpræcisionsled

Motorer løser problemet med udgangseffekt, men for at opnå tilstrækkelig nøjagtig ledpositionering, fin kraftfeedback og jævn bevægelseskontrol kræves en anden nøglekomponent -  encoderen.

Indkoderen fungerer som robottens 'nervesystem', der er ansvarlig for feedback i realtid af position, hastighed og vinkelinformation. I humanoide robotter er den  dobbelte encoderløsning  blevet mainstream: den ene encoder er installeret på motorsiden, den anden på outputsiden, og vinkelforskellen mellem dem sammenlignes med kalibrering af drejningsmoment og position. I tunge belastningsled (såsom hofte og knæ) bestemmer koderen, hvor præcist robotten kan kontrollere gang og kraft; ved finhåndsoperationer er encoderens nøjagtighed en kritisk variabel målt i millimeter.

V. SDM: En ny stjerne inden for rammeløse motorer og magnetiske indkodere til indenlandske robotter

På baggrund af accelererende lokalisering træder en virksomhed fra Hangzhou – SDM – gradvist ind i kernen af ​​den humanoide robotindustrikæde med sin dobbelthjulede produktmatrix af 'robotrammeløse momentmotorer + magnetiske indkodere'.

SDMs differentierede fordele i rammeløse momentmotorer afspejles hovedsageligt i tre aspekter:

1. Fuldt selvudviklet motordesignevne . SDM's rammeløse drejningsmomentmotorer understøtter højhastighedsrespons og styring af drejningsmoment med lukket sløjfe i realtid ved hjælp af legeringsmaterialer af luftfartskvalitet og produktmagneter med høj magnetisk energi, hvilket væsentligt forbedrer drejningsmomenttætheden og slagfastheden. Med henblik på de differentierede behov for forskellige robotled (hofte/knæ/skulder) har SDM lanceret flere motorprodukter med et maksimalt drejningsmoment, der dækker 50Nm til over 200Nm, fleksibelt tilpasset applikationer lige fra let kommerciel service til industriel tung belastning.

2. Kerneteknologi i magnetiske indkodere . SDM's egenudviklede multi-turn absolutte magnetiske encodere og single-turn magnetiske encodere matcher internationale mainstream-løsninger med hensyn til nøjagtighed, stabilitet og anti-interferensevne. Ved at bruge højpræcisions magnetoresistive sensorer og multipolet magnetisk ringteknologi opnår SDM's magnetiske indkodere positionsopløsning bedre end 18 bit, mens de optimerer anti-vibration og høj/lav temperatur karakteristika markant. Denne 'motor + encoder' integrerede kapacitet gør det muligt for komplette robotproducenter at opnå  ét-stop fælles drevløsningsvalg , hvilket i høj grad forbedrer udviklingseffektiviteten og systemintegration.

3. Med rod i 'Hangzhou Six Little Dragons' industrielle klynge . SDM er placeret i Hangzhou og Yangtze River Delta-regionen, som er vært for Kinas tætteste koncentration af robotkomponentressourcer, der dækker reduktionsgear, lejer, sensorer og andre nøgledele. Ved at drage fordel af den kontinuerlige promovering af Zhejiang-provinsens udviklingspolitikker for humanoide robotter, udvider SDM gradvist fra enkeltkomponent-forsyning til komplette fælles modulløsninger.

Mens humanoide robotter bevæger sig fra laboratoriestadiet til  'masseproduktionsæraen' opgraderes konkurrencen blandt upstream-motor- og encoderleverandører fra 'omkostningseffektivitet' til en dobbeltsporet kamp om 'ydeevne + pålidelighed'. SDM, der udnytter fordelene ved sin lokale Hangzhou-industrikæde og dens egenudviklede motor- og magnetiske encoder-kapaciteter, er ved at blive en uundværlig kraft i 'strømkilden' af indenlandsk producerede humanoide robotter.