Wie rahmenlose Roboter-Torquemotoren humanoide Roboter antreiben

Möglicherweise haben Sie bereits kurze Videos von humanoiden Robotern gesehen – sie machen in Laboren Rückwärtssaltos, tragen Teile in Autofabriken oder führen sogar natürliche Gespräche mit Menschen. Hinter diesen scheinbar „menschenähnlichen“ Aktionen steckt ein zentraler Faktor: das gemeinsame System. Wenn Algorithmen das Gehirn des Roboters und Sensoren seine Sinne sind, dann Der rahmenlose Torquemotor des Roboters  ist sein Muskel – er bestimmt, wie schnell er laufen, wie schwer er heben und wie stabil er gehen kann. Heute beginnen wir mit mehreren Mainstream-Produkten humanoider Roboter, um zu analysieren, wo sich diese „Muskel“-Technologie auszeichnet und wie sie eine industrielle Transformation unterstützt.

I. Warum sind humanoide Roboter untrennbar mit rahmenlosen Torquemotoren für Roboter verbunden?

Lernen wir unseren Protagonisten kennen. Ein rahmenloser Torquemotor ist eine einzigartige Existenz – er hat kein Gehäuse, keine Welle, keine Lager. Durch die Entfernung aller „verpackten“ Peripheriekomponenten bleiben  nur der Stator- und Rotorkern erhalten , die direkt in die Gelenkstruktur des Roboters eingebettet sind. Die Vorteile liegen auf der Hand:  kleineres Volumen, höheres Drehmoment . Bei einem humanoiden Roboter erfordern Gelenke mit großem Drehmoment wie Hüfte, Knie und Schulter eine extrem hohe Leistungsdichte und Kompaktheit; Herkömmliche Motoren nehmen oft zu viel Platz ein, während ein rahmenloser Torquemotor in das Gelenk integriert werden kann, um ein „Motor-Gelenk-Design“ zu erreichen, wodurch die Gesamtstruktur kompakter und effizienter wird.

Auch die Daten bestätigen seine Bedeutung. Nehmen Sie Tesla Optimus als Beispiel:  Jeder seiner 28 Aktuatoren verwendet einen rahmenlosen Torquemotor , was die zentrale Rolle dieses Produkts bei der gemeinsamen Betätigung unterstreicht.

II. Mainstream-Produktkonfigurationsanalyse: Verschiedene Gelenke, verschiedene „Muskeln“

Wenn wir Motoren mit Muskeln vergleichen, sind die Anforderungen an verschiedene Körperteile sehr unterschiedlich – große Gelenke wie Schultern und Hüften benötigen explosive Kraft, Handgelenke und geschickte Hände benötigen eine präzise Kontrolle und Knie müssen die Last tragen und gleichzeitig die Stabilität bewahren. Basierend auf Produktpositionierung und Kostenüberlegungen haben Hersteller unterschiedliche Motorkombinationslösungen eingeführt.

Tesla Optimus: Die „Full-Stack-Konfiguration“ eines technischen Benchmarks

Tesla Optimus verfügt derzeit über die umfassendste und technisch transparenteste Aktuatorlösung der Branche. Seine Gelenke sind in drei Kategorien unterteilt:

·  Drehantriebe (14 Einheiten) : Hauptsächlich verwendet in Drehgelenken mit großem Winkel wie Schultern, Hüften, Handgelenken und Taille. Die Lösung ist „rahmenloser Drehmomentmotor + Oberschwingungsreduzierer + Drehmomentsensor + Dual-Encoder“ und bietet drei Drehmomentspezifikationen:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Linearantriebe (14 Einheiten) : Verteilt in Gelenken mit begrenztem Schwenkwinkel, die jedoch einen hohen Schub erfordern (z. B. Ellbogen, Knie, Knöchel). Die Lösung ist „rahmenloser Torquemotor + Planetenrollengewindetrieb“ mit Schubspezifikationen von  500 N, 3900 N und 8000 N.

·  Geschickte Handbetätiger (12 Einheiten/beide Hände) : Verwendet eine Kombination aus Hohlschalenmotor + mehrstufigem Miniatur-Planetengetriebe + Schneckengetriebe. Jede Hand verfügt über 11 Freiheitsgrade und kann eine Last von 9 kg heben.

Insgesamt verwendet Optimus den 180-Nm-Aktuator mit hohem Drehmoment für Gelenke mit hoher Belastung wie Hüfte und Schulter und Lösungen mit mittlerem/niedrigem Drehmoment für Teile mit mittlerer Belastung wie Ellbogen und Handgelenk, wodurch ein angemessener „Muskelgradient“ entsteht. Aus Kostensicht  macht der rahmenlose Torquemotor etwa 14,8 % der Gesamtkosten des Roboters aus und ist damit nach dem Planetenrollengewindetrieb die zweitwichtigste Komponente.

Unitree H1/G1: „Selbstentwickelte Fraktion“ mit hohem Kosten-Leistungs-Verhältnis

Der Ansatz von Unitree unterscheidet sich erheblich von dem von Tesla – sie bevorzugen eine  quasi-direkte Antriebsarchitektur mit Motoren mit hoher Drehmomentdichte und Planetengetrieben mit niedriger Übersetzung , die die Leistungsabgabe gewährleistet und gleichzeitig die Kosten senkt.

H1  ist als großer humanoider Roboter in Industriequalität positioniert, der mit einem selbst entwickelten M107-Motor ausgestattet ist, der ein Spitzendrehmoment von  360 N·m  (Hüftgelenk  220 N·m , Knöchelgelenk  45 N·m ) liefern kann, mit einer behaupteten Leistungsdichte, die 1,5-mal höher ist als die der Wettbewerber. Gelenkverteilung: 14 Gelenke der unteren Gliedmaßen (Drehmomentbereich 45–220 N·m), 14 Gelenke der oberen Gliedmaßen (Drehmoment ~75 N·m) und 2 Rumpfgelenke.

G1  zielt auf Szenarien für Privatanwender ab: 1,32 m groß, 35 kg schwer. Die Standardversion hat 23 DOF, während die EDU-Version 23–43 DOF bietet. Sein Unterschenkelgelenk nutzt ein integriertes 4-in-1-Modul „Motor + zweistufiges Planetengetriebe + Encoder + Treiber“ mit einem maximalen Kniegelenkdrehmoment von  90 N·m  und einer maximalen Armlast von 2 kg. Bemerkenswert ist, dass Unitree eine Lokalisierungsrate von über 90 % erreicht hat, da Motoren, Untersetzungsgetriebe, Controller, Encoder und andere Kernkomponenten alle selbst entwickelt wurden, sodass die Basisversion des G1 bereits 85.000 RMB kosten kann.

Xiaomi CyberGear: Der miniaturisierte integrierte „Aktuar“

Xiaomis CyberGear geht einen völlig anderen Weg: Es packt einen Servomotor, einen harmonischen Reduzierer, zwei Encoder und einen Treiber in ein winziges Gehäuse mit einem Gewicht von nur  317 Gramm und erreicht so „kleine Größe, große Integration“.

Technische Parameter: Der CyberGear-Motor hat ein maximales Drehmoment von nur  3 N·m  , kann aber in nur  20 Millisekunden reagieren . Es eignet sich für leichte Szenarien wie Desktop-Roboterarme und kleine Robotergelenke. Der Motor verfügt über ein schwarz eloxiertes Aluminiumgehäuse zur besseren Wärmeableitung, verfügt über ein selbst entwickeltes Temperaturerkennungssystem und Schutzalgorithmen und ist standardmäßig mit einem XT30-Anschluss und einem Schnellverschluss-Design ausgestattet. Es wird im Online-Shop von Xiaomi für nur  499 RMB verkauft und ist damit der „Preiswächter“ für Robotergelenkmodule der Einstiegsklasse.

Obwohl sein maximales Drehmoment von 3 Nm weitaus niedriger ist als das der Lösungen mit großem Drehmoment von Optimus und Unitree, ist es angesichts seines Gewichts von nur 317 Gramm und seines „Schnellspanner + integrierten“ Designs mehr als ausreichend für Verbraucherszenarien (kleine Heimroboter, Lernroboter). Es folgt einer „gut genug“-Strategie, die es kleinen und mittleren Herstellern ermöglicht, auch im Robotikbereich mitzuspielen.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Auf der Suche nach der „ultimativen Burst-Power“

Die Zhiyuan Expedition-Serie ist besonders aggressiv in der Motorleistung. Der Expedition A2 Max-Roboter liefert ein maximales Gelenkdrehmoment von  450 N·m , derzeit einer der höchsten öffentlich verfügbaren Gelenkdrehmomentwerte. Sein selbst entwickelter PowerFlow-Motor nutzt eine Quasi-Direktantriebstechnologie – irgendwo zwischen Direktantrieb und herkömmlichen Motoren – und liefert ein Spitzendrehmoment von mehr als 350 Nm bei einem Gewicht von nur 1,6 kg. Außerdem ist er mit einem Flüssigkeitskühlsystem ausgestattet, das die Empfindlichkeit der Kraftsteuerung und die kontinuierliche Belastbarkeit in Einklang bringt. Derzeit hat Zhiyuan eine Industriebasis in Chengdu eröffnet und Produkte wie Expedition A3, A2 und Lingxi X2 haben die Massenproduktion erreicht.

Für einen intuitiven Vergleich sind die wichtigsten Parameter der oben genannten Mainstream-Modelle in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Aus der obigen Tabelle wird deutlich, dass rahmenlose Torquemotoren von Robotern in Schwerlastszenarien wie Hüft-, Knie- und Schultergelenken fast zum Standard geworden sind, während am Ende der Hände präzisere Hohlschalenmotoren zum Einsatz kommen – die einzigen Unterschiede liegen in der  Kombination von Motortyp und Leistungsparametern . Die Richtung ist einheitlich.

III. Die „Zuordnung“ zwischen Motoren und kompletten Robotern

Welche vorgelagerten Motorenhersteller unterstützen diese bekannten humanoiden Roboterprodukte? Mit zunehmender Massenproduktion binden sich eine Reihe nationaler und internationaler Zulieferer stark an Komplettroboterhersteller und besetzen Schlüsselpositionen.

·  Teslas Lieferkette : Inovance Technology nimmt eine führende Position bei integrierten Antriebssteuerungsverbindungen ein, und die Bewegungssteuerungsprodukte von Leadshine sind ebenfalls in die Lieferkette von Tesla gelangt. Darüber hinaus sind die rahmenlosen Torquemotoren von Wolong Electric Drive erfolgreich in die Lieferketten inländischer Mainstream-Roboter wie Unitree und Zhiyuan gelangt und stellen indirekt eine Verbindung zu Tesla her, mit einem inländischen Marktanteil von etwa 25 %.

·  Unitree  ist ein Player mit einer extrem hohen Lokalisierungsrate; Seine Motoren, Antriebsplatinen und Bewegungssteuerungsalgorithmen sind größtenteils selbst entwickelt. Aus Sicht der Lieferkette beliefern Unitree unter anderem die Oberschwingungsreduzierer von Leaderdrive und die rahmenlosen Torquemotoren von Haozhi Electromechanical.

·  Der CyberGear-Motor von Xiaomi  ist nicht auf externe Motorlieferanten angewiesen, aber Teardowns zeigen, dass er den magnetischen Encoder von ams OSRAM und die Hauptsteuerungs-MCU von GigaDevice integriert. Mittlerweile beliefert Inovance Technology auch Xiaomi.

·  Zhiyuan  hat eine Reihe von Zulieferern, die eng mit Zhiyuan verbunden sind. Wolong Electric Drive ist nicht nur über eine Doppelbindung „Industrie + Kapital“ in die Lieferkette von Zhiyuan eingestiegen, sondern hält indirekt auch Anteile an Zhiyuan. Zu den weiteren inländischen Marktführern, die Servosysteme und rahmenlose Torquemotoren liefern, gehören Inovance Technology, STEP Electric und Veichi Electric.

Insgesamt  erlebt der Bereich der rahmenlosen Torquemotoren eine Beschleunigung der Lokalisierung . Auf dem High-End-Markt sind internationale Marken wie Kollmorgen und MOOG immer noch technologisch führend, aber in Bezug auf Massenproduktion, Kostenkontrolle und maßgeschneiderte Dienstleistungen sind inländische Anbieter wie Inovance, Wolong und STEP schnell auf dem Vormarsch.

IV. Höhere „Muskel“-Anforderungen: Encoder und hochpräzise Gelenke

Motoren lösen das Problem der Leistungsabgabe, aber um eine ausreichend genaue Gelenkpositionierung, eine feine Kraftrückmeldung und eine reibungslose Bewegungssteuerung zu erreichen, ist eine weitere Schlüsselkomponente erforderlich – der  Encoder.

Der Encoder fungiert als „Nervensystem“ des Roboters und ist für die Echtzeitrückmeldung von Positions-, Geschwindigkeits- und Winkelinformationen verantwortlich. Bei humanoiden Robotern hat sich die  Dual-Encoder-  Lösung durchgesetzt: Ein Encoder ist auf der Motorseite, der andere auf der Abtriebsseite installiert, und die Winkeldifferenz zwischen ihnen wird verglichen, um Drehmoment und Position zu kalibrieren. Bei stark beanspruchten Gelenken (z. B. Hüfte und Knie) bestimmt der Encoder, wie präzise der Roboter Gang und Kraft steuern kann; Bei feinen Handoperationen ist die Encodergenauigkeit eine kritische Variable, die in Millimetern gemessen wird.

V. SDM: Ein aufstrebender Star bei rahmenlosen Torquemotoren und magnetischen Encodern für Haushaltsroboter

Vor dem Hintergrund der zunehmenden Lokalisierung dringt ein Unternehmen aus Hangzhou – SDM – mit seiner zweirädrigen Produktmatrix aus „rahmenlosen Roboter-Torquemotoren + magnetischen Encodern“ schrittweise in den Kern der Industriekette für humanoide Roboter vor.

Die differenzierten Vorteile von SDM bei rahmenlosen Torquemotoren spiegeln sich hauptsächlich in drei Aspekten wider:

1. Vollständig selbst entwickelte Motordesignfähigkeit . Die rahmenlosen Torquemotoren von SDM unterstützen eine schnelle Reaktion und eine Drehmomentregelung in Echtzeit. Dabei werden Legierungsmaterialien in Luftfahrtqualität und Produktmagnete mit hoher magnetischer Energie verwendet, wodurch die Drehmomentdichte und die Schlagfestigkeit erheblich verbessert werden. Um den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Robotergelenke (Hüfte/Knie/Schulter) gerecht zu werden, hat SDM mehrere Motorproduktlinien mit einem Spitzendrehmoment von 50 Nm bis über 200 Nm auf den Markt gebracht, die sich flexibel an Anwendungen anpassen, die vom leichten kommerziellen Einsatz bis hin zu industriellen Schwerlasten reichen.

2. Kerntechnologie in magnetischen Encodern . Die von SDM selbst entwickelten Multi-Turn-Absolut-Magnet-Encoder und Single-Turn-Magnet-Encoder entsprechen hinsichtlich Genauigkeit, Stabilität und Anti-Interferenz-Fähigkeit internationalen Mainstream-Lösungen. Mithilfe hochpräziser magnetoresistiver Sensoren und mehrpoliger Magnetringtechnologie erreichen die magnetischen Encoder von SDM eine Positionsauflösung von besser als 18 Bit und optimieren gleichzeitig die Antivibrations- und Hoch-/Tieftemperatureigenschaften erheblich. Diese integrierte Fähigkeit „Motor + Encoder“ ermöglicht es Herstellern kompletter Roboter,  eine gemeinsame Antriebslösung aus einer Hand auszuwählen , was die Entwicklungseffizienz und Systemintegration erheblich verbessert.

3. Verwurzelt im Industriecluster „Hangzhou Six Little Dragons“ . SDM hat seinen Sitz in Hangzhou und in der Region des Jangtse-Deltas, wo sich Chinas dichteste Konzentration an Roboterkomponentenressourcen befindet, darunter Untersetzungsgetriebe, Lager, Sensoren und andere wichtige Teile. SDM profitiert von der kontinuierlichen Förderung der Entwicklungspolitik der humanoiden Roboterindustrie in der Provinz Zhejiang und erweitert schrittweise die Lieferung von Einzelkomponenten auf komplette gemeinsame Modullösungen.

Während humanoide Roboter vom Laborstadium in die  „Ära der Massenproduktion“ übergehen , verschärft sich der Wettbewerb unter den vorgelagerten Motoren- und Encoderlieferanten von „Kosteneffizienz“ zu einem zweigleisigen Kampf um „Leistung + Zuverlässigkeit“. SDM nutzt die Vorteile seiner lokalen Hangzhou-Industriekette und seiner selbst entwickelten Motor- und Magnetkodiererfähigkeiten und wird zu einer unverzichtbaren Kraft in der „Energiequelle“ inländisch hergestellter humanoider Roboter.