Πώς οι κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο ρομπότ τροφοδοτούν ανθρωποειδή ρομπότ

Μπορεί να έχετε ήδη δει σύντομα βίντεο ανθρωποειδών ρομπότ—να κάνουν οπισθοπορείες σε εργαστήρια, να μεταφέρουν εξαρτήματα σε εργοστάσια αυτοκινήτων ή ακόμα και να κάνουν φυσικές συνομιλίες με ανθρώπους. Πίσω από αυτές τις φαινομενικά «ανθρώπινες» ενέργειες κρύβεται ένας βασικός παράγοντας: το κοινό σύστημα. Αν οι αλγόριθμοι είναι ο εγκέφαλος του ρομπότ και οι αισθητήρες οι αισθήσεις του, τότε το Το Robot Frameless Torque Motor  είναι ο μυς του—καθορίζει πόσο γρήγορα μπορεί να τρέξει, πόσο βαρύ μπορεί να σηκώσει και πόσο σταθερό μπορεί να περπατήσει. Σήμερα, θα ξεκινήσουμε από πολλά κύρια προϊόντα ανθρωποειδών ρομπότ για να αναλύσουμε πού υπερέχει αυτή η τεχνολογία «μυών» και πώς υποστηρίζει έναν βιομηχανικό μετασχηματισμό.

I. Γιατί τα ανθρωποειδή ρομπότ είναι αδιαχώριστα από τα ρομποτικά μοτέρ ροπής χωρίς πλαίσιο;

Ας γνωρίσουμε τον πρωταγωνιστή μας. Ένας κινητήρας ροπής χωρίς πλαίσιο είναι μια μοναδική ύπαρξη—δεν έχει περίβλημα, χωρίς άξονα, χωρίς ρουλεμάν. Αφαιρώντας όλα τα 'συσκευασμένα' περιφερειακά εξαρτήματα, διατηρεί  μόνο τον πυρήνα του στάτορα και του ρότορα , τα οποία είναι άμεσα ενσωματωμένα στη δομή άρθρωσης του ρομπότ. Τα οφέλη είναι απλά:  μικρότερος όγκος, μεγαλύτερη ροπή . Σε ένα ανθρωποειδές ρομπότ, αρθρώσεις μεγάλης ροπής όπως το ισχίο, το γόνατο και ο ώμος απαιτούν εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος και συμπαγή. Οι παραδοσιακοί κινητήρες συχνά καταλαμβάνουν πολύ χώρο, ενώ ένας κινητήρας ροπής χωρίς πλαίσιο μπορεί να ενσωματωθεί μέσα στην άρθρωση για να επιτευχθεί ένας σχεδιασμός 'motor-joint一体化', καθιστώντας τη συνολική δομή πιο συμπαγή και αποτελεσματική.

Τα δεδομένα επιβεβαιώνουν επίσης τη σημασία του. Πάρτε το Tesla Optimus ως παράδειγμα:  κάθε ένας από τους 28 ενεργοποιητές του χρησιμοποιεί έναν κινητήρα ροπής χωρίς πλαίσιο , τονίζοντας τον βασικό ρόλο αυτού του προϊόντος στην ενεργοποίηση από κοινού.

II. Ανάλυση διαμόρφωσης κύριου προϊόντος: Διαφορετικές αρθρώσεις, διαφορετικοί 'μύες'

Αν συγκρίνουμε τους κινητήρες με τους μύες, οι απαιτήσεις για διαφορετικά μέρη του σώματος ποικίλλουν πολύ - οι μεγάλες αρθρώσεις όπως οι ώμοι και οι γοφοί χρειάζονται εκρηκτική δύναμη, οι καρποί και τα επιδέξια χέρια χρειάζονται ακριβή έλεγχο και τα γόνατα πρέπει να αντέχουν φορτίο διατηρώντας τη σταθερότητα. Οι κατασκευαστές, βάσει της θέσης του προϊόντος και του κόστους, έχουν υιοθετήσει διαφορετικές λύσεις συνδυασμού κινητήρων.

Tesla Optimus: Η 'Διαμόρφωση Full-Stack' ενός τεχνικού σημείου αναφοράς

Η Tesla Optimus διαθέτει αυτήν τη στιγμή την πιο ολοκληρωμένη και τεχνικά διαφανή λύση ενεργοποιητή στον κλάδο. Οι αρθρώσεις του χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες:

·  Περιστροφικοί ενεργοποιητές (14 μονάδες) : Χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιστροφικές αρθρώσεις μεγάλης γωνίας όπως ώμοι, γοφοί, καρποί και μέση. Η λύση είναι 'μοτέρ ροπής χωρίς πλαίσιο + αρμονικός μειωτής + αισθητήρας ροπής + διπλοί κωδικοποιητές', που προσφέρει τρεις προδιαγραφές ροπής:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Γραμμικοί ενεργοποιητές (14 μονάδες) : Κατανέμονται σε αρθρώσεις με περιορισμένη γωνία ταλάντευσης αλλά απαιτούν υψηλή ώθηση (π.χ. αγκώνες, γόνατα, αστραγάλους). Η λύση είναι 'μοτέρ ροπής χωρίς πλαίσιο + βίδα πλανητικού κυλίνδρου', με προδιαγραφές ώσης  500N, 3900N και 8000N.

·  Επιδέξιοι ενεργοποιητές χειρός (12 μονάδες / και τα δύο χέρια) : Χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό κινητήρα κοίλου κυπέλλου + μικροσκοπικό πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων πολλαπλών σταδίων + ατέρμονα γρανάζι. Κάθε χέρι έχει 11 βαθμούς ελευθερίας και μπορεί να σηκώσει φορτίο 9 κιλών.

Συνολικά, το Optimus χρησιμοποιεί τον ενεργοποιητή υψηλής ροπής 180 Nm για αρθρώσεις βαρέως φορτίου όπως το ισχίο και τον ώμο, και λύσεις μέσης/χαμηλής ροπής για μέρη μέτριου φορτίου όπως ο αγκώνας και ο καρπός, σχηματίζοντας μια λογική «μυϊκή κλίση». Από άποψη κόστους,  ο κινητήρας ροπής χωρίς πλαίσιο αντιπροσωπεύει περίπου το 14,8% του συνολικού κόστους του ρομπότ , καθιστώντας τον το δεύτερο πιο κρίσιμο εξάρτημα μετά την πλανητική βίδα κυλίνδρου.

Unitree H1/G1: Υψηλής απόδοσης 'Self-Developed Faction'

Η προσέγγιση της Unitree διαφέρει σημαντικά από αυτή της Tesla—προτιμούν μια  σχεδόν άμεση αρχιτεκτονική μετάδοσης κίνησης χρησιμοποιώντας κινητήρες υψηλής πυκνότητας ροπής + πλανητικά γρανάζια χαμηλής αναλογίας , που διασφαλίζει την απόδοση ισχύος μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος.

Το H1  τοποθετείται ως ένα μεγάλο ανθρωποειδές ρομπότ βιομηχανικής ποιότητας, εξοπλισμένο με έναν αυτο-αναπτυγμένο κινητήρα M107 που μπορεί να προσφέρει μέγιστη ροπή  360 N·m  (άρθρωση ισχίου  220 N·m , άρθρωση αστραγάλου  45 N·m ), με ισχυρή πυκνότητα ισχύος 1,5 φορές μεγαλύτερη από αυτή των ανταγωνιστών. Κατανομή αρθρώσεων: 14 αρθρώσεις κάτω άκρων (ροπή που κυμαίνεται από 45–220 N·m), 14 αρθρώσεις άνω άκρων (ροπή ~75 N·m) και 2 αρθρώσεις κορμού.

Το G1  στοχεύει σενάρια οικιακών καταναλωτών: 1,32 μέτρα ύψος, βάρος 35 κιλά. Η τυπική έκδοση έχει 23 DOF, ενώ η έκδοση EDU προσφέρει 23–43 DOF. Η άρθρωση του κάτω ποδιού του χρησιμοποιεί μια ενσωματωμένη μονάδα τέσσερα σε ένα 'μοτέρ + πλανητικός μειωτήρας δύο σταδίων + κωδικοποιητής + οδηγός', με μέγιστη ροπή άρθρωσης γονάτου  90 N·m  και μέγιστο φορτίο βραχίονα 2 κιλά. Αξίζει να σημειωθεί ότι η Unitree έχει επιτύχει ποσοστό τοπικής προσαρμογής άνω του 90%, με κινητήρες, μειωτήρες, ελεγκτές, κωδικοποιητές και άλλα βασικά εξαρτήματα να έχουν αναπτυχθεί μόνοι τους, επιτρέποντας στη βασική έκδοση του G1 να έχει τιμή έως και 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: Το μινιατούρα ολοκληρωμένο 'Actuary'

Το CyberGear της Xiaomi ακολουθεί μια εντελώς διαφορετική διαδρομή—συσκευάζει έναν σερβοκινητήρα, έναν μειωτήρα αρμονικών, διπλούς κωδικοποιητές και έναν οδηγό σε ένα μικροσκοπικό σώμα βάρους μόνο  317 γραμμαρίων , επιτυγχάνοντας «μικρό μέγεθος, μεγάλη ενσωμάτωση».

Τεχνικές παράμετροι: ο κινητήρας CyberGear έχει μέγιστη ροπή μόνο  3 N·m  αλλά μπορεί να ανταποκριθεί γρήγορα έως και  20 χιλιοστά του δευτερολέπτου . Είναι κατάλληλο για ελαφριά σενάρια όπως επιτραπέζιους ρομποτικούς βραχίονες και μικρές αρθρώσεις ρομπότ. Ο κινητήρας χρησιμοποιεί μαύρο περίβλημα από ανοδιωμένο αλουμίνιο για καλύτερη διάχυση θερμότητας, ενσωματώνει σύστημα ανίχνευσης θερμοκρασίας και αλγόριθμους προστασίας που έχει αναπτυχθεί από μόνος του και διατίθεται στάνταρ με υποδοχή XT30 και σχεδιασμό γρήγορης αποδέσμευσης. Πωλείται στο ηλεκτρονικό κατάστημα της Xiaomi μόνο για  499 RMB , καθιστώντας το «πρωτόφυλο τιμών» για τις αρχικές αρθρώσεις ρομπότ.

Αν και η μέγιστη ροπή του 3 N·m είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή των λύσεων μεγάλης ροπής των Optimus και Unitree, λαμβάνοντας υπόψη το βάρος του μόλις 317 γραμμάρια και τον σχεδιασμό του «ταχείας απελευθέρωσης + ενσωματωμένο», είναι κάτι παραπάνω από επαρκής για σενάρια καταναλωτών (οικιακά μικρά ρομπότ, εκπαιδευτικά ρομπότ). Ακολουθεί μια στρατηγική 'αρκετά καλή'—επιτρέποντας στους μικρούς και μεσαίους κατασκευαστές να παίξουν επίσης στον χώρο της ρομποτικής.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Pursuing 'Ultimate Burst Power'

Η σειρά Zhiyuan Expedition είναι ιδιαίτερα επιθετική στην απόδοση του κινητήρα. Το ρομπότ Expedition A2 Max αποδίδει μέγιστη ροπή άρθρωσης  450 N·m , επί του παρόντος ένα από τα υψηλότερα διαθέσιμα δημόσια νούμερα ροπής αρμών. Ο αυτο-αναπτυγμένος κινητήρας του PowerFlow υιοθετεί μια διαδρομή τεχνολογίας σχεδόν άμεσης μετάδοσης – κάπου μεταξύ άμεσης μετάδοσης και παραδοσιακών κινητήρων – αποδίδοντας μέγιστη ροπή που υπερβαίνει τα 350 N·m ενώ ζυγίζει μόνο 1,6 kg, και ενσωματώνει επίσης σύστημα ψύξης υγρού, ευαισθησία ελέγχου δύναμης εξισορρόπησης και ικανότητα συνεχούς φορτίου. Επί του παρόντος, η Zhiyuan έχει ξεκινήσει μια βιομηχανική βάση στο Chengdu και προϊόντα όπως τα Expedition A3, A2 και Lingxi X2 έχουν επιτύχει μαζική παραγωγή.

Για διαισθητική σύγκριση, οι βασικές παράμετροι των παραπάνω βασικών μοντέλων συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα:

Από τον παραπάνω πίνακα, είναι σαφές ότι οι κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο ρομπότ έχουν γίνει σχεδόν τυπικοί σε σενάρια βαρέως φορτίου όπως οι αρθρώσεις του ισχίου, του γονάτου και των ώμων, ενώ χρησιμοποιούνται πιο ακριβείς κινητήρες κοίλου κυπέλλου στο άκρο των χεριών—οι μόνες διαφορές βρίσκονται στον  συνδυασμό του τύπου κινητήρα και των παραμέτρων απόδοσης . Η κατεύθυνση είναι συνεπής.

III. Η 'Χαρτογράφηση' μεταξύ κινητήρων και ολοκληρωμένων ρομπότ

Ποιοι λοιπόν κατασκευαστές κινητήρων ανάντη υποστηρίζουν αυτά τα γνωστά προϊόντα ανθρωποειδών ρομπότ; Καθώς η μαζική παραγωγή αυξάνεται, αρκετοί εγχώριοι και διεθνείς προμηθευτές δεσμεύονται βαθιά με τους ολοκληρωμένους κατασκευαστές ρομπότ, καταλαμβάνοντας βασικές θέσεις.

·  Η εφοδιαστική αλυσίδα της Tesla : Η τεχνολογία Innovance κατέχει ηγετική θέση στις ενσωματωμένες συνδέσεις ελέγχου μετάδοσης κίνησης και τα προϊόντα ελέγχου κίνησης της Leadshine έχουν επίσης εισέλθει στην αλυσίδα εφοδιασμού της Tesla. Επιπλέον, οι κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο της Wolong Electric Drive έχουν εισέλθει με επιτυχία στις αλυσίδες εφοδιασμού των εγχώριων ρομπότ όπως το Unitree και το Zhiyuan, έμμεσα συνδεδεμένα με την Tesla, με μερίδιο εγχώριας αγοράς περίπου 25%.

·  Ο Unitree  είναι ένας παίκτης με εξαιρετικά υψηλό ποσοστό εντοπισμού. Οι κινητήρες, οι πλακέτες μετάδοσης κίνησης και οι αλγόριθμοι ελέγχου κίνησης αναπτύσσονται σε μεγάλο βαθμό μόνοι τους. Από την άποψη της αλυσίδας εφοδιασμού, οι αρμονικοί μειωτήρες της Leaderdrive και οι κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο της Haozhi Electromechanical, μεταξύ άλλων, παρέχουν το Unitree.

· Ο κινητήρας  CyberGear της Xiaomi  δεν βασίζεται σε εξωτερικούς προμηθευτές κινητήρων, αλλά τα teardowns αποκαλύπτουν ότι ενσωματώνει τον μαγνητικό κωδικοποιητή της ams OSRAM και την κύρια μονάδα ελέγχου MCU της GigaDevice. Εν τω μεταξύ, η Inovance Technology προμηθεύει επίσης τη Xiaomi.

·  Το Zhiyuan  έχει πολλούς προμηθευτές βαθιά συνδεδεμένους με αυτό. Η Wolong Electric Drive όχι μόνο εισήλθε στην αλυσίδα εφοδιασμού της Zhiyuan μέσω μιας διπλής δέσμευσης 'βιομηχανίας + κεφάλαιο', αλλά επίσης κατέχει έμμεσα μετοχές της Zhiyuan. Άλλοι εγχώριοι ηγέτες που προμηθεύουν συστήματα σερβομηχανισμού και κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο είναι η Innovance Technology, η STEP Electric και η Veichi Electric.

Συνολικά,  το πεδίο του κινητήρα ροπής χωρίς πλαίσιο παρουσιάζει μια επιτάχυνση εντοπισμού . Στην αγορά προηγμένης τεχνολογίας, διεθνείς μάρκες όπως η Kollmorgen και η MOOG εξακολουθούν να καταλαμβάνουν το υψηλό επίπεδο της τεχνολογίας, αλλά όσον αφορά τη μαζική παραγωγή, τον έλεγχο του κόστους και τις προσαρμοσμένες υπηρεσίες, οι εγχώριοι παίκτες όπως η Inovance, η Wolong και η STEP ανεβαίνουν γρήγορα.

IV. Απαιτήσεις υψηλότερου επιπέδου 'Muscle': Κωδικοποιητές και αρθρώσεις υψηλής ακρίβειας

Οι κινητήρες λύνουν το πρόβλημα της ισχύος εξόδου, αλλά για να επιτευχθεί επαρκώς ακριβής τοποθέτηση της άρθρωσης, ανάδραση λεπτής δύναμης και έλεγχος ομαλής κίνησης, απαιτείται ένα άλλο βασικό στοιχείο - ο  κωδικοποιητής.

Ο κωδικοποιητής λειτουργεί ως το 'νευρικό σύστημα' του ρομπότ, υπεύθυνο για την ανάδραση πληροφοριών θέσης, ταχύτητας και γωνίας σε πραγματικό χρόνο. Στα ανθρωποειδή ρομπότ, η λύση  διπλού κωδικοποιητή  έχει γίνει κυρίαρχη: ο ένας κωδικοποιητής είναι εγκατεστημένος στην πλευρά του κινητήρα, ο άλλος στην πλευρά εξόδου και η γωνιακή διαφορά μεταξύ τους συγκρίνεται με τη ροπή και τη θέση βαθμονόμησης. Σε αρθρώσεις βαρέως φορτίου (όπως το ισχίο και το γόνατο), ο κωδικοποιητής καθορίζει με ποιον τρόπο ακριβώς το ρομπότ μπορεί να ελέγξει το βάδισμα και τη δύναμη. στις λειτουργίες με λεπτό χέρι, η ακρίβεια του κωδικοποιητή είναι μια κρίσιμη μεταβλητή που μετράται σε χιλιοστά.

V. SDM: Ένα αναδυόμενο αστέρι σε εγχώριους ρομπότ κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο και μαγνητικούς κωδικοποιητές

Στο πλαίσιο της επιτάχυνσης της τοπικής προσαρμογής, μια εταιρεία από το Hangzhou — SDM — μπαίνει σταδιακά στον πυρήνα της αλυσίδας της βιομηχανίας ανθρωποειδών ρομπότ με τη μήτρα προϊόντων διπλού τροχού «ρομποτικών κινητήρων ροπής χωρίς πλαίσιο + μαγνητικούς κωδικοποιητές».

Τα διαφοροποιημένα πλεονεκτήματα της SDM στους κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο αντανακλώνται κυρίως σε τρεις πτυχές:

1. Πλήρως αυτο-αναπτυγμένη ικανότητα σχεδίου κινητήρα . Οι κινητήρες ροπής χωρίς πλαίσιο της SDM υποστηρίζουν απόκριση υψηλής ταχύτητας και έλεγχο κλειστού βρόχου ροπής σε πραγματικό χρόνο, χρησιμοποιώντας υλικά κράματος αεροπορίας και μαγνήτες προϊόντων υψηλής μαγνητικής ενέργειας, βελτιώνοντας σημαντικά την πυκνότητα ροπής και την αντίσταση κρούσης. Στοχεύοντας στις διαφοροποιημένες ανάγκες διαφόρων αρθρώσεων ρομπότ (ισχίο/γόνατο/ώμος), η SDM έχει λανσάρει πολλαπλές σειρές προϊόντων κινητήρων με μέγιστη ροπή που καλύπτουν 50 Nm έως πάνω από 200 Nm, προσαρμόζοντας ευέλικτα σε εφαρμογές που κυμαίνονται από ελαφρές εμπορικές υπηρεσίες έως βιομηχανικά βαριά φορτία.

2. Τεχνολογία πυρήνα σε μαγνητικούς κωδικοποιητές . Οι μαγνητικοί κωδικοποιητές απολύτων πολλαπλών περιστροφών της SDM που έχουν αναπτυχθεί μόνοι τους και οι μαγνητικοί κωδικοποιητές μίας στροφής ταιριάζουν με τις διεθνείς κύριες λύσεις όσον αφορά την ακρίβεια, τη σταθερότητα και την ικανότητα κατά των παρεμβολών. Χρησιμοποιώντας αισθητήρες μαγνητοαντίστασης υψηλής ακρίβειας και τεχνολογία πολυπολικού μαγνητικού δακτυλίου, οι μαγνητικοί κωδικοποιητές της SDM επιτυγχάνουν ανάλυση θέσης καλύτερη από 18 bit, ενώ βελτιστοποιούν σημαντικά τα χαρακτηριστικά αντικραδασμικής και υψηλής/χαμηλής θερμοκρασίας. Αυτή η ενσωματωμένη ικανότητα 'μοτέρ + κωδικοποιητής' επιτρέπει σε πλήρεις κατασκευαστές ρομπότ να επιτύχουν  μια λύση λύσης κοινής κίνησης μιας στάσης , βελτιώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα ανάπτυξης και την ενοποίηση του συστήματος.

3. Έχει τις ρίζες του στο βιομηχανικό σύμπλεγμα 'Hangzhou Six Little Dragons' . Η SDM βρίσκεται στο Hangzhou και στην περιοχή Δέλτα του ποταμού Yangtze, η οποία φιλοξενεί την πιο πυκνή συγκέντρωση πόρων εξαρτημάτων ρομπότ στην Κίνα, καλύπτοντας μειωτήρες, ρουλεμάν, αισθητήρες και άλλα βασικά μέρη. Επωφελούμενη από τη συνεχή προώθηση των πολιτικών ανάπτυξης της βιομηχανίας ανθρωποειδών ρομπότ της επαρχίας Zhejiang, η SDM επεκτείνεται σταδιακά από την παροχή ενός συστατικού σε ολοκληρωμένες λύσεις κοινών μονάδων.

Καθώς τα ανθρωποειδή ρομπότ περνούν από το εργαστηριακό στάδιο στην  'εποχή της μαζικής παραγωγής' , ο ανταγωνισμός μεταξύ των προμηθευτών κινητήρων και κωδικοποιητών ανάντη αναβαθμίζεται από 'οικονομική απόδοση' σε μια μάχη διπλής διαδρομής 'απόδοση + αξιοπιστία'. Η SDM, αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα της τοπικής της βιομηχανικής αλυσίδας Hangzhou και τις ικανότητές της που αναπτύσσει μόνος της με κινητήρα και μαγνητικούς κωδικοποιητές, γίνεται μια απαραίτητη δύναμη στην «πηγή ενέργειας» των εγχώριας παραγωγής ανθρωποειδών ρομπότ.