Cómo los motores de torsión sin marco impulsan a los robots humanoides

Es posible que ya hayas visto vídeos cortos de robots humanoides: haciendo volteretas hacia atrás en laboratorios, transportando piezas en fábricas de automóviles o incluso manteniendo conversaciones naturales con personas. Detrás de estas acciones aparentemente 'humanas' se esconde un facilitador central: el sistema conjunto. Si los algoritmos son el cerebro del robot y los sensores sus sentidos, entonces el El motor de torsión sin marco del robot  es su músculo: determina qué tan rápido puede correr, qué tan pesado puede levantar y qué tan estable puede caminar. Hoy, comenzaremos con varios productos de robots humanoides convencionales para analizar dónde sobresale esta tecnología 'músculo' y cómo respalda una transformación industrial.

I. ¿Por qué los robots humanoides son inseparables de los motores de torsión sin marco para robots?

Conozcamos a nuestro protagonista. Un motor de torsión sin marco es una existencia única: no tiene carcasa, eje ni cojinetes. Al eliminar todos los componentes periféricos 'empaquetados', se conserva  sólo el núcleo del estator y del rotor , que están directamente integrados en la estructura conjunta del robot. Los beneficios son sencillos:  menor volumen, mayor par . En un robot humanoide, las articulaciones de alto torque, como la cadera, la rodilla y el hombro, exigen una densidad de potencia y una compacidad extremadamente altas; Los motores tradicionales a menudo ocupan demasiado espacio, mientras que se puede integrar un motor de torsión sin marco dentro de la junta para lograr un diseño de 'junta de motor', lo que hace que la estructura general sea más compacta y eficiente.

Los datos también confirman su importancia. Tomemos como ejemplo el Tesla Optimus:  cada uno de sus 28 actuadores utiliza un motor de torsión sin marco , lo que destaca el papel central de este producto en el accionamiento de articulaciones.

II. Análisis de configuración de productos convencionales: diferentes articulaciones, diferentes 'músculos'

Si comparamos los motores con los músculos, los requisitos para las diferentes partes del cuerpo varían mucho: las articulaciones grandes, como los hombros y las caderas, necesitan potencia explosiva, las muñecas y las manos diestras necesitan un control preciso y las rodillas deben soportar la carga manteniendo la estabilidad. Los fabricantes, basándose en el posicionamiento del producto y en consideraciones de costos, han adoptado diferentes soluciones de combinación de motores.

Tesla Optimus: la 'configuración de pila completa' de un punto de referencia técnico

Tesla Optimus cuenta actualmente con la solución de actuador más completa y técnicamente transparente de la industria. Sus articulaciones se dividen en tres categorías:

·  Actuadores rotativos (14 unidades) : Se utilizan principalmente en articulaciones rotacionales de gran ángulo como hombros, caderas, muñecas y cintura. La solución es 'motor de torsión sin marco + reductor de armónicos + sensor de torsión + codificadores duales', que ofrece tres especificaciones de torsión:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm..

·  Actuadores lineales (14 unidades) : Distribuidos en articulaciones con ángulo de giro limitado pero que requieren un gran empuje (p. ej., codos, rodillas, tobillos). La solución es 'motor de torsión sin marco + tornillo de rodillo planetario', con especificaciones de empuje de  500 N, 3900 N y 8000 N..

·  Actuadores manuales diestros (12 unidades/ambas manos) : utiliza una combinación de motor de copa hueca + caja de cambios planetaria multietapa en miniatura + engranaje helicoidal. Cada mano tiene 11 grados de libertad y puede levantar una carga de 9 kg.

En general, Optimus utiliza el actuador de alto par de 180 Nm para articulaciones con carga pesada, como la cadera y el hombro, y soluciones de par medio/bajo para partes de carga moderada, como el codo y la muñeca, formando un 'gradiente muscular' razonable. Desde una perspectiva de costos,  el motor de torsión sin marco representa aproximadamente el 14,8% del costo total del robot , lo que lo convierte en el segundo componente más crítico después del tornillo de rodillo planetario.

Unitree H1/G1: 'Facción autodesarrollada' de alto costo-rendimiento

El enfoque de Unitree es significativamente diferente del de Tesla: prefieren una  arquitectura de accionamiento casi directo que utiliza motores de alta densidad de par + engranajes planetarios de baja relación , lo que garantiza la producción de energía y al mismo tiempo reduce los costos.

H1  se posiciona como un gran robot humanoide de grado industrial, equipado con un motor M107 de desarrollo propio que puede entregar un par máximo de  360 ​​N·m  (articulación de la cadera  220 N·m , articulación del tobillo  45 N·m ), con una densidad de potencia declarada 1,5 veces mayor que la de los competidores. Distribución de las articulaciones: 14 articulaciones de las extremidades inferiores (torque entre 45 y 220 N·m), 14 articulaciones de las extremidades superiores (torque ~75 N·m) y 2 articulaciones del torso.

G1  está dirigido a escenarios de consumo doméstico: 1,32 m de altura y 35 kg de peso. La versión estándar tiene 23 DOF, mientras que la versión EDU ofrece entre 23 y 43 DOF. La articulación de la parte inferior de la pierna utiliza un módulo integrado cuatro en uno 'motor + reductor planetario de dos etapas + codificador + controlador', con un torque máximo en la articulación de la rodilla de  90 N·m  y una carga máxima en el brazo de 2 kg. En particular, Unitree ha logrado una tasa de localización de más del 90%, con motores, reductores, controladores, codificadores y otros componentes centrales de desarrollo propio, lo que permite que la versión base del G1 tenga un precio tan bajo como 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: el 'actuario' integrado miniaturizado

CyberGear de Xiaomi toma una ruta completamente diferente: incluye un servomotor, un reductor de armónicos, codificadores duales y un controlador en un cuerpo diminuto que pesa sólo  317 gramos , logrando 'tamaño pequeño, gran integración'.

Parámetros técnicos: el motor CyberGear tiene un par máximo de sólo  3 N·m  pero puede responder en tan solo  20 milisegundos . Es adecuado para escenarios livianos, como brazos robóticos de escritorio y articulaciones de robots pequeños. El motor utiliza una carcasa de aluminio anodizado negro para una mejor disipación del calor, incorpora un sistema de detección de temperatura y algoritmos de protección de desarrollo propio y viene de serie con un conector XT30 y un diseño de liberación rápida. Se vende en la tienda en línea de Xiaomi por solo  499 RMB , lo que lo convierte en el 'controlador de precios' para los módulos de articulación robótica de nivel básico.

Aunque su par máximo de 3 N·m es muy inferior al de las soluciones de gran par de Optimus y Unitree, teniendo en cuenta su peso de sólo 317 gramos y su diseño de 'liberación rápida + integrado', es más que adecuado para escenarios de consumo (pequeños robots domésticos, robots educativos). Sigue una estrategia 'suficientemente buena': permitir que los pequeños y medianos fabricantes también jueguen en el espacio de la robótica.

Serie de expediciones de robótica Zhiyuan: en busca del 'poder explosivo definitivo'

La serie Zhiyuan Expedition es particularmente agresiva en el rendimiento del motor. El robot Expedition A2 Max ofrece un par articular máximo de  450 N·m , actualmente una de las cifras de par articular más altas disponibles públicamente. Su motor PowerFlow de desarrollo propio adopta una tecnología de accionamiento casi directo, en algún lugar entre el accionamiento directo y los motores tradicionales, y ofrece un par máximo superior a 350 N·m con un peso de solo 1,6 kg, y también incorpora un sistema de refrigeración líquida, que equilibra la sensibilidad del control de fuerza y ​​la capacidad de carga continua. Actualmente, Zhiyuan ha puesto en marcha una base industrial en Chengdu y productos como Expedition A3, A2 y Lingxi X2 han alcanzado la producción en masa.

Para una comparación intuitiva, los parámetros clave de los modelos principales anteriores se resumen en la siguiente tabla:

De la tabla anterior, queda claro que los motores de torsión sin marco para robots se han convertido casi en estándar en escenarios de carga pesada, como las articulaciones de la cadera, la rodilla y el hombro, mientras que se utilizan motores de copa hueca más precisos en los extremos de las manos; las únicas diferencias radican en la  combinación del tipo de motor y los parámetros de rendimiento . La dirección es consistente.

III. El 'mapeo' entre motores y robots completos

Entonces, ¿qué fabricantes de motores ascendentes respaldan estos conocidos productos de robots humanoides? A medida que aumenta la producción en masa, varios proveedores nacionales e internacionales se están vinculando profundamente con los fabricantes de robots completos, ocupando posiciones clave.

·  Cadena de suministro de Tesla : Inovance Technology ocupa una posición de liderazgo en juntas integradas de control de transmisión, y los productos de control de movimiento de Leadshine también han ingresado a la cadena de suministro de Tesla. Además, los motores de torsión sin marco de Wolong Electric Drive han entrado con éxito en las cadenas de suministro de los principales robots nacionales, como Unitree y Zhiyuan, vinculándose indirectamente con Tesla, con una cuota de mercado nacional de alrededor del 25%.

·  Unitree  es un actor con una tasa de localización extremadamente alta; sus motores, tableros de transmisión y algoritmos de control de movimiento son en gran medida de desarrollo propio. Desde la perspectiva de la cadena de suministro, los reductores armónicos de Leaderdrive y los motores de torsión sin marco de Haozhi Electromechanical, entre otros, suministran a Unitree.

· El motor  CyberGear de Xiaomi  no depende de proveedores de motores externos, pero los desmontajes revelan que integra el codificador magnético de OSRAM y la MCU de control principal de GigaDevice. Mientras tanto, Inovance Technology también suministra a Xiaomi.

·  Zhiyuan  tiene varios proveedores profundamente vinculados a ella. Wolong Electric Drive no sólo ha entrado en la cadena de suministro de Zhiyuan a través de una doble vinculación 'industria + capital', sino que también posee indirectamente acciones en Zhiyuan. Otros líderes nacionales que suministran servosistemas y motores de torsión sin marco incluyen Inovance Technology, STEP Electric y Veichi Electric.

En general,  el campo de los motores torque sin marco está experimentando una aceleración de la localización . En el mercado de alta gama, marcas internacionales como Kollmorgen y MOOG todavía ocupan la posición tecnológica superior, pero en términos de producción en masa, control de costos y servicios personalizados, actores nacionales como Inovance, Wolong y STEP están creciendo rápidamente.

IV. Requisitos 'músculos' de nivel superior: codificadores y articulaciones de alta precisión

Los motores resuelven el problema de la potencia de salida, pero para lograr un posicionamiento de las articulaciones suficientemente preciso, una retroalimentación de fuerza fina y un control de movimiento suave, se requiere otro componente clave: el  codificador..

El codificador actúa como el 'sistema nervioso' del robot, responsable de la retroalimentación en tiempo real de la información de posición, velocidad y ángulo. En los robots humanoides, la solución  de codificador dual  se ha vuelto común: un codificador se instala en el lado del motor, el otro en el lado de salida, y la diferencia angular entre ellos se compara para calibrar el par y la posición. En articulaciones con cargas pesadas (como la cadera y la rodilla), el codificador determina con qué precisión el robot puede controlar la marcha y la fuerza; En operaciones manuales finas, la precisión del codificador es una variable crítica medida en milímetros.

V. SDM: una estrella emergente en codificadores magnéticos y motores de torsión sin marco para robots domésticos

En un contexto de aceleración de la localización, una empresa de Hangzhou, SDM , está entrando gradualmente en el núcleo de la cadena industrial de robots humanoides con su matriz de productos de doble rueda de 'motores de torsión sin marco para robots + codificadores magnéticos'.

Las ventajas diferenciadas de SDM en motores torque sin marco se reflejan principalmente en tres aspectos:

1. Capacidad de diseño de motores totalmente autodesarrollada . Los motores de torsión sin marco de SDM admiten una respuesta de alta velocidad y un control de circuito cerrado de torsión en tiempo real, utilizando materiales de aleación de calidad aeronáutica e imanes de productos de alta energía magnética, lo que mejora significativamente la densidad de torsión y la resistencia al impacto. Dirigido a las necesidades diferenciadas de diversas articulaciones de robots (cadera/rodilla/hombro), SDM ha lanzado múltiples líneas de productos de motores con un par máximo que abarca de 50 Nm a más de 200 Nm, adaptándose de manera flexible a aplicaciones que van desde servicios comerciales livianos hasta cargas industriales pesadas.

2. Tecnología central en codificadores magnéticos . Los codificadores magnéticos absolutos de múltiples vueltas y los codificadores magnéticos de una sola vuelta de desarrollo propio de SDM coinciden con las principales soluciones internacionales en precisión, estabilidad y capacidad antiinterferencias. Utilizando sensores magnetorresistivos de alta precisión y tecnología de anillo magnético multipolar, los codificadores magnéticos de SDM logran una resolución posicional mejor que 18 bits, al tiempo que optimizan significativamente las características antivibración y de temperatura alta/baja. Esta capacidad integrada de 'motor + codificador' permite a los fabricantes de robots completos lograr  una selección integral de soluciones de accionamiento conjunto , lo que mejora en gran medida la eficiencia del desarrollo y la integración del sistema.

3. Arraigado en el grupo industrial 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM está ubicado en Hangzhou y la región del delta del río Yangtze, que alberga la concentración más densa de recursos de componentes robóticos de China, que abarcan reductores, rodamientos, sensores y otras piezas clave. Beneficiándose de la promoción continua de las políticas de desarrollo de la industria de robots humanoides de la provincia de Zhejiang, SDM se está extendiendo gradualmente desde el suministro de un solo componente hasta soluciones completas de módulos conjuntos.

A medida que los robots humanoides pasan de la etapa de laboratorio a la  'era de producción en masa' , la competencia entre los proveedores de motores y codificadores está pasando de la 'rentabilidad' a una batalla de doble vía de 'rendimiento + confiabilidad'. SDM, aprovechando las ventajas de su cadena industrial local de Hangzhou y sus capacidades de motor y codificador magnético de desarrollo propio, se está convirtiendo en una fuerza indispensable en la 'fuente de energía' de los robots humanoides producidos en el país.