Kuidas roboti raamita pöördemomendimootorid toidavad humanoidroboteid

Võib-olla olete juba näinud lühikesi videoid humanoidrobotitest – laborites tagurdamisest, autotehastes osade kandmisest või isegi inimestega loomulikest vestlustest. Nende näiliselt 'inimlike' toimingute taga peitub põhiline võimaldaja: ühine süsteem. Kui algoritmid on roboti aju ja andurid on meeled, siis Roboti raamita pöördemomendi mootor  on selle lihas, mis määrab, kui kiiresti see suudab joosta, kui raskust see tõstab ja kui stabiilselt kõndida suudab. Täna alustame mitmest peavoolust humanoidrobotite toodetest, et lahkama, kus see 'lihaste' tehnoloogia paistab silma ja kuidas see toetab tööstuslikku ümberkujundamist.

I. Miks on humanoidrobotid raamita pöördemomendimootoritest lahutamatud?

Saame tuttavaks meie peategelasega. Raamita pöördemomendi mootor on ainulaadne olemasolu – sellel pole korpust, võlli ega laagreid. Eemaldades kõik 'pakitud' perifeersed komponendid, säilitab see  ainult staatori ja rootori südamiku , mis on otse roboti ühenduskonstruktsiooni põimitud. Eelised on selged:  väiksem maht, suurem pöördemoment . Humanoidrobotis nõuavad suure pöördemomendiga liigesed nagu puusa-, põlve- ja õlaliigesed äärmiselt suurt võimsustihedust ja kompaktsust; traditsioonilised mootorid võtavad sageli liiga palju ruumi, samas kui raamita pöördemomendi mootorit saab ühendusse integreerida, et saavutada 'mootorliigendi一体化' disain, muutes üldise struktuuri kompaktsemaks ja tõhusamaks.

Selle tähtsust kinnitavad ka andmed. Võtke näiteks Tesla Optimus:  kõik selle 28 täiturmehhanismist kasutavad raamita pöördemomendiga mootorit , mis tõstab esile selle toote põhirolli liigeste käivitamisel.

II. Peavoolu toote konfiguratsiooni analüüs: erinevad liigesed, erinevad 'lihased'

Kui võrrelda mootoreid lihastega, siis nõuded erinevatele kehaosadele on väga erinevad – suured liigesed, nagu õlad ja puusad, vajavad plahvatuslikku jõudu, randmed ja osavad käed vajavad täpset juhtimist ning põlved peavad kandma koormust, säilitades samal ajal stabiilsuse. Tootjad on toote positsioneerimise ja kulukaalutluste põhjal võtnud kasutusele erinevad mootorikombinatsiooni lahendused.

Tesla Optimus: tehnilise võrdlusaluse 'täielik konfiguratsioon'

Tesla Optimusel on hetkel kõige täielikum ja tehniliselt läbipaistvaim ajamite lahendus selles valdkonnas. Selle liigesed jagunevad kolme kategooriasse:

·  Pöördajamid (14 ühikut) : kasutatakse peamiselt suure nurga all pöörlevates liigendites, nagu õlad, puusad, randmed ja talje. Lahendus on 'raamita pöördemomendi mootor + harmooniline reduktor + pöördemomendi andur + topeltkooderid', mis pakub kolme pöördemomendi spetsifikatsiooni:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Lineaarsed ajamid (14 ühikut) : Jaotatud liigendites, millel on piiratud pöördenurk, kuid mis nõuavad suurt tõukejõudu (nt küünarnukid, põlved, pahkluud). Lahendus on 'raamita pöördemomendi mootor + planetaarrullkruvi', mille tõukejõud on  500N, 3900N ja 8000N.

·  Osavad käsiajamid (12 ühikut / mõlemad käed) : kasutab õõnesmootori + miniatuurse mitmeastmelise planetaarkäigukasti + tiguülekande kombinatsiooni. Igal käel on 11 vabadusastet ja see suudab tõsta 9 kg raskust.

Üldiselt kasutab Optimus 180 Nm suure pöördemomendiga ajamit suure koormusega liigeste, nagu puusa ja õla, jaoks ning keskmise/madala pöördemomendiga lahendusi mõõduka koormusega osade jaoks, nagu küünarnukk ja randmeosa, moodustades mõistliku 'lihaste gradiendi'. Kulude seisukohast  moodustab raamita pöördemomendi mootor ligikaudu 14,8% roboti kogumaksumusest , mis teeb sellest planeedirulli kruvi järel kriitiliselt teise komponendi.

Unitree H1/G1: kõrge kulu ja jõudlusega 'isearendatud fraktsioon'

Unitree lähenemine erineb oluliselt Tesla omast – nad eelistavad  peaaegu otseajami arhitektuuri, mis kasutab suure pöördemomenditihedusega mootoreid + madala suhtega planetaarülekandeid , mis tagab väljundvõimsuse, vähendades samal ajal kulusid.

H1  on tööstusliku kvaliteediga suur humanoidrobot, mis on varustatud isearendatud M107 mootoriga, mis suudab pakkuda tipppöördemomenti  360 N·m  (puusaliiges  220 N·m , hüppeliiges  45 N·m ), mille väidetav võimsustihedus on 1,5 korda suurem kui konkurentidel. Liigeste jaotus: 14 alajäseme liigest (pöördemoment vahemikus 45–220 N·m), 14 ülajäseme liigest (pöördemoment ~ 75 N·m) ja 2 torsoliigest.

G1  sihib kodutarbijate stsenaariume: 1,32 m pikk, kaal 35 kg. Standardversioonil on 23 DOF, samas kui EDU versioon pakub 23–43 DOF-i. Selle sääreliigendis on neli-ühes integreeritud moodul 'mootor + kaheastmeline planetaarreduktor + kooder + draiver', mille põlveliigese maksimaalne pöördemoment on  90 N·m  ja käte maksimaalne koormus 2 kg. Unitree on saavutanud üle 90% lokaliseerimismäära, kusjuures mootorid, reduktorid, kontrollerid, kodeerijad ja muud põhikomponendid on kõik ise välja töötatud, võimaldades G1 baasversiooni hinnaga olla kuni 85 000 RMB.

Xiaomi CyberGear: miniatuurne integreeritud 'aktuaar'

Xiaomi CyberGear kasutab täiesti teist teed – see koondab servomootori, harmoonilise reduktori, topeltkodeerijad ja draiveri väikesesse korpusesse, mis kaalub vaid  317 grammi , saavutades 'väikese suuruse, suure integratsiooni'.

Tehnilised parameetrid: CyberGeari mootori maksimaalne pöördemoment on vaid  3 N·m  , kuid see suudab reageerida nii kiiresti kui  20 millisekundit . See sobib kergete stsenaariumide jaoks, nagu lauaarvuti robotkäed ja väikesed robotliigendid. Mootor kasutab musta anodeeritud alumiiniumist korpust parema soojuse hajumise tagamiseks, sisaldab endas välja töötatud temperatuuri tuvastamise süsteemi ja kaitsealgoritme ning standardvarustuses on XT30 pistik ja kiirkinnitus. Seda müüakse Xiaomi veebipoes vaid  499 RMB eest , mistõttu on see algtaseme roboti ühendusmoodulite 'hinnaväravavaht'.

Kuigi selle 3N·m maksimaalne pöördemoment on palju väiksem kui Optimuse ja Unitree suure pöördemomendiga lahendustel, on see vaid 317 grammi kaalu ja 'kiirvabastus + integreeritud' konstruktsiooni arvestades enam kui piisav tarbija stsenaariumide jaoks (kodused väikesed robotid, õpperobotid). See järgib 'piisavalt head' strateegiat, mis võimaldab väikestel ja keskmise suurusega tootjatel mängida robootika valdkonnas.

Zhiyuani robootikaekspeditsioonisari: 'ülima purskejõu' tagaajamine

Zhiyuan Expedition seeria on mootori jõudluses eriti agressiivne. Robot Expedition A2 Max saavutab maksimaalse pöördemomendi  450 N·m , mis on praegu üks suurimaid avalikult kättesaadavaid pöördemomendi näitajaid. Selle enda väljatöötatud PowerFlow mootor kasutab peaaegu otseajami tehnoloogiat – kusagil otseajami ja traditsiooniliste mootorite vahel –, saavutades maksimaalse pöördemomendi üle 350 N·m, kaaludes vaid 1,6 kg, ning see sisaldab ka vedelikjahutussüsteemi, mis tasakaalustab jõu reguleerimise tundlikkust ja pidevat kandevõimet. Praegu on Zhiyuan Chengdus käivitanud tööstusbaasi ning sellised tooted nagu Expedition A3, A2 ja Lingxi X2 on jõudnud masstootmiseni.

Intuitiivse võrdluse huvides on ülaltoodud tavamudelite peamised parameetrid kokku võetud allolevas tabelis.

Ülaltoodud tabelist on selge, et roboti raamita pöördemomendi mootorid on muutunud peaaegu standardseks suure koormusega stsenaariumides, nagu puusa-, põlve- ja õlaliigesed, samas kui käte otsas kasutatakse täpsemaid õõnestassi mootoreid – ainsad erinevused seisnevad  mootori tüübi ja jõudlusparameetrite kombinatsioonis . Suund on ühtlane.

III. Mootorite ja täielike robotite 'kaardistamine'.

Millised mootoritootjad toetavad neid tuntud humanoidroboteid? Masstootmise hoogustumisel seovad mitmed kodumaised ja rahvusvahelised tarnijad end sügavalt täielike robotitootjatega, kes hõivavad võtmepositsioonid.

·  Tesla tarneahel : Innovance Technology omab juhtivat positsiooni ajami juhtimisega integreeritud liigendites ning Leadshine'i liikumisjuhtimistooted on samuti sisenenud Tesla tarneahelasse. Lisaks on Wolong Electric Drive'i raamita pöördemomendiga mootorid edukalt sisenenud kodumaiste peavoolurobotite, nagu Unitree ja Zhiyuan, tarneahelatesse, sidudes kaudselt Teslaga, omamaise turuosaga umbes 25%.

·  Unitree  on ülikõrge lokaliseerimismääraga mängija; selle mootorid, ajamiplaadid ja liikumisjuhtimisalgoritmid on suures osas ise välja töötatud. Tarneahela vaatenurgast tarnivad Unitreed muu hulgas Leaderdrive'i harmoonilised reduktorid ja Haozhi Electromechanicali raamita pöördemomendi mootorid.

·  Xiaomi CyberGeari  mootor ei sõltu välistest mootoritarnijatest, kuid lammutused näitavad, et see integreerib ams OSRAMi magnetkodeerija ja GigaDevice'i peamise juhtseadme MCU. Samal ajal tarnib Inovance Technology ka Xiaomit.

·  Zhiyuanil  on mitmed tarnijad sellega sügavalt seotud. Wolong Electric Drive pole mitte ainult sisenenud Zhiyuani tarneahelasse kahekordse sidumise kaudu 'tööstus + kapital', vaid omab kaudselt ka Zhiyuani aktsiaid. Teised kodumaised liidrid, kes tarnivad servosüsteeme ja raamita pöördemomendi mootoreid, on Innovance Technology, STEP Electric ja Veichi Electric.

Üldiselt  on raamita pöördemomendi mootori väli tunnistajaks lokaliseerumise kiirenemisele . Tipptasemel turul on rahvusvahelised kaubamärgid, nagu Kollmorgen ja MOOG, endiselt tehnoloogilisel tipptasemel, kuid masstootmise, kulude kontrolli ja kohandatud teenuste osas tõusevad kiiresti kodumaised tegijad, nagu Innovance, Wolong ja STEP.

IV. Kõrgema taseme 'lihaste' nõuded: kodeerijad ja ülitäpsed liigendid

Mootorid lahendavad väljundvõimsuse probleemi, kuid piisavalt täpse liigendi positsioneerimise, peene jõu tagasiside ja sujuva liikumise juhtimise saavutamiseks on vaja veel ühte võtmekomponenti - kodeerijat  ..

Kodeerija toimib roboti 'närvisüsteemina', vastutab asukoha, kiiruse ja nurga teabe reaalajas tagasiside eest. Humanoidrobotites on  kahe kodeerija  lahendus muutunud peavooluks: üks kooder paigaldatakse mootori, teine ​​väljundi poolele ning nende vahelist nurkade erinevust võrreldakse kalibreerimismomendi ja asendiga. Suure koormusega liigestes (nt puusa- ja põlveliiges) määrab kodeerija, kui täpselt suudab robot kõnnakut ja jõudu juhtida; peenkäetoimingutes on kodeerija täpsus millimeetrites mõõdetav kriitiline muutuja.

V. SDM: tärkav täht kodumaiste robotite raamita pöördemomendimootorite ja magnetkodeerijate alal

Kiireneva lokaliseerimise taustal astub Hangzhou ettevõte – SDM – järk-järgult humanoidrobotite tööstuse keti tuuma oma kaherattalise tootemaatriksiga 'robotite raamita pöördemomendimootorid + magnetkodeerijad'.

SDM-i erinevad eelised raamita pöördemomendiga mootorites kajastuvad peamiselt kolmes aspektis:

1. Täielikult ise välja töötatud mootori projekteerimise võimalus . SDM-i raamita pöördemomendi mootorid toetavad kiiret reageerimist ja reaalajas pöördemomendi suletud ahela juhtimist, kasutades lennunduskvaliteediga sulamimaterjale ja suure magnetenergiaga tootemagneteid, parandades oluliselt pöördemomendi tihedust ja löögikindlust. Erinevate roboti liigeste (puus/põlv/õlg) erinevatele vajadustele keskendudes on SDM turule toonud mitu mootoritootesarja tipppöördemomendiga 50 Nm kuni üle 200 Nm, mis on paindlikult kohanduvad rakendustega alates kergetest kommertsteenustest kuni tööstuslike raskete koormusteni.

2. Magnetkodeerijate põhitehnoloogia . SDM-i enda väljatöötatud mitme pöördega absoluutsed magnetkodeerijad ja ühe pöördega magnetkodeerijad vastavad täpsuse, stabiilsuse ja häiretevastase võimekuse poolest rahvusvahelistele tavalahendustele. Kasutades ülitäpseid magnetresistiivseid andureid ja mitmepooluselist magnetrõnga tehnoloogiat, saavutavad SDM-i magnetkodeerijad positsioonilise eraldusvõime parema kui 18 biti, optimeerides samal ajal märkimisväärselt vibratsioonivastaseid ja kõrge/madala temperatuuri omadusi. See 'mootor + kodeerija' integreeritud võimalus võimaldab täielikel robotitootjatel valida  ühest kohast ühisajami lahendusi , parandades oluliselt arenduse tõhusust ja süsteemi integreerimist.

3. Juurdunud 'Hangzhou Six Little Dragonsi' tööstusklastrisse . SDM asub Hangzhous ja Jangtse jõe delta piirkonnas, kus on Hiina kõige tihedam robotikomponentide ressursside kontsentratsioon, mis hõlmab reduktoreid, laagreid, andureid ja muid olulisi osi. Zhejiangi provintsi humanoidrobotite tööstuse arenduspoliitika pidevast edendamisest kasu saades laieneb SDM järk-järgult ühekomponendilisest tarnimisest terviklike ühismoodulilahendusteni.

Kui humanoidrobotid liiguvad laborifaasist  'masstootmise ajastusse' , on ülesvoolu mootorite ja kodeerijate tarnijate vaheline konkurents tõusmas 'kulutõhususest' kaherajaliseks võitluseks 'jõudlus + töökindlus'. SDM, mis kasutab ära oma kohaliku Hangzhou tööstusketi eeliseid ning oma väljatöötatud mootori ja magnetkodeerija võimalusi, on muutumas kodumaiste humanoidrobotite 'toiteallika' asendamatuks jõuks.