چگونه موتورهای گشتاور ربات بدون قاب به ربات های انسان نما نیرو می دهند

ممکن است قبلاً ویدیوهای کوتاهی از روبات‌های انسان‌نما دیده باشید، که در آزمایشگاه‌ها به عقب برمی‌گردند، قطعات را در کارخانه‌های خودرو حمل می‌کنند، یا حتی مکالمه‌ای طبیعی با مردم دارند. در پس این اقدامات به ظاهر «شبیه انسان» یک عامل اصلی نهفته است: سیستم مشترک. اگر الگوریتم‌ها مغز ربات و حسگرها حواس آن هستند، پس موتور گشتاور ربات بدون قاب  عضله آن است که تعیین می کند با چه سرعتی می تواند بدود، چقدر سنگین می تواند بلند کند و چقدر پایدار می تواند راه برود. امروز، ما از چندین محصول اصلی روبات انسان‌نما شروع می‌کنیم تا ببینیم این فناوری «عضله» در کجا برتر است و چگونه از تحول صنعتی پشتیبانی می‌کند.

I. چرا ربات های انسان نما از موتورهای گشتاور بدون قاب ربات جدا نیستند؟

بیایید با قهرمان خود آشنا شویم. یک موتور گشتاور بدون قاب یک موجود منحصر به فرد است - بدون محفظه، بدون شفت، بدون یاتاقان. با حذف تمام اجزای محیطی 'بسته بندی شده'،  فقط هسته استاتور و روتور را که مستقیماً در ساختار مشترک ربات جاسازی شده اند، حفظ می کند. مزایای آن ساده است:  حجم کمتر، گشتاور بیشتر . در یک ربات انسان نما، مفاصل با گشتاور بزرگ مانند لگن، زانو و شانه به چگالی توان و فشردگی بسیار بالایی نیاز دارند. موتورهای سنتی اغلب فضای زیادی را اشغال می‌کنند، در حالی که یک موتور گشتاور بدون قاب را می‌توان در داخل مفصل ادغام کرد تا به طراحی «مفصل موتور» دست یابد و ساختار کلی را فشرده‌تر و کارآمدتر کند.

داده ها نیز اهمیت آن را تایید می کنند. تسلا اپتیموس را به عنوان مثال در نظر بگیرید:  هر یک از 28 محرک آن از یک موتور گشتاور بدون قاب استفاده می کند که نقش اصلی این محصول را در تحریک مشترک برجسته می کند.

II. تجزیه و تحلیل پیکربندی محصول اصلی: مفاصل مختلف، 'عضلات' متفاوت

اگر موتورها را با ماهیچه‌ها مقایسه کنیم، الزامات لازم برای قسمت‌های مختلف بدن بسیار متفاوت است - مفاصل بزرگ مانند شانه‌ها و باسن به نیروی انفجاری نیاز دارند، مچ‌ها و دست‌های ماهرانه نیاز به کنترل دقیق دارند، و زانوها نیاز به تحمل بار در عین حفظ ثبات دارند. تولیدکنندگان بر اساس موقعیت‌یابی محصول و ملاحظات هزینه، راه‌حل‌های مختلف ترکیب موتور را اتخاذ کرده‌اند.

Tesla Optimus: 'پیکربندی تمام پشته' یک معیار فنی

تسلا اپتیموس در حال حاضر کامل ترین و شفاف ترین راه حل محرک را در صنعت دارد. مفاصل آن به سه دسته تقسیم می شوند:

·  محرک های چرخشی (14 واحد) : عمدتاً در مفاصل چرخشی با زاویه بزرگ مانند شانه ها، باسن، مچ دست و کمر استفاده می شود. راه حل 'موتور گشتاور بدون قاب + کاهنده هارمونیک + سنسور گشتاور + رمزگذار دوگانه' است که سه مشخصات گشتاور را ارائه می دهد:  20 نیوتن متر، 110 نیوتن متر، 180 نیوتن متر.

·  محرک های خطی (14 واحد) : در مفاصل با زاویه نوسان محدود اما نیاز به رانش زیاد دارند (مانند آرنج، زانو، مچ پا). راه حل 'موتور گشتاور بدون قاب + پیچ غلتکی سیاره ای' است، با مشخصات رانش  500N، 3900N و 8000N.

·  محرک های دستی ماهرانه (12 واحد / هر دو دست) : از ترکیب موتور فنجان توخالی + گیربکس سیاره ای چند مرحله ای مینیاتوری + چرخ دنده کرم استفاده می کند. هر دست 11 درجه آزادی دارد و می تواند بار 9 کیلوگرمی را بلند کند.

به طور کلی، Optimus از محرک 180 نیوتن متری با گشتاور بالا برای مفاصل با بار سنگین مانند لگن و شانه، و راه حل های گشتاور متوسط/کم برای قطعات با بار متوسط ​​مانند آرنج و مچ دست استفاده می کند که یک 'شیب عضلانی' معقول را تشکیل می دهد. از منظر هزینه،  موتور گشتاور بدون قاب تقریباً 14.8٪ از کل هزینه ربات را به خود اختصاص می دهد و آن را به دومین جزء مهم بعد از پیچ غلتکی سیاره ای تبدیل می کند.

Unitree H1/G1: با کارایی بالا 'جناح خود توسعه یافته'

رویکرد Unitree به طور قابل توجهی با تسلا متفاوت است - آنها  معماری نیمه مستقیم درایو را با استفاده از موتورهای با چگالی گشتاور بالا + چرخ دنده‌های سیاره‌ای با نسبت کم ترجیح می‌دهند ، که خروجی توان را در عین کاهش هزینه تضمین می‌کند.

H1  به عنوان یک ربات انسان نما بزرگ درجه صنعتی، مجهز به موتور M107 خود توسعه یافته است که می تواند حداکثر گشتاور  360N·m  (مفصل لگن  220N·m ، مفصل مچ پا  45N·m ) با چگالی توان ادعایی 1.5 برابر بیشتر از رقبا ارائه دهد. توزیع مفصل: 14 مفصل اندام تحتانی (گشتاور محدوده 45-220N·m)، 14 مفصل اندام فوقانی (گشتاور ~75N·m) و 2 مفصل بالاتنه.

G1  سناریوهای مصرف کننده خانگی را هدف قرار می دهد: قد 1.32 متر، وزن 35 کیلوگرم. نسخه استاندارد دارای 23 DOF است، در حالی که نسخه EDU دارای 23-43 DOF است. مفصل ساق پا از یک ماژول یکپارچه چهار در یک 'موتور + کاهنده سیاره ای دو مرحله ای + رمزگذار + راننده' با حداکثر گشتاور مفصل زانو  90 نیوتن متر  و حداکثر بار بازو 2 کیلوگرم استفاده می کند. قابل ذکر است که Unitree به نرخ بومی سازی بیش از 90 درصد دست یافته است، موتورها، کاهنده ها، کنترلرها، رمزگذارها و سایر اجزای اصلی که همگی خودشان توسعه یافته اند، به نسخه پایه G1 اجازه می دهد تا قیمتی کمتر از 85000 RMB داشته باشد.

Xiaomi CyberGear: 'Actuary' یکپارچه کوچک شده

CyberGear شیائومی مسیر کاملاً متفاوتی را طی می‌کند - موتور سروو، کاهنده هارمونیک، رمزگذارهای دوگانه و یک درایور را در بدنه کوچکی با وزن تنها  317 گرم قرار می‌دهد و به «اندازه کوچک، یکپارچگی بزرگ» دست می‌یابد.

پارامترهای فنی: موتور CyberGear دارای حداکثر گشتاور تنها  3N·m است  اما می تواند به سرعت  20 میلی ثانیه پاسخ دهد . این برای سناریوهای سبک وزن مانند بازوهای رومیزی رومیزی و مفاصل ربات های کوچک مناسب است. این موتور از یک محفظه آلومینیومی آنودایز شده مشکی برای اتلاف گرما بهتر استفاده می کند، دارای سیستم تشخیص دما و الگوریتم های حفاظتی است که به صورت استاندارد با کانکتور XT30 و طراحی آزادسازی سریع ارائه می شود. در فروشگاه آنلاین شیائومی تنها با  499 یوان فروخته می‌شود که آن را به «دروازه‌بان قیمت» برای ماژول‌های مشترک ربات سطح پایه تبدیل می‌کند.

اگرچه حداکثر گشتاور 3 نیوتن متر آن بسیار کمتر از راه حل های گشتاور بزرگ Optimus و Unitree است، اما با توجه به وزن تنها 317 گرم و طراحی «رهاسازی سریع + یکپارچه» آن، برای سناریوهای مصرف کننده (ربات های کوچک خانگی، ربات های آموزشی) بیش از حد کافی است. این یک استراتژی 'به اندازه کافی خوب' را دنبال می کند - به تولیدکنندگان کوچک و متوسط ​​امکان می دهد در فضای رباتیک نیز بازی کنند.

سری اکسپدیشن رباتیک Zhiyuan: به دنبال 'قدرت انفجاری نهایی'

سری Zhiyuan Expedition در عملکرد موتور بسیار تهاجمی است. ربات Expedition A2 Max حداکثر گشتاور مشترک  450 نیوتن متر را ارائه می دهد که در حال حاضر یکی از بالاترین ارقام گشتاور مشترک در دسترس عموم است. موتور PowerFlow خود توسعه یافته آن از یک مسیر فناوری درایو شبه مستقیم - جایی بین درایو مستقیم و موتورهای سنتی - با حداکثر گشتاور بیش از 350 نیوتن متر در حالی که تنها 1.6 کیلوگرم وزن دارد، استفاده می کند، و همچنین دارای یک سیستم خنک کننده مایع، حساسیت کنترل نیرو متعادل کننده و ظرفیت بار مداوم است. در حال حاضر، Zhiyuan یک پایگاه صنعتی در چنگدو راه اندازی کرده است و محصولاتی مانند Expedition A3، A2 و Lingxi X2 به تولید انبوه دست یافته اند.

برای مقایسه شهودی، پارامترهای کلیدی مدل های اصلی بالا در جدول زیر خلاصه شده است:

از جدول بالا، واضح است که موتورهای گشتاور بدون قاب ربات در حالات بارهای سنگین مانند مفاصل لگن، زانو و شانه تقریباً استاندارد شده‌اند، در حالی که موتورهای فنجانی توخالی دقیق‌تری در انتهای دست‌ها استفاده می‌شوند - تنها تفاوت‌ها در ترکیب  نوع موتور و پارامترهای عملکرد نهفته است . جهت منسجم است.

III. 'نقشه برداری' بین موتورها و ربات های کامل

بنابراین کدام تولیدکنندگان موتورهای بالادستی از این محصولات شناخته شده ربات انسان نما پشتیبانی می کنند؟ با افزایش تولید انبوه، تعدادی از تامین کنندگان داخلی و بین المللی عمیقاً خود را به تولید کنندگان کامل ربات ها متعهد می کنند و موقعیت های کلیدی را اشغال می کنند.

·  زنجیره تامین تسلا : فناوری نوآوری جایگاه پیشرو در اتصالات یکپارچه کنترل درایو دارد و محصولات کنترل حرکت Leadshine نیز وارد زنجیره تامین تسلا شده اند. علاوه بر این، موتورهای گشتاور بدون قاب Wolong Electric Drive با موفقیت وارد زنجیره تامین ربات های اصلی داخلی مانند Unitree و Zhiyuan شده اند و به طور غیرمستقیم به تسلا متصل شده اند، با سهم بازار داخلی حدود 25%.

·  Unitree  بازیکنی با نرخ محلی سازی بسیار بالا است. موتورها، بردهای درایو و الگوریتم های کنترل حرکت آن تا حد زیادی خود توسعه یافته اند. از منظر زنجیره تامین، کاهنده های هارمونیک Leaderdrive و موتورهای گشتاور بدون قاب Haozhi Electromechanical، از جمله، Unitree را عرضه می کنند.

· موتور  CyberGear شیائومی  به تامین کنندگان موتور خارجی متکی نیست، اما خرابی ها نشان می دهد که رمزگذار مغناطیسی ams OSRAM و MCU کنترل اصلی GigaDevice را یکپارچه می کند. در همین حال، فناوری Innovance نیز شیائومی را تامین می کند.

·  Zhiyuan  تعدادی تامین کننده دارد که عمیقاً با آن مرتبط هستند. Wolong Electric Drive نه تنها از طریق اتصال دوگانه 'صنعت + سرمایه' وارد زنجیره تامین Zhiyuan شده است، بلکه به طور غیرمستقیم سهام Zhiyuan را نیز در اختیار دارد. دیگر رهبران داخلی که سیستم‌های سروو و موتورهای گشتاور بدون قاب را تامین می‌کنند عبارتند از Innovance Technology، STEP Electric و Veichi Electric.

به طور کلی،  میدان موتور گشتاور بدون قاب شاهد شتاب محلی سازی است . در بازار گران‌قیمت، برندهای بین‌المللی مانند Kollmorgen و MOOG هنوز جایگاه بالایی در فناوری را اشغال می‌کنند، اما از نظر تولید انبوه، کنترل هزینه و خدمات سفارشی، بازیگران داخلی مانند Innovance، Wolong و STEP به سرعت در حال رشد هستند.

IV. الزامات سطح بالاتر 'عضله': رمزگذارها و مفاصل با دقت بالا

موتورها مشکل خروجی توان را حل می کنند، اما برای دستیابی به موقعیت مفصل به اندازه کافی دقیق، بازخورد نیروی ریز و کنترل حرکت صاف، یک جزء کلیدی دیگر مورد نیاز است -  رمزگذار.

رمزگذار به عنوان 'سیستم عصبی' ربات، مسئول بازخورد لحظه ای اطلاعات موقعیت، سرعت و زاویه عمل می کند. در روبات‌های انسان‌نما، راه‌حل  رمزگذار دوگانه  به جریان اصلی تبدیل شده است: یک رمزگذار در سمت موتور، دیگری در سمت خروجی نصب می‌شود، و تفاوت زاویه‌ای بین آنها با گشتاور و موقعیت کالیبره مقایسه می‌شود. در مفاصل با بار سنگین (مانند لگن و زانو)، رمزگذار تعیین می‌کند که ربات تا چه حد می‌تواند راه رفتن و نیرو را کنترل کند. در عملیات دست خوب، دقت رمزگذار یک متغیر مهم است که در میلی متر اندازه گیری می شود.

V. SDM: ستاره نوظهور در موتورهای گشتاور بدون قاب ربات داخلی و رمزگذارهای مغناطیسی

در پس زمینه شتاب بخشیدن به بومی سازی، شرکتی از هانگژو – SDM – با ماتریس محصول دوچرخ خود از 'موتورهای گشتاور بدون قاب ربات + رمزگذارهای مغناطیسی' به تدریج وارد هسته زنجیره صنعت ربات های انسان نما می شود.

مزایای متمایز SDM در موتورهای گشتاور بدون قاب عمدتاً در سه جنبه منعکس می شود:

1. قابلیت طراحی موتور کاملاً خود توسعه یافته . موتورهای گشتاور بدون قاب SDM با استفاده از مواد آلیاژی درجه هوا و آهنرباهای محصول با انرژی مغناطیسی بالا از پاسخ با سرعت بالا و کنترل حلقه بسته گشتاور در زمان واقعی پشتیبانی می کنند و چگالی گشتاور و مقاومت در برابر ضربه را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند. SDM با هدف قرار دادن نیازهای متمایز مفاصل ربات های مختلف (لگن/زانو/شانه)، خطوط تولید موتورهای متعددی را با حداکثر گشتاوری که 50 نیوتن متر تا بیش از 200 نیوتن متر را پوشش می دهد راه اندازی کرده است و به طور انعطاف پذیری با کاربردهای مختلف از خدمات تجاری سبک تا بارهای سنگین صنعتی سازگار است.

2. فناوری هسته در رمزگذارهای مغناطیسی . رمزگذارهای مغناطیسی مطلق چند چرخشی و رمزگذارهای مغناطیسی تک دور خود توسعه یافته SDM با راه حل های اصلی بین المللی در دقت، پایداری و قابلیت ضد تداخل مطابقت دارند. با استفاده از سنسورهای مغناطیسی مقاومتی با دقت بالا و فناوری حلقه مغناطیسی چند قطبی، رمزگذارهای مغناطیسی SDM به وضوح موقعیتی بهتر از 18 بیت می‌رسند، در حالی که به طور قابل توجهی ویژگی‌های ضد لرزش و دمای بالا/پایین را بهینه می‌کنند. این قابلیت یکپارچه 'موتور + رمزگذار' به تولیدکنندگان کامل ربات اجازه می دهد تا  به انتخاب راه حل درایو مشترک یک مرحله ای دست یابند که کارایی توسعه و یکپارچگی سیستم را تا حد زیادی بهبود می بخشد.

3. ریشه در خوشه صنعتی 'Hangzhou Six Little Dragons' دارد . SDM در هانگژو و منطقه دلتای رودخانه یانگ تسه واقع شده است، که میزبان متراکم ترین منابع اجزای ربات چین است که کاهنده ها، یاتاقان ها، حسگرها و سایر بخش های کلیدی را پوشش می دهد. با بهره مندی از ارتقای مستمر سیاست های توسعه صنعت ربات های انسان نما در استان ژجیانگ، SDM به تدریج از عرضه تک جزئی به راه حل های کامل ماژول مشترک گسترش می یابد.

همانطور که روبات‌های انسان‌نما از مرحله آزمایشگاهی به  «عصر تولید انبوه» می‌روند ، رقابت بین تأمین‌کنندگان موتور و رمزگذار بالادستی از «مقرون‌به‌صرفه» به یک نبرد دو مسیره «عملکرد + قابلیت اطمینان» ارتقا می‌یابد. SDM، با بهره گیری از مزایای زنجیره صنعتی محلی هانگژو و قابلیت های موتور و رمزگذار مغناطیسی خود توسعه یافته، در حال تبدیل شدن به یک نیروی ضروری در 'منبع برق' ربات های انسان نما تولید داخلی است.