Kuinka kehyksettömät robottimoottorit tehostavat humanoidirobotteja

Olet ehkä jo nähnyt lyhyitä videoita humanoidiroboteista, jotka tekevät taaksepäin käännöksiä laboratorioissa, kantavat osia autotehtaissa tai jopa käyvät luonnollisia keskusteluja ihmisten kanssa. Näiden näennäisesti 'inhimillisiltä' toimien takana on keskeinen mahdollistaja: yhteinen järjestelmä. Jos algoritmit ovat robotin aivot ja anturit sen aistit, niin Robotin kehyksetön vääntömomenttimoottori  on sen lihas, joka määrittää, kuinka nopeasti se voi juosta, kuinka raskasta se pystyy nostamaan ja kuinka vakaasti se pystyy kävelemään. Tänään aloitamme useista valtavirran humanoidirobottituotteista selvittääksemme, missä tämä 'lihas' -tekniikka on erinomaista ja miten se tukee teollista muutosta.

I. Miksi humanoidirobotit ovat erottamattomia robottikehyksettömistä momentimoottoreista?

Tutustutaan päähenkilöihimme. Kehyksetön vääntömomenttimoottori on ainutlaatuinen olemassaolo – siinä ei ole koteloa, akselia tai laakereita. Poistamalla kaikki 'pakatut' oheiskomponentit, se säilyttää  vain staattorin ja roottorin ytimen , jotka on upotettu suoraan robotin liitosrakenteeseen. Edut ovat selvät:  pienempi tilavuus, suurempi vääntömomentti . Humanoidirobotissa suuren vääntömomentin nivelet, kuten lonkka, polvi ja olkapää, vaativat erittäin suurta tehotiheyttä ja tiiviyttä; perinteiset moottorit vievät usein liikaa tilaa, kun taas kehyksetön vääntömomenttimoottori voidaan integroida liitoksen sisään 'moottorinivel一体化' -mallin saavuttamiseksi, mikä tekee kokonaisrakenteesta kompaktimman ja tehokkaamman.

Myös data vahvistaa sen tärkeyden. Otetaan esimerkkinä Tesla Optimus:  jokainen sen 28 toimilaitteesta käyttää kehyksetöntä vääntömomenttimoottoria , mikä korostaa tämän tuotteen ydinroolia nivelten toiminnassa.

II. Päävirran tuotekokoonpanoanalyysi: erilaiset nivelet, erilaiset 'lihakset'

Jos vertaamme moottoreita lihaksiin, eri kehonosien vaatimukset vaihtelevat suuresti – suuret nivelet, kuten olkapäät ja lonkat, tarvitsevat räjähdysvoimaa, ranteet ja taitavat kädet tarvitsevat tarkan hallinnan ja polvien on kestettävä kuormitusta säilyttäen samalla vakauden. Valmistajat ovat ottaneet käyttöön erilaisia ​​moottoriyhdistelmäratkaisuja tuotteen sijoittelun ja kustannusnäkökohtien perusteella.

Tesla Optimus: Teknisen vertailuarvon 'täyspinon kokoonpano'

Tesla Optimuksella on tällä hetkellä alan täydellisin ja teknisesti läpinäkyvin toimilaiteratkaisu. Sen liitokset on jaettu kolmeen luokkaan:

·  Pyörivät toimilaitteet (14 yksikköä) : Käytetään pääasiassa suurikulmaisissa pyörimisnivelissä, kuten hartioissa, lantioissa, ranteissa ja vyötäröllä. Ratkaisu on 'kehyksetön vääntömomenttimoottori + harmoninen vähennysventtiili + vääntömomenttianturi + kaksi anturia', joka tarjoaa kolme vääntömomenttimääritystä:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Lineaariset toimilaitteet (14 yksikköä) : Jaettu niveliin, joissa on rajoitettu kääntökulma, mutta jotka vaativat suurta työntövoimaa (esim. kyynärpäät, polvet, nilkat). Ratkaisu on 'kehyksetön vääntömomenttimoottori + planeettarullaruuvi', jonka työntövoimatiedot ovat  500N, 3900N ja 8000N.

·  Taitavat käsitoimilaitteet (12 yksikköä / molemmat kädet) : Käyttää onttokuppimoottorin + miniatyyri monivaiheisen planeettavaihteiston + kierukkavaihteiston yhdistelmää. Jokaisella kädellä on 11 vapausastetta ja ne voivat nostaa 9 kg:n kuorman.

Kaiken kaikkiaan Optimus käyttää 180 Nm:n korkean vääntömomentin toimilaitetta raskaasti kuormitettaviin niveliin, kuten lantioon ja olkapäähän, ja keski-/matalamomenttiratkaisuja kohtalaisen kuormituksen osissa, kuten kyynärpäässä ja ranteessa, muodostaen kohtuullisen 'lihasgradientin'. Kustannusnäkökulmasta  kehyksetön vääntömomenttimoottori muodostaa noin 14,8 % robotin kokonaiskustannuksista , mikä tekee siitä toiseksi kriittisin komponentin planeettarullaruuvin jälkeen.

Unitree H1/G1: Korkea kustannustehokkuus 'itsekehitetty ryhmä'

Unitreen lähestymistapa poikkeaa merkittävästi Teslan lähestymistavasta – he pitävät parempana  näennäissuorakäyttöarkkitehtuuria, jossa käytetään suuria vääntömomenttitiheyksiä moottoreita + pienisuhde planeettavaihteita , mikä varmistaa tehon ja vähentää kustannuksia.

H1  on sijoitettu teollisuusluokan suureksi humanoidirobotiksi, joka on varustettu itse kehitetyllä M107-moottorilla, joka pystyy tuottamaan  360 N·m: n huippuvääntömomentin  (lonkkanivel  220 N·m , nilkkanivel  45 N·m ) ja väitetty tehotiheys 1,5 kertaa kilpailijoiden verrattuna. Nivelten jakautuminen: 14 alaraajan niveltä (vääntömomentti 45–220 N·m), 14 yläraajan niveltä (vääntömomentti ~ 75 N·m) ja 2 ylävartaloniveltä.

G1  tähtää kotikuluttajien skenaarioihin: 1,32 metriä pitkä, painaa 35 kg. Vakioversiossa on 23 DOF, kun taas EDU-versiossa 23–43 DOF. Sen säären nivelessä on 'moottori + kaksivaiheinen planeettavähennys + anturi + ohjain' integroitu neljä-in-one-moduuli, jonka polvinivelen maksimivääntömomentti on  90 N·m  ja käsivarren maksimikuorma 2 kg. Erityisesti Unitree on saavuttanut yli 90 %:n lokalisointiasteen, kun moottorit, supistimet, ohjaimet, kooderit ja muut ydinkomponentit ovat kaikki itse kehitettyjä, joten G1:n perusversion hinta voi olla jopa 85 000 RMB.

Xiaomi CyberGear: Pienoistettu integroitu 'Aktuaari'

Xiaomin CyberGear kulkee täysin eri reittiä – se pakkaa servomoottorin, harmonisen vähenntimen, kaksi enkooderia ja ohjaimen pieneen runkoon, joka painaa vain  317 grammaa , saavuttaen 'pienen koon, suuren integroinnin'.

Tekniset parametrit: CyberGear-moottorin maksimivääntömomentti on vain  3 N·m  , mutta se voi reagoida jopa  20 millisekunnissa . Se sopii kevyisiin skenaarioihin, kuten työpöydän robottikäsivarsiin ja pieniin robottiniveliin. Moottori käyttää mustaa eloksoitua alumiinikoteloa lämmön haihtumisen parantamiseksi, siinä on itse kehitetty lämpötilantunnistusjärjestelmä ja suojausalgoritmit, ja sen mukana tulee vakiona XT30-liitin ja pikalukitus. Sitä myydään Xiaomin verkkokaupassa vain  499 RMB: llä , joten se on 'hintaportinvartija' lähtötason robottiliitosmoduuleille.

Vaikka sen 3 N·m maksimivääntömomentti on paljon pienempi kuin Optimuksen ja Unitreen suurivääntömomenttiratkaisuissa, se on vain 317 gramman paino ja 'pikavapautus + integroitu' -rakenne huomioon ottaen enemmän kuin riittävä kuluttajien skenaarioihin (pienet kotirobotit, opetusrobotit). Se noudattaa 'riittävän hyvää' strategiaa, jonka ansiosta pienet ja keskisuuret valmistajat voivat myös pelata robotiikkaalalla.

Zhiyuan Robotics Expedition -sarja: 'Ultimate Burst Power' tavoittelu

Zhiyuan Expedition -sarja on erityisen aggressiivinen moottorin suorituskyvyn suhteen. Expedition A2 Max -robotin nivelen huippuvääntömomentti on  450 N·m , joka on tällä hetkellä yksi suurimmista julkisesti saatavilla olevista nivelen vääntömomenteista. Sen itsekehittynyt PowerFlow-moottori käyttää lähes suoraa käyttötekniikkaa - jossain suoraveto- ja perinteisten moottoreiden välissä - tuottaa yli 350 N·m:n huippuvääntömomentin ja painaa vain 1,6 kg, ja siinä on myös nestejäähdytysjärjestelmä, joka tasapainottaa voimansäätöherkkyyden ja jatkuvan kuormituksen. Tällä hetkellä Zhiyuan on käynnistänyt teollisen tukikohdan Chengdussa, ja tuotteet, kuten Expedition A3, A2 ja Lingxi X2, ovat saavuttaneet massatuotannon.

Intuitiivista vertailua varten yllä olevien valtavirtamallien tärkeimmät parametrit on koottu alla olevaan taulukkoon:

Yllä olevasta taulukosta käy selvästi ilmi, että robottikehyksettömistä vääntömomenttimoottoreista on tullut melkein vakiona raskaan kuormituksen skenaarioissa, kuten lonkka-, polvi- ja olkanivelissä, kun taas tarkempia onttokuppimoottoreita käytetään käsien päissä – ainoat erot ovat  moottorin tyypin ja suorituskykyparametrien yhdistelmässä . Suunta on johdonmukainen.

III. 'kartoitus' moottoreiden ja täydellisten robottien välillä

Joten mitkä alkupään moottorivalmistajat tukevat näitä tunnettuja humanoidirobottituotteita? Massatuotannon lisääntyessä useat kotimaiset ja kansainväliset toimittajat sitoutuvat syvästi kokonaisiin robottivalmistajiin, jotka ovat avainasemassa.

·  Teslan toimitusketju : Innovance Technologylla on johtava asema ajoohjauksen integroiduissa nivelissä, ja Leadshinen liikkeenohjaustuotteet ovat myös tulleet Teslan toimitusketjuun. Lisäksi Wolong Electric Driven kehyksettömät vääntömomenttimoottorit ovat onnistuneesti päässeet kotimaisten valtavirran robottien, kuten Unitreen ja Zhiyuanin, toimitusketjuihin ja sitoutuvat epäsuorasti Teslaan noin 25 prosentin kotimaan markkinaosuudella.

·  Unitree  on pelaaja, jolla on erittäin korkea lokalisointiaste; sen moottorit, käyttökortit ja liikkeenohjausalgoritmit ovat suurelta osin itse kehitettyjä. Toimitusketjun näkökulmasta Unitreelle toimittavat muun muassa Leaderdriven harmoniset vaimentimet ja Haozhi Electromechanicalin kehyksettömät vääntömomenttimoottorit.

·  Xiaomin CyberGear  -moottori ei ole riippuvainen ulkoisista moottoritoimittajista, mutta purkaukset paljastavat, että se integroi ams OSRAMin magneettisen kooderin ja GigaDevicen pääohjausyksikön. Samaan aikaan Inovance Technology toimittaa myös Xiaomille.

·  Zhiyuanilla  on useita siihen vahvasti sidoksissa olevia toimittajia. Wolong Electric Drive ei ole vain päässyt Zhiyuanin toimitusketjuun 'teollisuus + pääoma' kaksoissidoksen kautta, vaan se omistaa myös epäsuorasti Zhiyuanin osakkeita. Muita kotimaisia ​​johtavia servojärjestelmiä ja kehyksettömiä momentimoottoreita toimittajia ovat Innovance Technology, STEP Electric ja Veichi Electric.

Kaiken kaikkiaan  kehyksetön vääntömomenttimoottorikenttä on todistamassa lokalisoinnin kiihtymistä . Huippuluokan markkinoilla kansainväliset tuotemerkit, kuten Kollmorgen ja MOOG, ovat edelleen teknologisen huipulla, mutta massatuotannon, kustannusten hallinnan ja räätälöityjen palvelujen osalta kotimaiset toimijat, kuten Innovance, Wolong ja STEP, ovat nopeasti nousussa.

IV. Korkeamman tason 'lihas' vaatimukset: Enkooderit ja korkean tarkkuuden liitokset

Moottorit ratkaisevat tehon ongelman, mutta riittävän tarkan nivelen asennon, hienon voiman takaisinkytkennän ja sujuvan liikkeen ohjauksen saavuttamiseksi tarvitaan toinen keskeinen komponentti - kooderi  ..

Enkooderi toimii robotin 'hermostona', joka vastaa reaaliaikaisesta sijainnista, nopeudesta ja kulmatiedoista. Humanoidiroboteissa  kaksoisenkooderiratkaisu  on tullut valtavirtaan: toinen enkooderi asennetaan moottorin puolelle, toinen lähtöpuolelle, ja niiden välistä kulmaeroa verrataan kalibrointimomenttiin ja -asentoon. Raskaassa kuormituksessa (kuten lonkan ja polven) nivelissä kooderi määrittää, kuinka tarkasti robotti voi hallita kävelyä ja voimaa; hienossa käsityössä anturin tarkkuus on kriittinen muuttuja millimetreinä mitattuna.

V. SDM: Nouseva tähti kotimaisten robottien kehyksettömissä momentimoottoreissa ja magneettisissa koodereissa

Kiihtyvän lokalisoinnin taustalla hangzhoulainen yritys – SDM – astuu vähitellen humanoidirobottiteollisuuden ketjun ytimeen kaksipyöräisellä tuotematriisilla, joka koostuu 'robottien kehyksettömistä vääntömomenttimoottoreista + magneettisista antureista'.

SDM:n erilaiset edut kehyksissä vääntömomenttimoottoreissa näkyvät pääasiassa kolmessa suhteessa:

1. Täysin itse kehitetty moottorin suunnittelukyky . SDM:n kehyksettömät vääntömomenttimoottorit tukevat nopeaa vastetta ja reaaliaikaista vääntömomentin suljetun silmukan ohjausta käyttämällä ilmailulaatuisia metalliseoksia ja korkean magneettisen energian tuotemagneetteja, mikä parantaa merkittävästi vääntömomenttitiheyttä ja iskunkestävyyttä. SDM on lanseerannut useita moottorituotelinjoja, joiden vääntömomentin huippu kattaa 50 Nm:stä yli 200 Nm:iin ja jotka mukautuvat joustavasti erilaisiin sovelluksiin kevyestä kaupallisesta palvelusta teollisuuden raskaaseen kuormitukseen.

2. Magneettisten kooderien ydintekniikka . SDM:n itse kehittämät monikierrosabsoluuttiset magneettianturit ja yksikierrosiset magneettiset kooderit vastaavat kansainvälisiä valtavirtaratkaisuja tarkkuuden, vakauden ja häiriönestokyvyn osalta. Käyttämällä erittäin tarkkoja magnetoresistiivisiä antureita ja moninapaista magneettirengastekniikkaa, SDM:n magneettiset kooderit saavuttavat paremman paikannusresoluution kuin 18 bittiä, samalla kun ne optimoivat merkittävästi tärinänvaimennusta ja korkean/matalan lämpötilan ominaisuuksia. Tämä 'moottori + enkooderi' integroitu ominaisuus mahdollistaa täydellisen robottivalmistajan valita  yhden luukun yhteiskäyttöratkaisun , mikä parantaa huomattavasti kehitystehokkuutta ja järjestelmien integrointia.

3. Juurtunut 'Hangzhou Six Little Dragons' -teollisuusklusteriin . SDM sijaitsee Hangzhoussa ja Jangtse-joen suistoalueella, jossa on Kiinan tiheimmin keskittynyt robottikomponenttiresurssit, jotka kattavat supistimet, laakerit, anturit ja muut keskeiset osat. Zhejiangin maakunnan humanoidirobottiteollisuuden kehityspolitiikan jatkuvasta edistämisestä hyötyvän SDM laajenee vähitellen yksikomponenttitoimituksista kokonaisiin yhteismoduuliratkaisuihin.

Humanoidirobottien siirtyessä laboratoriovaiheesta  'massatuotannon aikakauteen' kilpailu alkupään moottori- ja enkooderitoimittajien välillä on muuttumassa 'kustannustehokkuudesta' kaksiraitataisteluksi 'suorituskyky + luotettavuus'. SDM, joka hyödyntää paikallisen Hangzhou-teollisuusketjunsa etuja ja sen itse kehitettyjä moottori- ja magneettienkooderiominaisuuksia, on tulossa välttämättömäksi voimaksi kotimaassa tuotettujen humanoidirobottien 'virtalähteessä'.