Comment les moteurs couple sans cadre des robots alimentent les robots humanoïdes

Vous avez peut-être déjà vu de courtes vidéos de robots humanoïdes effectuant des backflips dans des laboratoires, transportant des pièces dans des usines automobiles ou même ayant des conversations naturelles avec des gens. Derrière ces actions apparemment « humaines » se cache un élément clé : le système commun. Si les algorithmes sont le cerveau du robot et les capteurs ses sens, alors le Le moteur couple sans cadre du robot  est son muscle, déterminant la vitesse à laquelle il peut courir, le poids qu'il peut soulever et la stabilité avec laquelle il peut marcher. Aujourd’hui, nous partirons de plusieurs produits robotiques humanoïdes grand public pour analyser les domaines dans lesquels cette technologie du « muscle » excelle et comment elle soutient une transformation industrielle.

I. Pourquoi les robots humanoïdes sont-ils indissociables des moteurs couple sans cadre de robot ?

Faisons connaissance avec notre protagoniste. Un moteur couple sans cadre est une existence unique : il n'a ni boîtier, ni arbre, ni roulements. En supprimant tous les composants périphériques « emballés », il ne conserve  que le noyau du stator et du rotor , qui sont directement intégrés dans la structure articulaire du robot. Les avantages sont simples :  un volume réduit, un couple plus élevé . Dans un robot humanoïde, les articulations à couple important telles que la hanche, le genou et l'épaule exigent une densité de puissance et une compacité extrêmement élevées ; les moteurs traditionnels prennent souvent trop de place, tandis qu'un moteur couple sans cadre peut être intégré à l'intérieur du joint pour obtenir une conception « moteur-joint », rendant la structure globale plus compacte et efficace.

Les données confirment également son importance. Prenons l'exemple de Tesla Optimus :  chacun de ses 28 actionneurs utilise un moteur couple sans cadre , soulignant le rôle central de ce produit dans l'actionnement conjoint.

II. Analyse de la configuration des produits grand public : différentes articulations, différents « muscles »

Si nous comparons les moteurs aux muscles, les exigences des différentes parties du corps varient considérablement : les grosses articulations comme les épaules et les hanches ont besoin d'une puissance explosive, les poignets et les mains adroites ont besoin d'un contrôle précis et les genoux doivent supporter une charge tout en maintenant la stabilité. Les fabricants, en fonction du positionnement du produit et de considérations de coûts, ont adopté différentes solutions de combinaison de moteurs.

Tesla Optimus : la « configuration Full-Stack » d'un benchmark technique

Tesla Optimus propose actuellement la solution d'actionneur la plus complète et techniquement transparente du secteur. Ses articulations sont divisées en trois catégories :

·  Actionneurs rotatifs (14 unités) : principalement utilisés dans les articulations de rotation à grand angle telles que les épaules, les hanches, les poignets et la taille. La solution est « Moteur couple sans cadre + réducteur d'harmoniques + capteur de couple + double encodeurs », offrant trois spécifications de couple :  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm..

·  Actionneurs linéaires (14 unités) : Répartis dans les articulations à angle de balancement limité mais nécessitant une forte poussée (ex. : coudes, genoux, chevilles). La solution est un « moteur couple sans cadre + vis à rouleaux planétaires », avec des spécifications de poussée de  500 N, 3 900 N et 8 000 N..

·  Actionneurs manuels adroits (12 unités / deux mains) : Utilise une combinaison de moteur à coupelle creuse + réducteur planétaire miniature à plusieurs étages + engrenage à vis sans fin. Chaque main possède 11 degrés de liberté et peut soulever une charge de 9 kg.

Dans l'ensemble, Optimus utilise l'actionneur à couple élevé de 180 Nm pour les articulations à forte charge comme la hanche et l'épaule, et des solutions à couple moyen/faible pour les parties à charge modérée comme le coude et le poignet, formant un « gradient musculaire » raisonnable. Du point de vue des coûts,  le moteur couple sans cadre représente environ 14,8 % du coût total du robot , ce qui en fait le deuxième composant le plus critique après la vis à rouleaux planétaires.

Unitree H1/G1 : 'Faction auto-développée' à coût et performance élevés

L'approche d'Unitree est très différente de celle de Tesla : ils préfèrent une  architecture à entraînement quasi-direct utilisant des moteurs à haute densité de couple + des engrenages planétaires à faible rapport , qui garantissent la puissance de sortie tout en réduisant les coûts.

H1  se positionne comme un grand robot humanoïde de qualité industrielle, équipé d'un moteur M107 auto-développé qui peut fournir un couple maximal de  360 ​​N·m  (articulation de la hanche  220 N·m , articulation de la cheville  45 N·m ), avec une densité de puissance revendiquée 1,5 fois supérieure à celle de ses concurrents. Répartition des articulations : 14 articulations des membres inférieurs (couple compris entre 45 et 220 N·m), 14 articulations des membres supérieurs (couple ~ 75 N·m) et 2 articulations du torse.

G1  cible des scénarios de consommation domestique : 1,32 m de haut et 35 kg. La version standard comporte 23 DOF, tandis que la version EDU propose 23 à 43 DOF. Son articulation du bas de la jambe utilise un module intégré quatre-en-un « moteur + réducteur planétaire à deux étages + encodeur + pilote », avec un couple maximal de l'articulation du genou de  90 N·m  et une charge maximale du bras de 2 kg. Notamment, Unitree a atteint un taux de localisation de plus de 90 %, avec des moteurs, des réducteurs, des contrôleurs, des encodeurs et d'autres composants de base tous développés en interne, permettant à la version de base du G1 d'être proposée à un prix aussi bas que 85 000 RMB.

Xiaomi CyberGear : l'actuaire intégré miniaturisé

Le CyberGear de Xiaomi emprunte une voie complètement différente : il intègre un servomoteur, un réducteur d'harmoniques, deux encodeurs et un pilote dans un corps minuscule ne pesant que  317 grammes , réalisant ainsi « petite taille, grande intégration ».

Paramètres techniques : le moteur CyberGear a un couple maximum de seulement  3N·m  mais peut répondre aussi vite que  20 millisecondes . Il convient aux scénarios légers tels que les bras robotiques de bureau et les petites articulations de robots. Le moteur utilise un boîtier en aluminium anodisé noir pour une meilleure dissipation de la chaleur, intègre un système de détection de température et des algorithmes de protection développés par nous-mêmes, et est livré en standard avec un connecteur XT30 et une conception à dégagement rapide. Il est vendu sur la boutique en ligne de Xiaomi pour seulement  499 RMB , ce qui en fait le « contrôleur de prix » pour les modules d'articulation de robot d'entrée de gamme.

Bien que son couple maximum de 3 N·m soit bien inférieur à celui des solutions à couple élevé d'Optimus et d'Unitree, compte tenu de son poids de seulement 317 grammes et de sa conception « à dégagement rapide + intégré », il est plus que suffisant pour les scénarios de consommation (petits robots domestiques, robots éducatifs). Il suit une stratégie « assez bonne » : permettre aux petits et moyens fabricants de jouer également dans le domaine de la robotique.

Série d'expéditions Zhiyuan Robotics : À la recherche de la « puissance de rafale ultime »

La série Zhiyuan Expedition est particulièrement agressive en termes de performances moteur. Le robot Expedition A2 Max fournit un couple articulaire maximal de  450 N·m , actuellement l'un des chiffres de couple articulaire les plus élevés disponibles au public. Son moteur PowerFlow développé en interne adopte une technologie d'entraînement quasi-direct, quelque part entre l'entraînement direct et les moteurs traditionnels, délivrant un couple maximal dépassant 350 N·m pour un poids de seulement 1,6 kg, et il intègre également un système de refroidissement liquide, équilibrant la sensibilité du contrôle de force et la capacité de charge continue. Actuellement, Zhiyuan a lancé une base industrielle à Chengdu et des produits tels que l'Expedition A3, A2 et Lingxi X2 ont été produits en série.

Pour une comparaison intuitive, les paramètres clés des modèles traditionnels ci-dessus sont résumés dans le tableau ci-dessous :

Le tableau ci-dessus montre clairement que les moteurs couple sans cadre des robots sont devenus presque standard dans les scénarios de charges lourdes telles que les articulations de la hanche, du genou et de l'épaule, tandis que des moteurs à coupelle creuse plus précis sont utilisés au bout des mains. Les seules différences résident dans la  combinaison du type de moteur et des paramètres de performance . La direction est cohérente.

III. La « cartographie » entre moteurs et robots complets

Alors, quels fabricants de moteurs en amont soutiennent ces produits de robots humanoïdes bien connus ? À mesure que la production de masse s’accélère, un certain nombre de fournisseurs nationaux et internationaux s’engagent profondément auprès des fabricants de robots complets, occupant des positions clés.

·  Chaîne d'approvisionnement de Tesla : Inovance Technology occupe une position de leader dans le domaine des joints intégrés de commande de conduite, et les produits de contrôle de mouvement de Leadshine sont également entrés dans la chaîne d'approvisionnement de Tesla. En outre, les moteurs couple sans cadre de Wolong Electric Drive sont entrés avec succès dans les chaînes d'approvisionnement de robots grand public nationaux tels que Unitree et Zhiyuan, se liant indirectement à Tesla, avec une part de marché intérieur d'environ 25 %.

·  Unitree  est un acteur avec un taux de localisation extrêmement élevé ; ses moteurs, cartes d'entraînement et algorithmes de contrôle de mouvement sont en grande partie développés par nous-mêmes. Du point de vue de la chaîne d'approvisionnement, les réducteurs d'harmoniques de Leaderdrive et les moteurs couple sans cadre de Haozhi Electromechanical, entre autres, fournissent Unitree.

· Le moteur  CyberGear de Xiaomi  ne s'appuie pas sur des fournisseurs de moteurs externes, mais les démontages révèlent qu'il intègre l'encodeur magnétique d'AMS OSRAM et le MCU de contrôle principal de GigaDevice. Pendant ce temps, Inovance Technology fournit également Xiaomi.

·  Zhiyuan  a un certain nombre de fournisseurs profondément liés. Wolong Electric Drive est non seulement entré dans la chaîne d'approvisionnement de Zhiyuan par le biais d'une double liaison « industrie + capital », mais détient également indirectement des actions dans Zhiyuan. Parmi les autres leaders nationaux fournissant des servosystèmes et des moteurs couple sans cadre figurent Inovance Technology, STEP Electric et Veichi Electric.

Dans l'ensemble,  le domaine des moteurs couple sans cadre connaît une accélération de la localisation . Sur le marché haut de gamme, des marques internationales telles que Kollmorgen et MOOG occupent toujours des positions technologiques avancées, mais en termes de production de masse, de contrôle des coûts et de services personnalisés, des acteurs nationaux comme Inovance, Wolong et STEP connaissent une croissance rapide.

IV. Exigences « musculaires » de niveau supérieur : encodeurs et articulations de haute précision

Les moteurs résolvent le problème de la puissance de sortie, mais pour obtenir un positionnement des articulations suffisamment précis, un retour de force précis et un contrôle de mouvement fluide, un autre composant clé est nécessaire : l'  encodeur..

L'encodeur agit comme le « système nerveux » du robot, responsable du retour en temps réel des informations de position, de vitesse et d'angle. Dans les robots humanoïdes, la solution  à double encodeur  est devenue courante : un encodeur est installé côté moteur, l'autre côté sortie, et la différence angulaire entre eux est comparée pour calibrer le couple et la position. Dans les articulations soumises à de lourdes charges (telles que la hanche et le genou), l'encodeur détermine la précision avec laquelle le robot peut contrôler la démarche et la force ; dans les opérations manuelles fines, la précision du codeur est une variable critique mesurée en millimètres.

V. SDM : une étoile émergente dans le domaine des moteurs couple sans cadre et des encodeurs magnétiques pour robots domestiques

Dans un contexte d'accélération de la localisation, une entreprise de Hangzhou – SDM – s'installe progressivement au cœur de la chaîne industrielle des robots humanoïdes avec sa matrice de produits à deux roues composée de « moteurs couples sans cadre de robot + encodeurs magnétiques ».

Les avantages différenciés de SDM dans les moteurs couple sans cadre se reflètent principalement dans trois aspects :

1. Capacité de conception de moteur entièrement auto-développée . Les moteurs couple sans cadre de SDM prennent en charge une réponse à grande vitesse et un contrôle en boucle fermée du couple en temps réel, en utilisant des matériaux en alliage de qualité aéronautique et des aimants de produits à haute énergie magnétique, améliorant considérablement la densité de couple et la résistance aux chocs. Ciblant les besoins différenciés des différentes articulations du robot (hanche/genou/épaule), SDM a lancé plusieurs gammes de produits de moteurs avec un couple maximal allant de 50 Nm à plus de 200 Nm, s'adaptant de manière flexible aux applications allant du service commercial léger aux charges industrielles lourdes.

2. Technologie de base dans les codeurs magnétiques . Les codeurs magnétiques absolus multitours et les codeurs magnétiques monotour développés par SDM correspondent aux solutions grand public internationales en termes de précision, de stabilité et de capacité anti-interférence. Utilisant des capteurs magnétorésistifs de haute précision et une technologie d'anneau magnétique multipolaire, les codeurs magnétiques de SDM atteignent une résolution de position supérieure à 18 bits, tout en optimisant considérablement les caractéristiques anti-vibration et haute/basse température. Cette capacité intégrée « moteur + encodeur » permet aux fabricants de robots complets de  sélectionner une solution d'entraînement commune à guichet unique , améliorant considérablement l'efficacité du développement et l'intégration du système.

3. Enraciné dans le cluster industriel « Hangzhou Six Little Dragons » . SDM est situé à Hangzhou et dans la région du delta du fleuve Yangtze, qui abrite la plus forte concentration de ressources en composants de robots de Chine, couvrant les réducteurs, les roulements, les capteurs et d'autres pièces clés. Bénéficiant de la promotion continue des politiques de développement de l'industrie des robots humanoïdes de la province du Zhejiang, SDM s'étend progressivement de la fourniture d'un seul composant à des solutions complètes de modules communs.

À mesure que les robots humanoïdes passent du stade du laboratoire à  « l'ère de la production de masse » , la concurrence entre les fournisseurs de moteurs et d'encodeurs en amont passe de la « rentabilité » à une bataille à double voie : « performance + fiabilité ». SDM, tirant parti des avantages de sa chaîne industrielle locale de Hangzhou et de ses capacités de moteur et d'encodeur magnétiques auto-développées, est en train de devenir une force indispensable dans la « source d'énergie » des robots humanoïdes produits dans le pays.