כיצד רובוט מנועי מומנט חסרי מסגרת מניעים רובוטים דמויי אדם

אולי כבר ראיתם סרטונים קצרים של רובוטים דמויי אדם - עושים סיבובים לאחור במעבדות, נושאים חלקים במפעלי רכב, או אפילו מנהלים שיחות טבעיות עם אנשים. מאחורי הפעולות ה'דמויות' לכאורה הללו מסתתר גורם מרכזי: המערכת המשותפת. אם אלגוריתמים הם המוח של הרובוט וחיישנים הם החושים שלו, אז מנוע מומנט ללא מסגרת רובוט  הוא השריר שלו - הקובע כמה מהר הוא יכול לרוץ, כמה כבד הוא יכול להרים וכמה יציב הוא יכול ללכת. היום, נתחיל מכמה מוצרי רובוט דמוי אדם מיינסטרים כדי לנתח היכן טכנולוגיית ה'שריר' הזו מצטיינת וכיצד היא תומכת בשינוי תעשייתי.

א. מדוע רובוטים דמויי אדם אינם ניתנים להפרדה ממנועי מומנט ללא מסגרת רובוטים?

בואו להכיר את הגיבור שלנו. מנוע מומנט ללא מסגרת הוא קיום ייחודי - אין לו דיור, אין ציר, אין לו מיסבים. על ידי הסרת כל הרכיבים ההיקפיים ה'ארוזים', הוא שומר  רק על ליבת הסטטור והרוטור , המשובצים ישירות במבנה המשותף של הרובוט. היתרונות הם פשוטים:  נפח קטן יותר, מומנט גבוה יותר . ברובוט דמוי אדם, מפרקים בעלי מומנט גדול כמו הירך, הברך והכתף דורשים צפיפות כוח ודחיסות גבוהים במיוחד; מנועים מסורתיים לעתים קרובות תופסים יותר מדי מקום, בעוד מנוע מומנט ללא מסגרת יכול להיות משולב בתוך המפרק כדי להשיג עיצוב 'מנוע-מפרק一体化', מה שהופך את המבנה הכללי ליותר קומפקטי ויעיל.

הנתונים גם מאשרים את חשיבותם. קח את טסלה אופטימוס כדוגמה:  כל אחד מ-28 המפעילים שלה משתמש במנוע מומנט ללא מסגרת , המדגיש את תפקידו המרכזי של מוצר זה בהפעלה משותפת.

II. ניתוח תצורת מוצר מיינסטרים: מפרקים שונים, 'שרירים' שונים

אם נשווה מנועים לשרירים, הדרישות לאיברי גוף שונים משתנות מאוד - מפרקים גדולים כמו כתפיים וירכיים זקוקים לכוח מתפרץ, פרקי כף היד וידיים זריזות זקוקות לשליטה מדויקת, והברכיים צריכות לשאת עומס תוך שמירה על יציבות. היצרנים, בהתבסס על מיצוב המוצר ושיקולי עלות, אימצו פתרונות שונים לשילוב מנועים.

Tesla Optimus: 'תצורת ערימה מלאה' של מדד טכני

לטסלה אופטימוס יש כיום את פתרון ההפעלה השלם והשקוף ביותר מבחינה טכנית בתעשייה. המפרקים שלו מחולקים לשלוש קטגוריות:

·  מפעילים סיבוביים (14 יחידות) : משמש בעיקר במפרקים סיבוביים בעלי זווית גדולה כגון כתפיים, ירכיים, פרקי כף היד והמותניים. הפתרון הוא 'מנוע מומנט ללא מסגרת + מפחית הרמוני + חיישן מומנט + מקודדים כפולים', המציע שלושה מפרטי מומנט:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  מפעילים ליניאריים (14 יחידות) : מפוזרים במפרקים בעלי זווית תנופה מוגבלת אך דורשים דחף גבוה (למשל, מרפקים, ברכיים, קרסוליים). הפתרון הוא 'מנוע מומנט ללא מסגרת + בורג רולר פלנטרי', עם מפרטי דחף של  500N, 3900N ו-8000N.

·  מפעילי יד מיומנים (12 יחידות / שתי הידיים) : משתמש בשילוב של מנוע כוס חלול + תיבת הילוכים פלנטרית מיניאטורית רב-שלבית + ציוד תולעת. לכל יד יש 11 מעלות חופש והיא יכולה להרים משא של 9 ק'ג.

בסך הכל, Optimus משתמש במפעיל בעל מומנט גבוה של 180Nm עבור מפרקים בעומס כבד כמו ירך וכתף, ובפתרונות מומנט בינוני/נמוך עבור חלקים בעומס בינוני כמו המרפק ושורש כף היד, ויוצרים 'שיפוע שרירים' סביר. מנקודת מבט של עלות,  מנוע המומנט חסר המסגרת מהווה כ-14.8% מעלות הרובוט הכולל , מה שהופך אותו לרכיב השני הקריטי ביותר אחרי בורג הגליל הפלנטרי.

Unitree H1/G1: 'סיעה לפיתוח עצמי' בעל עלות גבוהה

הגישה של Unitree שונה משמעותית מזו של טסלה - הם מעדיפים  ארכיטקטורת הנעה מעין ישירה באמצעות מנועים בעלי צפיפות מומנט גבוהה + גלגלי שיניים פלנטריים ביחס נמוך , מה שמבטיח תפוקת כוח תוך הפחתת עלויות.

H1  ממוקם כרובוט דמוי אדם גדול ברמה תעשייתית, מצויד במנוע M107 שפותח בעצמו שיכול לספק מומנט שיא של  360N·m  (מפרק ירך  220N·m , מפרק קרסול  45N·m ), עם צפיפות הספק הנטענת פי 1.5 מזו של המתחרים. חלוקת מפרקים: 14 מפרקי גפיים תחתונות (מומנט שנע בין 45-220N·m), 14 מפרקי גפה עליונה (מומנט ~75N·m), ו-2 מפרקי פלג גוף עליון.

G1  מתמקד בתרחישים של צרכנים ביתיים: גובה 1.32 מ', משקל 35 ק'ג. לגרסה הסטנדרטית יש 23 DOF, בעוד שגרסת ה-EDU מציעה 23–43 DOF. מפרק הרגל התחתונה שלו משתמש ב'מנוע + מפחית פלנטרי דו-שלבי + מקודד + דרייבר' מודול משולב ארבע באחד, עם מומנט מרבי של מפרק הברך של  90N·m  ועומס זרוע מרבי של 2 ק'ג. יש לציין כי Unitree השיגה קצב לוקליזציה של למעלה מ-90%, כאשר מנועים, מפחיתים, בקרים, מקודדים ורכיבי ליבה אחרים פותחו כולם בעצמם, מה שמאפשר לגרסת הבסיס של ה-G1 להיות במחיר נמוך של RMB 85,000.

Xiaomi CyberGear: 'אקטואר' המשולב הממוזער

ה-CyberGear של Xiaomi לוקח מסלול אחר לגמרי - הוא אורז מנוע סרוו, מפחית הרמוני, מקודדים כפולים ודרייבר לתוך גוף זעיר במשקל  317 גרם בלבד , ומשיג 'גודל קטן, אינטגרציה גדולה'.

פרמטרים טכניים: למנוע ה-CyberGear יש מומנט מרבי של  3N·m בלבד  , אך יכול להגיב במהירות של עד  20 מילישניות . זה מתאים לתרחישים קלים כמו זרועות רובוטיות שולחניות ומפרקי רובוט קטנים. המנוע משתמש במארז אלומיניום שחור אנודייז לפיזור חום טוב יותר, משלב מערכת זיהוי טמפרטורה ואלגוריתמי הגנה בפיתוח עצמי, ומגיע כסטנדרט עם מחבר XT30 ועיצוב שחרור מהיר. הוא נמכר בחנות המקוונת של Xiaomi תמורת  499 יואן בלבד , מה שהופך אותו ל'שומר הסף' עבור מודולים משותפים של רובוטים ברמת הכניסה.

למרות שהמומנט המקסימלי של 3N·m שלו נמוך בהרבה מזה של פתרונות המומנט הגדול של Optimus ו-Unitree, בהתחשב במשקלו של 317 גרם בלבד והעיצוב ה'מהיר + משולב' שלו, הוא יותר ממתאים לתרחישי צרכנים (רובוטים קטנים ביתיים, רובוטים חינוכיים). היא פועלת לפי אסטרטגיית 'מספיק טובה' - המאפשרת ליצרנים קטנים ובינוניים לשחק גם בתחום הרובוטיקה.

סדרת משלחת רובוטיקה של Zhiyuan: רודף אחר 'כוח פרץ אולטימטיבי'

סדרת Zhiyuan Expedition אגרסיבית במיוחד בביצועים מוטוריים. הרובוט של Expedition A2 Max מספק שיא מומנט מפרק של  450N·m , כיום אחד מנתוני מומנט המפרק הגבוהים ביותר הזמינים לציבור. מנוע ה-PowerFlow שפותח בעצמו מאמץ מסלול של טכנולוגיית הנעה מעין-ישירה - איפשהו בין הנעה ישירה למנועים מסורתיים - המספק שיא מומנט העולה על 350N·m תוך משקל של 1.6 ק'ג בלבד, והוא משלב גם מערכת קירור נוזלית, מאזנת רגישות בקרת כוח ויכולת עומס מתמשכת. נכון לעכשיו, Zhiyuan השיקה בסיס תעשייתי בצ'נגדו, ומוצרים כגון Expedition A3, A2 ו-Lingxi X2 השיגו ייצור המוני.

לצורך השוואה אינטואיטיבית, הפרמטרים המרכזיים של המודלים המרכזיים לעיל מסוכמים בטבלה שלהלן:

מהטבלה לעיל, ברור שמנועי מומנט חסרי מסגרת של רובוט הפכו כמעט לסטנדרטים בתרחישים של עומסים כבדים כמו מפרקי הירך, הברך והכתף, בעוד שמנועי כוס חלולים מדויקים יותר משמשים בקצה הידיים - ההבדלים היחידים טמונים בשילוב  של סוג המנוע ופרמטרי הביצועים . הכיוון עקבי.

III. ה'מיפוי' בין מנועים לרובוטים שלמים

אז אילו יצרניות מנועים במעלה הזרם תומכות במוצרי רובוט דמוי אדם הידוע הללו? ככל שהייצור ההמוני עולה, מספר ספקים מקומיים ובינלאומיים מחייבים את עצמם מאוד ליצרני רובוטים שלמים, תופסים עמדות מפתח.

·  שרשרת האספקה ​​של טסלה : Inovance Technology מחזיקה בעמדה מובילה במפרקים משולבים בקרת הנעה, ומוצרי בקרת התנועה של Leadshine נכנסו גם הם לשרשרת האספקה ​​של טסלה. בנוסף, מנועי המומנט חסרי המסגרת של Wolong Electric Drive נכנסו בהצלחה לשרשרת האספקה ​​של רובוטים מיינסטרים מקומיים כמו Unitree ו-Zhiyuan, כשהם נקשרים בעקיפין לטסלה, עם נתח שוק מקומי של כ-25%.

·  Unitree  הוא שחקן עם שיעור לוקליזציה גבוה במיוחד; המנועים, לוחות ההנעה ואלגוריתמי בקרת התנועה שלו מפותחים במידה רבה בעצמם. מנקודת מבט של שרשרת האספקה, המפחיתים ההרמוניים של Leaderdrive ומנועי המומנט חסרי המסגרת של Haozhi Electromechanical, בין היתר, מספקים את Unitree.

· מנוע  ה-CyberGear של Xiaomi  אינו מסתמך על ספקי מנועים חיצוניים, אך נפילות חושפות שהוא משלב את המקודד המגנטי של ams OSRAM ו-MCU הבקרה הראשי של GigaDevice. בינתיים, Inovance Technology מספקת גם את Xiaomi.

·  ל-Zhiyuan  יש מספר ספקים הקשורים אליו באופן עמוק. Wolong Electric Drive לא רק נכנסה לשרשרת האספקה ​​של Zhiyuan באמצעות כריכה כפולה של 'תעשייה + הון', אלא גם מחזיקה בעקיפין במניות בז'יואן. מובילים מקומיים אחרים המספקים מערכות סרוו ומנועי מומנט ללא מסגרת כוללים את Inovance Technology, STEP Electric ו- Veichi Electric.

בסך הכל,  שדה מנוע המומנט חסר המסגרת עד להאצה של לוקליזציה . בשוק היוקרתי, מותגים בינלאומיים כמו קולמורגן ו-MOOG עדיין תופסים את הקרקע הטכנולוגית הגבוהה, אך במונחים של ייצור המוני, בקרת עלויות ושירותים מותאמים אישית, שחקנים מקומיים כמו Inovance, Wolong ו-STEP עולים במהירות.

IV. דרישות 'שריר' ברמה גבוהה יותר: מקודדים ומפרקים בעלי דיוק גבוה

מנועים פותרים את בעיית תפוקת הכוח, אך כדי להשיג מיקום מפרק מדויק מספיק, משוב כוח עדין ובקרת תנועה חלקה, נדרש רכיב מפתח נוסף -  המקודד.

המקודד פועל כ'מערכת העצבים' של הרובוט, האחראית למשוב בזמן אמת של מידע על מיקום, מהירות וזווית. ברובוטים דמויי אדם, פתרון  המקודד הכפול  הפך למיינסטרים: מקודד אחד מותקן בצד המנוע, השני בצד הפלט, וההפרש הזוויתי ביניהם מושווה לכיול מומנט ומיקום. במפרקים בעומס כבד (כגון ירך וברך), המקודד קובע באיזו מידה הרובוט יכול לשלוט בהליכה ובכוח; בפעולות יד עדינות, דיוק המקודד הוא משתנה קריטי הנמדד במילימטרים.

V. SDM: כוכב עולה במנועי מומנט ללא מסגרת של רובוט ביתי ומקודדים מגנטיים

על רקע לוקליזציה מואצת, חברה מהאנגג'ואו - SDM - צועדת בהדרגה לתוך הליבה של שרשרת תעשיית הרובוטים דמויי האדם עם מטריצת המוצר הדו-גלגלי שלה של 'מנועי מומנט חסרי מסגרת רובוטים + מקודדים מגנטיים'.

היתרונות המבדילים של SDM במנועי מומנט חסרי מסגרת באים לידי ביטוי בעיקר בשלושה היבטים:

1. יכולת עיצוב מנוע בפיתוח מלא . מנועי המומנט חסרי המסגרת של SDM תומכים בתגובה במהירות גבוהה ובבקרת מומנט בלולאה סגורה בזמן אמת, תוך שימוש בחומרי סגסוגת בדרגת תעופה ומגנטים למוצרי אנרגיה מגנטית גבוהה, המשפרים באופן משמעותי את צפיפות המומנט ועמידות הפגיעה. מתוך הכוונה לצרכים המובחנים של מפרקי רובוט שונים (ירך/ברך/כתף), השיקה SDM קווי מוצרים מרובים של מנועים עם מומנט שיא המכסה 50Nm עד מעל 200Nm, תוך התאמה גמישה ליישומים החל משירות מסחרי קל ועד עומס כבד תעשייתי.

2. טכנולוגיית ליבה במקודדים מגנטיים . המקודדים המגנטיים המוחלטים מרובי פניות ומקודדים מגנטיים חד-סיבובים שפותחו בעצמם של SDM תואמים לפתרונות מיינסטרים בינלאומיים ברמת דיוק, יציבות ויכולת אנטי-הפרעות. באמצעות חיישנים מגנטוריסטיבים ברמת דיוק גבוהה וטכנולוגיית טבעת מגנטית רב-קוטבית, המקודדים המגנטיים של SDM משיגים רזולוציית מיקום טובה יותר מ-18 סיביות, תוך אופטימיזציה משמעותית של מאפייני אנטי-רעידות וטמפרטורה גבוהה/נמוכה. יכולת משולבת זו של 'מנוע + מקודד' מאפשרת ליצרני רובוטים שלמים להשיג  בחירת פתרון כונן משותף חד פעמי , מה שמשפר מאוד את יעילות הפיתוח ושילוב המערכת.

3. מושרש באשכול התעשייתי 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM ממוקם בהאנגג'ואו ובאזור הדלתא של נהר היאנגצה, המארח את הריכוז הצפוף ביותר של סין של משאבי רכיבי רובוט, המכסים מפחיתים, מיסבים, חיישנים וחלקי מפתח אחרים. נהנה מהקידום המתמשך של מדיניות הפיתוח של תעשיית הרובוטים האנושיים של מחוז ג'ג'יאנג, SDM מתרחב בהדרגה מאספקה ​​של רכיב בודד לפתרונות מודול משותף מלא.

בעוד רובוטים דמויי אדם עוברים משלב המעבדה ל  'עידן הייצור ההמוני' , התחרות בין ספקי המנועים והמקודדים במעלה הזרם משתדרגת מ'חסכוניות' לקרב דו-מסלולי של 'ביצועים + אמינות'. SDM, הממנפת את היתרונות של הרשת התעשייתית המקומית של האנגג'ואו ויכולות המנוע והמקודד המגנטי שפותח בעצמו, הופכת לכוח הכרחי ב'מקור הכוח' של רובוטים דמויי אדם המיוצרים בארץ.