कैसे रोबोट फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर्स ह्यूमनॉइड रोबोट को शक्ति प्रदान करते हैं

आपने पहले ही ह्यूमनॉइड रोबोटों के लघु वीडियो देखे होंगे - प्रयोगशालाओं में बैकफ्लिप करते हुए, कार कारखानों में पार्ट्स ले जाते हुए, या यहां तक ​​​​कि लोगों के साथ प्राकृतिक बातचीत करते हुए। इन प्रतीत होने वाली 'मानव-जैसी' गतिविधियों के पीछे एक मूल प्रवर्तक है: संयुक्त प्रणाली। यदि एल्गोरिदम रोबोट का मस्तिष्क हैं और सेंसर उसकी इंद्रियां हैं, तो रोबोट फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर  इसकी मांसपेशी है - यह निर्धारित करती है कि यह कितनी तेजी से चल सकती है, यह कितना भारी वजन उठा सकती है, और यह कितना स्थिर चल सकती है। आज, हम कई मुख्यधारा के ह्यूमनॉइड रोबोट उत्पादों से शुरुआत करेंगे ताकि यह पता लगाया जा सके कि यह 'मांसपेशी' तकनीक कहां उत्कृष्ट है और यह औद्योगिक परिवर्तन का कैसे समर्थन करती है।

I. ह्यूमनॉइड रोबोट, रोबोट फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर्स से अविभाज्य क्यों हैं?

आइए हमारे नायक को जानें। फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर एक अद्वितीय अस्तित्व है - इसमें कोई आवास, कोई शाफ्ट, कोई बीयरिंग नहीं है। सभी 'पैकेज्ड' परिधीय घटकों को हटाकर, यह  केवल स्टेटर और रोटर कोर को बरकरार रखता है , जो सीधे रोबोट की संयुक्त संरचना में एम्बेडेड होते हैं। लाभ सीधे हैं:  छोटी मात्रा, उच्च टॉर्क । ह्यूमनॉइड रोबोट में, कूल्हे, घुटने और कंधे जैसे बड़े-टोक़ जोड़ों को अत्यधिक उच्च शक्ति घनत्व और कॉम्पैक्टनेस की आवश्यकता होती है; पारंपरिक मोटरें अक्सर बहुत अधिक जगह लेती हैं, जबकि एक फ्रेमलेस टॉर्क मोटर को 'मोटर-जॉइंट 一体化' डिज़ाइन प्राप्त करने के लिए जोड़ के अंदर एकीकृत किया जा सकता है, जिससे समग्र संरचना अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल हो जाती है।

आंकड़े भी इसकी महत्ता की पुष्टि करते हैं. उदाहरण के तौर पर टेस्ला ऑप्टिमस को लें:  इसके 28 एक्चुएटर्स में से प्रत्येक एक फ्रेमलेस टॉर्क मोटर का उपयोग करता है , जो संयुक्त एक्चुएशन में इस उत्पाद की मुख्य भूमिका को उजागर करता है।

द्वितीय. मुख्यधारा उत्पाद विन्यास विश्लेषण: विभिन्न जोड़, विभिन्न ''मांसपेशियां''

यदि हम मोटरों की तुलना मांसपेशियों से करते हैं, तो शरीर के विभिन्न हिस्सों की आवश्यकताएं बहुत भिन्न होती हैं - कंधे और कूल्हों जैसे बड़े जोड़ों को विस्फोटक शक्ति की आवश्यकता होती है, कलाई और कुशल हाथों को सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है, और घुटनों को स्थिरता बनाए रखते हुए भार सहन करने की आवश्यकता होती है। निर्माताओं ने, उत्पाद की स्थिति और लागत संबंधी विचारों के आधार पर, विभिन्न मोटर संयोजन समाधान अपनाए हैं।

टेस्ला ऑप्टिमस: एक तकनीकी बेंचमार्क का 'पूर्ण-स्टैक कॉन्फ़िगरेशन'।

टेस्ला ऑप्टिमस के पास वर्तमान में उद्योग में सबसे पूर्ण और तकनीकी रूप से पारदर्शी एक्चुएटर समाधान है। इसके जोड़ों को तीन श्रेणियों में बांटा गया है:

·  रोटरी एक्चुएटर्स (14 इकाइयाँ) : मुख्य रूप से कंधे, कूल्हों, कलाई और कमर जैसे बड़े कोण वाले घूर्णी जोड़ों में उपयोग किया जाता है। समाधान 'फ्रेमलेस टॉर्क मोटर + हार्मोनिक रिड्यूसर + टॉर्क सेंसर + डुअल एनकोडर' है, जो तीन टॉर्क विनिर्देशों की पेशकश करता है:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  लीनियर एक्चुएटर्स (14 इकाइयाँ) : सीमित स्विंग कोण वाले जोड़ों में वितरित, लेकिन उच्च जोर की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, कोहनी, घुटने, टखने)। समाधान 'फ्रेमलेस टॉर्क मोटर + प्लैनेटरी रोलर स्क्रू' है, जिसमें  500N, 3900N और 8000N के थ्रस्ट विनिर्देश हैं।.

·  निपुण हाथ एक्चुएटर्स (12 इकाइयाँ / दोनों हाथ) : खोखले कप मोटर + लघु मल्टी-स्टेज ग्रहीय गियरबॉक्स + वर्म गियर के संयोजन का उपयोग करता है। प्रत्येक हाथ में 11 डिग्री की स्वतंत्रता होती है और वह 9 किलो वजन उठा सकता है।

कुल मिलाकर, ऑप्टिमस कूल्हे और कंधे जैसे भारी भार वाले जोड़ों के लिए 180Nm उच्च-टोक़ एक्चुएटर का उपयोग करता है, और कोहनी और कलाई जैसे मध्यम-भार वाले हिस्सों के लिए मध्यम/निम्न टॉर्क समाधान का उपयोग करता है, जो एक उचित 'मांसपेशी ढाल' बनाता है। लागत के नजरिए से,  फ्रेमलेस टॉर्क मोटर कुल रोबोट लागत का लगभग 14.8% है , जो इसे ग्रहीय रोलर स्क्रू के बाद दूसरा सबसे महत्वपूर्ण घटक बनाता है।

यूनिट्री एच1/जी1: उच्च लागत-प्रदर्शन 'स्व-विकसित गुट'

यूनिट्री का दृष्टिकोण टेस्ला से काफी अलग है - वे  उच्च-टोक़-घनत्व मोटर्स + कम-अनुपात ग्रहीय गियर का उपयोग करके एक अर्ध-प्रत्यक्ष ड्राइव आर्किटेक्चर पसंद करते हैं , जो लागत को कम करते हुए बिजली उत्पादन सुनिश्चित करता है।

H1 को एक औद्योगिक-ग्रेड बड़े ह्यूमनॉइड रोबोट के रूप में तैनात किया गया है, जो एक स्व-विकसित M107 मोटर से सुसज्जित है जो  का अधिकतम टॉर्क दे सकता है  360N·m  (कूल्हे का जोड़  220N·m , टखने का जोड़  45N·m ) , जिसका दावा किया गया पावर घनत्व प्रतिस्पर्धियों की तुलना में 1.5 गुना है। संयुक्त वितरण: 14 निचले अंगों के जोड़ (टॉर्क 45-220N·m तक), 14 ऊपरी अंगों के जोड़ (टॉर्क ~75N·m), और 2 धड़ जोड़।

G1  घरेलू उपभोक्ता परिदृश्यों को लक्षित करता है: 1.32 मीटर लंबा, वजन 35 किलोग्राम। मानक संस्करण में 23 डीओएफ है, जबकि ईडीयू संस्करण 23-43 डीओएफ प्रदान करता है। इसके निचले पैर का जोड़ 'मोटर + दो-चरण ग्रहीय रेड्यूसर + एनकोडर + ड्राइवर' चार-इन-वन एकीकृत मॉड्यूल का उपयोग करता है, जिसमें अधिकतम घुटने के जोड़ का टॉर्क  90N·m  और अधिकतम बांह का भार 2kg होता है। विशेष रूप से, यूनिट्री ने मोटर्स, रिड्यूसर, कंट्रोलर, एनकोडर और अन्य मुख्य घटकों के साथ 90% से अधिक की स्थानीयकरण दर हासिल की है, जिससे G1 के बेस संस्करण की कीमत RMB 85,000 जितनी कम हो सकती है।

Xiaomi साइबरगियर: लघु एकीकृत ''एक्चुअरी''

Xiaomi का साइबरगियर पूरी तरह से अलग रास्ता अपनाता है - यह एक सर्वो मोटर, हार्मोनिक रिड्यूसर, डुअल एनकोडर और एक ड्राइवर को केवल  317 ग्राम वजन वाली छोटी बॉडी में पैक करता है , जिससे 'छोटा आकार, बड़ा एकीकरण' प्राप्त होता है।

तकनीकी पैरामीटर: साइबरगियर मोटर का अधिकतम टॉर्क केवल  3N·m है, लेकिन यह  तक तेजी से प्रतिक्रिया कर सकता है  20 मिलीसेकेंड । यह डेस्कटॉप रोबोटिक आर्म्स और छोटे रोबोट जोड़ों जैसे हल्के परिदृश्यों के लिए उपयुक्त है। मोटर बेहतर गर्मी अपव्यय के लिए एक काले एनोडाइज्ड एल्यूमीनियम आवास का उपयोग करता है, एक स्व-विकसित तापमान पहचान प्रणाली और सुरक्षा एल्गोरिदम को शामिल करता है, और एक XT30 कनेक्टर और त्वरित-रिलीज़ डिज़ाइन के साथ मानक आता है। इसे Xiaomi के ऑनलाइन स्टोर पर केवल  RMB 499 में बेचा जाता है , जो इसे एंट्री-लेवल रोबोट जॉइंट मॉड्यूल के लिए 'प्राइस गेटकीपर' बनाता है।

हालाँकि इसका 3N·m अधिकतम टॉर्क ऑप्टिमस और यूनिट्री के बड़े-टॉर्क समाधानों की तुलना में बहुत कम है, इसके केवल 317 ग्राम वजन और इसके 'त्वरित-रिलीज़ + एकीकृत' डिज़ाइन को देखते हुए, यह उपभोक्ता परिदृश्यों (घरेलू छोटे रोबोट, शैक्षिक रोबोट) के लिए पर्याप्त से अधिक है। यह एक 'काफी अच्छी' रणनीति का पालन करता है - छोटे और मध्यम आकार के निर्माताओं को भी रोबोटिक्स क्षेत्र में खेलने में सक्षम बनाता है।

ज़ियुआन रोबोटिक्स अभियान श्रृंखला: 'अल्टीमेट बर्स्ट पावर' का पीछा करना

झियुआन अभियान श्रृंखला मोटर प्रदर्शन में विशेष रूप से आक्रामक है। एक्सपीडिशन ए2 मैक्स रोबोट  450N·m का अधिकतम संयुक्त टॉर्क प्रदान करता है , जो वर्तमान में सार्वजनिक रूप से उपलब्ध उच्चतम संयुक्त टॉर्क आंकड़ों में से एक है। इसकी स्व-विकसित पावरफ्लो मोटर एक अर्ध-प्रत्यक्ष ड्राइव प्रौद्योगिकी मार्ग को अपनाती है - प्रत्यक्ष ड्राइव और पारंपरिक मोटरों के बीच - केवल 1.6 किलोग्राम वजन के साथ 350N·m से अधिक का पीक टॉर्क प्रदान करती है, और इसमें एक तरल शीतलन प्रणाली भी शामिल है, जो बल नियंत्रण संवेदनशीलता और निरंतर भार क्षमता को संतुलित करती है। वर्तमान में, झियुआन ने चेंगदू में एक औद्योगिक आधार लॉन्च किया है, और एक्सपीडिशन ए3, ए2 और लिंग्शी एक्स2 जैसे उत्पादों ने बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल किया है।

सहज तुलना के लिए, उपरोक्त मुख्यधारा मॉडल के प्रमुख मापदंडों को नीचे दी गई तालिका में संक्षेपित किया गया है:

ऊपर दी गई तालिका से, यह स्पष्ट है कि रोबोट फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर्स कूल्हे, घुटने और कंधे के जोड़ों जैसे भारी भार वाले परिदृश्यों में लगभग मानक बन गए हैं, जबकि हाथों के अंत में अधिक सटीक खोखले कप मोटर्स का उपयोग किया जाता है - केवल अंतर  मोटर प्रकार और प्रदर्शन मापदंडों के संयोजन में निहित है । दिशा सुसंगत है.

तृतीय. मोटर्स और पूर्ण रोबोट के बीच 'मैपिंग'।

तो कौन से अपस्ट्रीम मोटर निर्माता इन प्रसिद्ध ह्यूमनॉइड रोबोट उत्पादों का समर्थन कर रहे हैं? जैसे-जैसे बड़े पैमाने पर उत्पादन बढ़ रहा है, कई घरेलू और अंतर्राष्ट्रीय आपूर्तिकर्ता प्रमुख पदों पर कब्जा करते हुए, रोबोट निर्माताओं को पूरा करने के लिए खुद को गहराई से बाध्य कर रहे हैं।

·  टेस्ला की आपूर्ति श्रृंखला : इनोवांस टेक्नोलॉजी ड्राइव-कंट्रोल एकीकृत जोड़ों में अग्रणी स्थान रखती है, और लीडशाइन के मोशन कंट्रोल उत्पादों ने भी टेस्ला की आपूर्ति श्रृंखला में प्रवेश किया है। इसके अलावा, वोलोंग इलेक्ट्रिक ड्राइव के फ्रेमलेस टॉर्क मोटर्स ने यूनिट्री और झियुआन जैसे घरेलू मुख्यधारा के रोबोटों की आपूर्ति श्रृंखलाओं में सफलतापूर्वक प्रवेश किया है, जो अप्रत्यक्ष रूप से लगभग 25% की घरेलू बाजार हिस्सेदारी के साथ टेस्ला में शामिल हो गया है।

·  यूनिट्री  अत्यधिक उच्च स्थानीयकरण दर वाला खिलाड़ी है; इसके मोटर, ड्राइव बोर्ड और गति नियंत्रण एल्गोरिदम काफी हद तक स्व-विकसित हैं। आपूर्ति श्रृंखला के नजरिए से, लीडरड्राइव के हार्मोनिक रिड्यूसर और हाओझी इलेक्ट्रोमैकेनिकल के फ्रेमलेस टॉर्क मोटर्स, अन्य के अलावा, यूनिट्री की आपूर्ति करते हैं।

·  Xiaomi की साइबरगियर  मोटर बाहरी मोटर आपूर्तिकर्ताओं पर निर्भर नहीं है, लेकिन टियरडाउन से पता चलता है कि यह एम्स OSRAM के चुंबकीय एनकोडर और GigaDevice के मुख्य नियंत्रण MCU को एकीकृत करता है। इस बीच, इनोवांस टेक्नोलॉजी Xiaomi को भी आपूर्ति करती है।

·  झियुआन  के साथ कई आपूर्तिकर्ता गहराई से जुड़े हुए हैं। वोलोंग इलेक्ट्रिक ड्राइव ने न केवल 'उद्योग + पूंजी' दोहरे बंधन के माध्यम से ज़ियुआन की आपूर्ति श्रृंखला में प्रवेश किया है, बल्कि अप्रत्यक्ष रूप से ज़ियुआन में शेयर भी रखे हैं। सर्वो सिस्टम और फ्रेमलेस टॉर्क मोटर्स की आपूर्ति करने वाले अन्य घरेलू नेताओं में इनोवांस टेक्नोलॉजी, एसटीईपी इलेक्ट्रिक और वेइची इलेक्ट्रिक शामिल हैं।

कुल मिलाकर,  फ्रेमलेस टॉर्क मोटर क्षेत्र में स्थानीयकरण में तेजी देखी जा रही है । हाई-एंड मार्केट में, कोल्मोर्गन और एमओओजी जैसे अंतरराष्ट्रीय ब्रांड अभी भी तकनीकी उच्च भूमि पर कब्जा कर रहे हैं, लेकिन बड़े पैमाने पर उत्पादन, लागत नियंत्रण और अनुकूलित सेवाओं के मामले में, इनोवांस, वोलोंग और एसटीईपी जैसे घरेलू खिलाड़ी तेजी से बढ़ रहे हैं।

चतुर्थ. उच्च-स्तरीय 'मांसपेशियों' की आवश्यकताएँ: एनकोडर और उच्च-सटीक जोड़

मोटर्स बिजली उत्पादन की समस्या को हल करते हैं, लेकिन पर्याप्त सटीक संयुक्त स्थिति, ठीक बल प्रतिक्रिया और सुचारू गति नियंत्रण प्राप्त करने के लिए, एक अन्य प्रमुख घटक की आवश्यकता होती है -  एनकोडर.

एनकोडर रोबोट के 'तंत्रिका तंत्र' के रूप में कार्य करता है, जो स्थिति, गति और कोण की जानकारी की वास्तविक समय प्रतिक्रिया के लिए जिम्मेदार है। ह्यूमनॉइड रोबोट में,  दोहरी एनकोडर  समाधान मुख्यधारा बन गया है: एक एनकोडर मोटर साइड पर स्थापित किया गया है, दूसरा आउटपुट साइड पर, और उनके बीच कोणीय अंतर की तुलना टॉर्क और स्थिति को कैलिब्रेट करने से की जाती है। भारी भार वाले जोड़ों (जैसे कूल्हे और घुटने) में, एनकोडर यह निर्धारित करता है कि रोबोट चाल और बल को कितनी सटीकता से नियंत्रित कर सकता है; बारीक हाथ संचालन में, एनकोडर सटीकता मिलीमीटर में मापा जाने वाला एक महत्वपूर्ण चर है।

वी. एसडीएम: घरेलू रोबोट फ्रेमलेस टॉर्क मोटर्स और मैग्नेटिक एनकोडर्स में एक उभरता सितारा

तेजी से बढ़ते स्थानीयकरण की पृष्ठभूमि में, हांग्जो की एक कंपनी- एसडीएम -धीरे-धीरे अपने 'रोबोट फ्रेमलेस टॉर्क मोटर्स + चुंबकीय एनकोडर' के दोहरे पहिया उत्पाद मैट्रिक्स के साथ ह्यूमनॉइड रोबोट उद्योग श्रृंखला के मूल में कदम रख रही है।

फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर्स में एसडीएम के विभेदित लाभ मुख्य रूप से तीन पहलुओं में परिलक्षित होते हैं:

1. पूरी तरह से स्व-विकसित मोटर डिजाइन क्षमता । एसडीएम के फ़्रेमलेस टॉर्क मोटर्स विमानन-ग्रेड मिश्र धातु सामग्री और उच्च चुंबकीय ऊर्जा उत्पाद मैग्नेट का उपयोग करके उच्च गति प्रतिक्रिया और वास्तविक समय टॉर्क बंद-लूप नियंत्रण का समर्थन करते हैं, जिससे टॉर्क घनत्व और प्रभाव प्रतिरोध में काफी सुधार होता है। विभिन्न रोबोट जोड़ों (कूल्हे/घुटने/कंधे) की विभेदित आवश्यकताओं को लक्षित करते हुए, एसडीएम ने 50Nm से 200Nm तक के पीक टॉर्क के साथ कई मोटर उत्पाद लाइनें लॉन्च की हैं, जो हल्के वाणिज्यिक सेवा से लेकर औद्योगिक भारी भार तक के अनुप्रयोगों के लिए लचीले ढंग से अनुकूल हैं।

2. चुंबकीय एनकोडर में कोर प्रौद्योगिकी । एसडीएम के स्व-विकसित मल्टी-टर्न एब्सोल्यूट मैग्नेटिक एनकोडर और सिंगल-टर्न मैग्नेटिक एनकोडर सटीकता, स्थिरता और हस्तक्षेप-विरोधी क्षमता में अंतरराष्ट्रीय मुख्यधारा समाधानों से मेल खाते हैं। उच्च-सटीक मैग्नेटोरेसिस्टिव सेंसर और मल्टी-पोल मैग्नेटिक रिंग तकनीक का उपयोग करते हुए, एसडीएम के मैग्नेटिक एनकोडर 18 बिट्स से बेहतर स्थितिगत रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करते हैं, जबकि एंटी-कंपन और उच्च/निम्न तापमान विशेषताओं को महत्वपूर्ण रूप से अनुकूलित करते हैं। यह 'मोटर + एनकोडर' एकीकृत क्षमता संपूर्ण रोबोट निर्माताओं को  वन-स्टॉप संयुक्त ड्राइव समाधान चयन प्राप्त करने की अनुमति देती है , जिससे विकास दक्षता और सिस्टम एकीकरण में काफी सुधार होता है।

3. ''हांग्जो सिक्स लिटिल ड्रैगन्स'' औद्योगिक क्लस्टर में निहित । एसडीएम हांग्जो और यांग्त्ज़ी नदी डेल्टा क्षेत्र में स्थित है, जो चीन के रोबोट घटक संसाधनों की सघनतम सघनता की मेजबानी करता है, जिसमें रेड्यूसर, बियरिंग्स, सेंसर और अन्य प्रमुख भाग शामिल हैं। झेजियांग प्रांत की ह्यूमनॉइड रोबोट उद्योग विकास नीतियों के निरंतर प्रचार से लाभान्वित होकर, एसडीएम धीरे-धीरे एकल-घटक आपूर्ति से लेकर पूर्ण संयुक्त मॉड्यूल समाधान तक विस्तार कर रहा है।

जैसे-जैसे ह्यूमनॉइड रोबोट प्रयोगशाला चरण से  'बड़े पैमाने पर उत्पादन युग' की ओर बढ़ रहे हैं , अपस्ट्रीम मोटर और एनकोडर आपूर्तिकर्ताओं के बीच प्रतिस्पर्धा 'लागत-प्रभावशीलता' से 'प्रदर्शन + विश्वसनीयता' की दोहरी-ट्रैक लड़ाई में अपग्रेड हो रही है। एसडीएम, अपनी स्थानीय हांग्जो औद्योगिक श्रृंखला और अपनी स्व-विकसित मोटर और चुंबकीय एनकोडर क्षमताओं का लाभ उठाते हुए, घरेलू स्तर पर उत्पादित ह्यूमनॉइड रोबोटों के 'शक्ति स्रोत' में एक अपरिहार्य शक्ति बन रहा है।