Kako robotski momentni motori bez okvira pokreću humanoidne robote

Možda ste već vidjeli kratke videozapise humanoidnih robota — koji rade backflipove u laboratorijima, nose dijelove u tvornicama automobila ili čak vode prirodne razgovore s ljudima. Iza ovih naizgled 'ljudskih' radnji leži ključni pokretač: zglobni sustav. Ako su algoritmi robotov mozak, a senzori njegova osjetila, onda je Robot Frameless Torque Motor  njegov je mišić—određuje koliko brzo može trčati, koliko teško može podići i koliko stabilno može hodati. Danas ćemo krenuti od nekoliko mainstream proizvoda humanoidnih robota kako bismo analizirali gdje se ova 'mišićna' tehnologija ističe i kako podržava industrijsku transformaciju.

I. Zašto su humanoidni roboti neodvojivi od robotskih momentnih motora bez okvira?

Upoznajmo našeg protagonista. Momentni motor bez okvira jedinstveno je postojanje - nema kućište, nema osovinu, nema ležajeve. Uklanjanjem svih 'zapakiranih' perifernih komponenti, zadržava  samo jezgru statora i rotora , koji su izravno ugrađeni u robotovu zglobnu strukturu. Prednosti su jednostavne:  manji volumen, veći okretni moment . U humanoidnom robotu, zglobovi s velikim momentom kao što su kuk, koljeno i rame zahtijevaju izuzetno veliku gustoću snage i kompaktnost; tradicionalni motori često zauzimaju previše prostora, dok se momentni motor bez okvira može integrirati unutar zgloba kako bi se postigao dizajn 'zglob motora一体化', čineći cjelokupnu strukturu kompaktnijom i učinkovitijom.

Njegovu važnost potvrđuju i podaci. Uzmimo Tesla Optimus kao primjer:  svaki od njegovih 28 aktuatora koristi momentni motor bez okvira , naglašavajući ključnu ulogu ovog proizvoda u zajedničkom pokretanju.

II. Glavna analiza konfiguracije proizvoda: različiti zglobovi, različiti 'mišići'

Usporedimo li motore s mišićima, zahtjevi za različite dijelove tijela uvelike se razlikuju — veliki zglobovi poput ramena i kukova trebaju eksplozivnu snagu, zapešća i spretne ruke trebaju preciznu kontrolu, a koljena moraju podnijeti opterećenje uz održavanje stabilnosti. Proizvođači su, na temelju pozicioniranja proizvoda i razmatranja troškova, usvojili različita rješenja kombinacije motora.

Tesla Optimus: 'Full-Stack konfiguracija' tehničkog mjerila

Tesla Optimus trenutno ima najcjelovitije i tehnički najtransparentnije rješenje aktuatora u industriji. Njegovi zglobovi su podijeljeni u tri kategorije:

·  Rotacijski pokretači (14 jedinica) : Uglavnom se koriste u rotacijskim zglobovima pod velikim kutom kao što su ramena, kukovi, zapešća i struk. Rješenje je 'motor momenta bez okvira + harmonijski reduktor + senzor momenta + dvostruki koderi', nudi tri specifikacije momenta:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Linearni pokretači (14 jedinica) : Distribuirani u zglobovima s ograničenim kutom zakretanja, ali zahtijevaju veliki potisak (npr. laktovi, koljena, gležnjevi). Rješenje je 'momentni motor bez okvira + planetarni valjkasti vijak', sa specifikacijama potiska od  500N, 3900N i 8000N.

·  Spretni ručni pokretači (12 jedinica / obje ruke) : Koristi kombinaciju šupljeg motora + minijaturnog višestupanjskog planetarnog mjenjača + pužnog zupčanika. Svaka ruka ima 11 stupnjeva slobode i može podići teret od 9 kg.

Općenito, Optimus koristi aktuator visokog zakretnog momenta od 180 Nm za zglobove s teškim opterećenjem poput kuka i ramena, te rješenja srednjeg/niskog zakretnog momenta za dijelove s umjerenim opterećenjem poput lakta i zapešća, tvoreći razuman 'gradijent mišića'. Iz perspektive troškova,  momentni motor bez okvira čini približno 14,8% ukupne cijene robota , što ga čini drugom najkritičnijom komponentom nakon planetarnog vijka s valjkom.

Unitree H1/G1: 'Samorazvijena frakcija' visoke cijene i učinka

Pristup tvrtke Unitree značajno se razlikuje od Teslinog — oni preferiraju  kvaziizravnu pogonsku arhitekturu koja koristi motore s velikom gustoćom okretnog momenta + planetarne zupčanike s niskim omjerom , što osigurava izlaznu snagu uz smanjenje troškova.

H1  je pozicioniran kao industrijski veliki humanoidni robot, opremljen samorazvijenim M107 motorom koji može isporučiti vršni okretni moment od  360 N·m  (zglob kuka  220 N·m , skočni zglob  45 N·m ), s navedenom gustoćom snage 1,5 puta većom od konkurencije. Distribucija zglobova: 14 zglobova donjih udova (okretni moment u rasponu 45–220 N·m), 14 zglobova gornjih udova (okretni moment ~75 N·m) i 2 zgloba trupa.

G1  cilja na scenarije kućnih potrošača: visok 1,32 m, težak 35 kg. Standardna verzija ima 23 DOF, dok EDU verzija nudi 23–43 DOF. Njegov zglob potkoljenice koristi integrirani modul četiri u jednom 'motor + dvostupanjski planetarni reduktor + enkoder + pokretač', s maksimalnim okretnim momentom zgloba koljena od  90 N·m  i maksimalnim opterećenjem ruke od 2 kg. Naime, Unitree je postigao stopu lokalizacije od preko 90%, s motorima, reduktorima, kontrolerima, koderima i drugim ključnim komponentama koje je sam razvio, što omogućuje da osnovna verzija G1 bude cijenjena od samo 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: minijaturizirani integrirani 'Aktuar'

Xiaomijev CyberGear ide potpuno drugačijim putem—pakira servo motor, reduktor harmonika, dvostruke kodere i upravljački program u sićušno tijelo koje teži samo  317 grama , postižući 'mala veličina, velika integracija'.

Tehnički parametri: motor CyberGear ima maksimalni okretni moment od samo  3N·m  , ali može reagirati za čak  20 milisekundi . Prikladan je za lagane scenarije kao što su desktop robotske ruke i mali robotski zglobovi. Motor koristi crno anodizirano aluminijsko kućište za bolju disipaciju topline, uključuje samorazvijeni sustav detekcije temperature i algoritme zaštite, a standardno dolazi s XT30 konektorom i dizajnom za brzo otpuštanje. Prodaje se u Xiaomiovoj internetskoj trgovini za samo  499 RMB , što ga čini 'čuvarom cijena' za početne module zglobova robota.

Iako je njegov maksimalni okretni moment od 3N·m daleko niži od onog kod Optimus i Unitree rješenja za veliki okretni moment, uzimajući u obzir njegovu težinu od samo 317 grama i njegov 'brzo otpuštajući + integrirani' dizajn, više je nego prikladan za potrošačke scenarije (mali kućni roboti, obrazovni roboti). Slijedi strategiju 'dovoljno dobro'—omogućujući malim i srednjim proizvođačima da također igraju na području robotike.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Pratiti 'Ultimate Burst Power'

Serija Zhiyuan Expedition posebno je agresivna u motoričkim performansama. Robot Expedition A2 Max isporučuje najveći okretni moment zgloba od  450 N·m , trenutno jedan od najvećih javno dostupnih okretnih momenta zglobova. Njegov PowerFlow motor koji je samostalno razvio usvaja kvazi-direktni pogonski tehnološki put—negdje između izravnog pogona i tradicionalnih motora—isporučujući vršni okretni moment veći od 350N·m dok teži samo 1,6kg, a također uključuje sustav hlađenja tekućinom, balansirajući osjetljivost kontrole sile i kontinuirani kapacitet opterećenja. Trenutno je Zhiyuan pokrenuo industrijsku bazu u Chengduu, a proizvodi kao što su Expedition A3, A2 i Lingxi X2 postigli su masovnu proizvodnju.

Za intuitivnu usporedbu, ključni parametri gore navedenih mainstream modela sažeti su u tablici u nastavku:

Iz gornje tablice jasno je da su robotski momentni motori bez okvira postali gotovo standardni u scenarijima s velikim opterećenjem kao što su zglobovi kuka, koljena i ramena, dok se precizniji motori sa šupljom čašom koriste na krajevima ruku—jedine razlike leže u kombinaciji  vrste motora i parametara performansi . Smjer je dosljedan.

III. 'Mapiranje' između motora i potpunih robota

Dakle, koji uzvodni proizvođači motora podržavaju ove dobro poznate proizvode humanoidnih robota? Kako masovna proizvodnja raste, brojni domaći i međunarodni dobavljači duboko se vežu za kompletne proizvođače robota, zauzimajući ključne pozicije.

·  Teslin opskrbni lanac : Inovance Technology drži vodeću poziciju u integriranim spojevima za upravljanje pogonom, a Leadshineovi proizvodi za kontrolu kretanja također su ušli u Teslin opskrbni lanac. Osim toga, momentni motori bez okvira tvrtke Wolong Electric Drive uspješno su ušli u opskrbne lance domaćih mainstream robota kao što su Unitree i Zhiyuan, neizravno se povezujući s Teslom, s udjelom na domaćem tržištu od oko 25%.

·  Unitree  je igrač s iznimno visokom stopom lokalizacije; njegovi motori, pogonske ploče i algoritmi upravljanja kretanjem uglavnom su sami razvijeni. Iz perspektive opskrbnog lanca, Leaderdrive harmonijski reduktori i Haozhi Electromechanical momentni motori bez okvira, među ostalim, opskrbljuju Unitree.

·  Xiaomijev CyberGear  motor ne oslanja se na vanjske dobavljače motora, ali rastavljanje otkriva da integrira ams OSRAM-ov magnetski koder i GigaDeviceov glavni upravljački MCU. U međuvremenu, Inovance Technology također opskrbljuje Xiaomi.

·  Zhiyuan  ima brojne dobavljače koji su duboko povezani s njim. Wolong Electric Drive ne samo da je ušao u lanac opskrbe Zhiyuana kroz dvojno vezanje 'industrija + kapital', već i neizravno drži dionice u Zhiyuanu. Ostali domaći vodeći dobavljači servo sustava i momentnih motora bez okvira uključuju Inovance Technology, STEP Electric i Veichi Electric.

Sveukupno,  polje momentnih motora bez okvira svjedoči ubrzanju lokalizacije . Na vrhunskom tržištu, međunarodni brendovi kao što su Kollmorgen i MOOG još uvijek zauzimaju tehnološki vrh, ali u smislu masovne proizvodnje, kontrole troškova i prilagođenih usluga, domaći igrači kao što su Inovance, Wolong i STEP brzo rastu.

IV. Zahtjevi više razine za 'mišiće': Enkoderi i visokoprecizni zglobovi

Motori rješavaju problem izlazne snage, ali da bi se postiglo dovoljno precizno pozicioniranje zglobova, fina povratna informacija o sili i glatka kontrola kretanja, potrebna je još jedna ključna komponenta -  koder.

Enkoder djeluje kao 'živčani sustav' robota, odgovoran za povratnu informaciju o položaju, brzini i kutu u stvarnom vremenu. Kod humanoidnih robota, rješenje  s dvostrukim koderom  postalo je glavno: jedan koder je instaliran na strani motora, drugi na strani izlaza, a kutna razlika između njih uspoređuje se za kalibraciju momenta i položaja. U zglobovima s teškim opterećenjem (kao što su kuk i koljeno), enkoder određuje koliko precizno robot može kontrolirati hod i silu; u finim ručnim operacijama, točnost kodera je kritična varijabla koja se mjeri u milimetrima.

V. SDM: Zvijezda u nastajanju u domaćim robotskim momentnim motorima bez okvira i magnetskim koderima

U pozadini ubrzane lokalizacije, tvrtka iz Hangzhoua — SDM — postupno ulazi u jezgru lanca industrije humanoidnih robota sa svojom matricom proizvoda s dva kotača 'robotskih momentnih motora bez okvira + magnetskih kodera'.

Diferencirane prednosti SDM-a kod momentnih motora bez okvira uglavnom se odražavaju u tri aspekta:

1. Potpuno samostalno razvijena sposobnost dizajna motora . SDM-ovi momentni motori bez okvira podržavaju brzi odziv i upravljanje zatvorenom petljom momenta u stvarnom vremenu, koristeći materijale od legure zrakoplovne kvalitete i magnete proizvoda visoke magnetske energije, značajno poboljšavajući gustoću momenta i otpornost na udarce. Ciljajući na različite potrebe različitih zglobova robota (kuk/koljeno/rame), SDM je lansirao više linija proizvoda motora s vršnim momentom koji pokriva 50Nm do preko 200Nm, fleksibilno prilagođavajući se primjenama u rasponu od lakih komercijalnih usluga do industrijskih teških opterećenja.

2. Osnovna tehnologija u magnetskim koderima . SDM-ovi samorazvijeni višeokretni apsolutni magnetski enkoderi i jednookretni magnetski enkoderi odgovaraju međunarodnim glavnim rješenjima u točnosti, stabilnosti i sposobnosti zaštite od smetnji. Koristeći visokoprecizne magnetootporne senzore i višepolnu tehnologiju magnetskog prstena, SDM-ovi magnetski enkoderi postižu položajnu rezoluciju bolju od 18 bita, dok značajno optimiziraju karakteristike protiv vibracija i visokih/niskih temperatura. Ova integrirana sposobnost 'motor + koder' omogućuje proizvođačima kompletnih robota postizanje  jedinstvenog odabira rješenja pogona , uvelike poboljšavajući učinkovitost razvoja i integraciju sustava.

3. Ukorijenjen u industrijskom klasteru 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM se nalazi u Hangzhouu i regiji delte rijeke Yangtze, koja je domaćin najgušće kineske koncentracije resursa komponenti robota, uključujući reduktore, ležajeve, senzore i druge ključne dijelove. Koristeći kontinuiranu promociju politike razvoja industrije humanoidnih robota provincije Zhejiang, SDM se postupno proširuje s jednokomponentne ponude na cjelovita rješenja zajedničkih modula.

Kako se humanoidni roboti pomiču iz laboratorijske faze u  'eru masovne proizvodnje' , natjecanje među dobavljačima motora i kodera nadograđuje se od 'isplativosti' do bitke na dvostrukom kolosijeku 'performanse + pouzdanost'. SDM, iskorištavajući prednosti svog lokalnog industrijskog lanca u Hangzhouu i vlastitog razvoja motora i sposobnosti magnetskog kodera, postaje nezamjenjiva snaga u 'izvoru energije' humanoidnih robota domaće proizvodnje.