Hogyan hajtják meg a robotkeret nélküli nyomatékmotorok a humanoid robotokat

Lehet, hogy láttál már rövid videókat humanoid robotokról – laboratóriumokban hátraszaltóról, autógyárakban alkatrészeket szállító robotokról, vagy akár természetes beszélgetésekről emberekkel. E látszólag 'emberszerű' cselekvések mögött egy alapvető lehetővé tevő húzódik meg: a közös rendszer. Ha az algoritmusok a robot agya és az érzékelők az érzékszervei, akkor a A Robot Keret nélküli Torque Motor  az izma – meghatározza, milyen gyorsan tud futni, milyen nehézeket tud felemelni, és milyen stabilan tud járni. Ma számos fősodratú humanoid robottermékből indulunk ki, hogy boncolgassuk, hol tűnik ki ez az 'izom' technológia, és hogyan támogatja az ipari átalakulást.

I. Miért elválaszthatatlanok a humanoid robotok a robotkeret nélküli nyomatékmotoroktól?

Ismerjük meg főhősünket. A keret nélküli nyomatékmotor egyedülálló létezés – nincs háza, nincs tengelye, nincsenek csapágyai. Az összes 'becsomagolt' perifériaelem eltávolításával  csak az állórész és a forgórész magja marad meg , amelyek közvetlenül be vannak ágyazva a robot csuklószerkezetébe. Az előnyök egyértelműek:  kisebb térfogat, nagyobb nyomaték . Egy humanoid robotban a nagy nyomatékú ízületek, például a csípő, a térd és a váll rendkívül nagy teljesítménysűrűséget és tömörséget igényelnek; A hagyományos motorok gyakran túl sok helyet foglalnak el, míg a keret nélküli nyomatékmotor beépíthető a csukló belsejébe, így 'motor-csukló一体化' kialakítás érhető el, így az általános szerkezet kompaktabb és hatékonyabb.

Az adatok is megerősítik fontosságát. Vegyük például a Tesla Optimust:  a 28 hajtómű mindegyike keret nélküli nyomatékmotort használ , kiemelve ennek a terméknek a közös működtetésben betöltött alapvető szerepét.

II. Általános termékkonfigurációs elemzés: különböző ízületek, különböző 'izmok'

Ha a motorokat az izmokkal hasonlítjuk össze, a különböző testrészekkel szemben támasztott követelmények nagymértékben eltérnek egymástól – a nagy ízületeknek, például a vállnak és a csípőnek robbanékony erőre van szükségük, a csuklóknak és az ügyes kezeknek pontos irányításra van szükségük, a térdeknek pedig el kell viselniük a terhelést, miközben megőrzik a stabilitást. A gyártók a termékpozícionálás és a költségmegfontolások alapján különböző motorkombinációs megoldásokat alkalmaztak.

Tesla Optimus: A műszaki referenciaérték 'Full-stack konfigurációja'

A Tesla Optimus jelenleg a legteljesebb és műszakilag legátláthatóbb működtető megoldással rendelkezik az iparágban. Az ízületek három kategóriába sorolhatók:

·  Forgó működtetők (14 egység) : Főleg nagy szögű forgási csuklókban, például vállban, csípőben, csuklóban és derékban használják. A megoldás a 'keret nélküli nyomatékmotor + harmonikus reduktor + nyomatékérzékelő + kettős jeladó', amely három nyomaték specifikációt kínál:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Lineáris hajtóművek (14 egység) : korlátozott lengésszögű, de nagy tolóerőt igénylő csuklókban van elosztva (pl. könyök, térd, boka). A megoldás a 'keret nélküli nyomatékú motor + bolygógörgős csavar', tolóerővel. 500N, 3900N és 8000N .

·  Ügyes kézi működtetők (12 egység / mindkét kéz) : üreges motor + miniatűr többfokozatú bolygókerekes hajtómű + csigahajtómű kombinációját használja. Mindegyik kéznek 11 szabadságfoka van, és 9 kg-os terhet képes felemelni.

Összességében az Optimus a 180 Nm-es, nagy nyomatékú működtetőelemet használja a nagy terhelésű ízületekhez, például a csípőhöz és a vállhoz, és a közepes/alacsony nyomatékú megoldásokat olyan közepes terhelésű részekhez, mint a könyök és a csukló, ésszerű 'izomgradienst'. Költség szempontjából  a keret nélküli nyomatékmotor a robot teljes költségének körülbelül 14,8%-át teszi ki , így a bolygóhengeres csavar után a második legkritikusabb alkatrész.

Unitree H1/G1: Magas költség-teljesítmény 'saját fejlesztésű frakció'

A Unitree megközelítése jelentősen eltér a Tesláétól – a  kvázi közvetlen hajtású architektúrát részesítik előnyben, nagy nyomatéksűrűségű motorokat és alacsony áttételű bolygókerekes hajtóműveket használva , ami biztosítja a teljesítményt, miközben csökkenti a költségeket.

A H1 ipari minőségű nagy humanoid robotként van elhelyezve, saját fejlesztésű M107 motorral felszerelve, amely  csúcsnyomatékot képes leadni  360 N·m  (csípőízület  220 N·m , bokaízület  45 N·m ), állítólagos teljesítménysűrűsége pedig 1,5-szerese a versenytársakénak. Ízületek elosztása: 14 alsó végtag izület (nyomaték 45-220 N·m), 14 felső végtag izület (nyomaték ~75 N·m) és 2 törzsízület.

A G1  otthoni fogyasztói forgatókönyveket céloz meg: 1,32 méter magas, 35 kg súlyú. A standard verzió 23 DOF, míg az EDU verzió 23–43 DOF-ot kínál. Az alsó lábszár ízülete egy 'motor + kétfokozatú bolygócsökkentő + jeladó + meghajtó' négy az egyben integrált modult használ,  90 N·m maximális térdízületi nyomatékkal  és 2 kg maximális karterheléssel. Nevezetesen, hogy a Unitree több mint 90%-os lokalizációs rátát ért el, a motorok, reduktorok, vezérlők, kódolók és egyéb alapvető összetevők mindegyike saját fejlesztésű, így a G1 alapváltozatának ára akár 85 000 RMB is lehet.

Xiaomi CyberGear: A miniatürizált integrált 'aktuárium'

A Xiaomi CyberGear teljesen más utat jár be – szervomotort, harmonikus reduktort, kettős kódolót és egy meghajtót csomagol egy mindössze  317 grammos , apró testbe, így 'kis méret, nagy integráció' érhető el.

Műszaki paraméterek: a CyberGear motor maximális nyomatéka mindössze  3 N·m  , de akár  20 ezredmásodpercig is képes reagálni . Alkalmas könnyű forgatókönyvekhez, például asztali robotkarokhoz és kisméretű robotcsuklókhoz. A motor fekete eloxált alumínium házat használ a jobb hőelvezetés érdekében, saját fejlesztésű hőmérséklet-érzékelő rendszert és védelmi algoritmusokat tartalmaz, valamint alapfelszereltségként XT30 csatlakozóval és gyorskioldó kialakítással érkezik. A Xiaomi online áruházában mindössze -ért árulják  499 RMB , így a belépő szintű robotösszekötő modulok 'árkapusa' lett.

Noha 3 N·m-es maximális nyomatéka jóval alacsonyabb, mint az Optimus és Unitree nagy nyomatékú megoldásaié, mindössze 317 grammos tömegét és 'gyorskioldó + integrált' kialakítását figyelembe véve több mint megfelelő fogyasztói forgatókönyvekhez (házi kisrobotok, oktatási robotok). „Elég jó” stratégiát követ – lehetővé teszi a kis- és közepes méretű gyártók számára, hogy a robotika területén is szerepet vállaljanak.

Zhiyuan Robotics Expedition sorozat: A 'Végső robbanásszerű teljesítmény' törekvés

A Zhiyuan Expedition sorozat különösen agresszív motorteljesítményt nyújt. Az Expedition A2 Max robot csúcsnyomatékot ad le  450 N·m , ami jelenleg az egyik legmagasabb nyilvánosan elérhető csuklónyomaték. Saját fejlesztésű PowerFlow motorja kvázi közvetlen hajtástechnológiát alkalmaz – valahol a közvetlen hajtás és a hagyományos motorok között –, amely 350 N·m-t meghaladó nyomatékot ad le, miközben súlya mindössze 1,6 kg, emellett folyadékhűtő rendszert is tartalmaz, amely kiegyenlíti az erőszabályozás érzékenységét és a folyamatos terhelhetőséget. Jelenleg a Zhiyuan ipari bázist indított Chengduban, és az olyan termékek, mint az Expedition A3, A2 és Lingxi X2 tömeggyártást értek el.

Az intuitív összehasonlítás érdekében a fenti mainstream modellek legfontosabb paramétereit az alábbi táblázat foglalja össze:

A fenti táblázatból jól látható, hogy a robotkeret nélküli forgatónyomaték-motorok szinte szabványossá váltak a nagy terhelésű forgatókönyvekben, például a csípő-, térd- és vállízületeknél, míg a pontosabb üreges csésze motorokat a kezek végén alkalmazzák – az egyetlen különbség a  motortípus és a teljesítményparaméterek kombinációjában rejlik . Az irány következetes.

III. A 'térképezés' a motorok és a komplett robotok között

Tehát mely motorgyártók támogatják ezeket a jól ismert humanoid robottermékeket? A tömegtermelés felfutásával számos hazai és nemzetközi beszállító szorosan kötődik a teljes robotgyártókhoz, amelyek kulcspozíciókat töltenek be.

·  A Tesla ellátási lánca : Az Innovance Technology vezető szerepet tölt be a hajtásvezérlésű integrált csuklók terén, és a Leadshine mozgásvezérlő termékei is bekerültek a Tesla ellátási láncába. Emellett a Wolong Electric Drive keret nélküli nyomatékú motorjai sikeresen bekerültek a hazai mainstream robotok, például az Unitree és a Zhiyuan ellátási láncába, közvetve a Teslához kapcsolódva, mintegy 25%-os hazai piaci részesedéssel.

·  Az Unitree  rendkívül magas lokalizációs rátával rendelkező játékos; motorjai, meghajtókártyái és mozgásvezérlő algoritmusai nagyrészt saját fejlesztésűek. Az ellátási lánc szempontjából többek között a Leaderdrive harmonikus reduktorai és a Haozhi Electromechanical keret nélküli nyomatékmotorjai szolgáltatják az Unitree-t.

·  A Xiaomi CyberGear  motorja nem támaszkodik külső motorszállítókra, de a leszerelések során kiderült, hogy integrálja az ams OSRAM mágneses kódolóját és a GigaDevice fő vezérlő MCU-ját. Eközben az Inovance Technology a Xiaomit is szállítja.

·  A Zhiyuan  számos beszállítója szorosan kötődik hozzá. A Wolong Electric Drive nemcsak belépett a Zhiyuan ellátási láncába az 'ipar + tőke' kettős kötés révén, hanem közvetetten részesedéssel is rendelkezik a Zhiyuanban. A szervorendszereket és a keret nélküli nyomatékmotorokat szállító további hazai vezetők közé tartozik az Innovance Technology, a STEP Electric és a Veichi Electric.

Összességében  a keret nélküli forgatónyomatékú motormező a lokalizáció felgyorsulásáról tanúskodik . A csúcskategóriás piacon az olyan nemzetközi márkák, mint a Kollmorgen és a MOOG, még mindig a technológiai csúcsot foglalják el, de a tömeggyártás, a költségkontroll és a testreszabott szolgáltatások terén gyorsan emelkednek az olyan hazai szereplők, mint az Inovance, a Wolong és a STEP.

IV. Magasabb szintű 'izom' követelmények: kódolók és nagy pontosságú ízületek

A motorok megoldják a teljesítményproblémát, de a kellően pontos ízületi pozicionálás, a finom erő-visszacsatolás és a zökkenőmentes mozgásszabályozás eléréséhez egy másik kulcselemre van szükség: a  kódolóra..

A kódoló a robot 'idegrendszere' szerepét tölti be, amely a pozíció-, sebesség- és szöginformációk valós idejű visszajelzéséért felelős. A humanoid robotoknál a  dual encoder  megoldás vált elterjedtté: az egyik kódolót a motor oldalára, a másikat a kimenetre szerelik, és a köztük lévő szögkülönbséget a kalibrációs nyomatékhoz és pozícióhoz viszonyítják. Nagy terhelésű ízületeknél (például csípő és térd) a kódoló határozza meg, hogy a robot milyen pontosan tudja szabályozni a járást és az erőt; finom kézi műveleteknél a kódoló pontossága milliméterben mért kritikus változó.

V. SDM: Egy feltörekvő csillag a hazai robotkeret nélküli nyomatékmotorokban és mágneses kódolókban

A felgyorsuló lokalizáció hátterében egy hangcsou-i vállalat – az SDM – fokozatosan a humanoid robotipari lánc magjába lép a 'robot keret nélküli nyomatékmotorok + mágneses kódolók' kétkerekű termékmátrixával.

Az SDM megkülönböztetett előnyei a keret nélküli nyomatékú motorokban főként három vonatkozásban tükröződnek:

1. Teljesen saját fejlesztésű motortervezési képesség . Az SDM keret nélküli nyomatékmotorjai támogatják a nagy sebességű választ és a valós idejű nyomaték zárt hurkú szabályozását, repülési minőségű ötvözet anyagok és nagy mágneses energiájú termékmágnesek felhasználásával, jelentősen javítva a nyomatéksűrűséget és az ütésállóságot. A különféle robotízületek (csípő/térd/váll) differenciált igényeit megcélozva az SDM több olyan motorterméket dobott piacra, amelyek csúcsnyomatéka 50 Nm-től 200 Nm-ig terjed, rugalmasan alkalmazkodva a könnyű kereskedelmi szolgáltatásoktól az ipari nagy terhelésig terjedő alkalmazásokhoz.

2. A mágneses kódolók alaptechnológiája . Az SDM saját fejlesztésű, többfordulatú abszolút mágneses jeladói és egyfordulatú mágneses kódolói pontosságban, stabilitásban és interferencia-ellenes képességben megfelelnek a nemzetközi mainstream megoldásoknak. A nagy pontosságú magnetorezisztív érzékelők és a többpólusú mágnesgyűrűs technológia segítségével az SDM mágneses kódolói 18 bitnél jobb helyzetfelbontást érnek el, miközben jelentősen optimalizálják a rezgéscsillapítást és a magas/alacsony hőmérsékleti jellemzőket. Ez a 'motor + jeladó' integrált képesség lehetővé teszi a komplett robotgyártók számára, hogy  egyablakos csuklós hajtásmegoldást válasszanak , ami jelentősen javítja a fejlesztési hatékonyságot és a rendszerintegrációt.

3. A 'Hangzhou Six Little Dragons' ipari klaszterben gyökerezik . Az SDM Hangzhouban és a Jangce-folyó delta régiójában található, ahol Kína legsűrűbben koncentrálódik a robotalkatrészek erőforrásai, beleértve a reduktorokat, csapágyakat, érzékelőket és más kulcsfontosságú alkatrészeket. A Zhejiang tartomány humanoid robotipar fejlesztési politikáinak folyamatos népszerűsítéséből az SDM fokozatosan kiterjeszti az egykomponensű ellátást a teljes közös modulmegoldásokra.

Ahogy a humanoid robotok a laboratóriumi szakaszból a  'tömegtermelés korszakába' lépnek át , az upstream motor- és kódolószállítók közötti verseny a 'költséghatékonyságról' a 'teljesítmény + megbízhatóság' kettős pályára emelkedik. A helyi Hangzhou ipari lánc előnyeit és saját fejlesztésű motoros és mágneses kódoló képességeit kihasználva az SDM a hazai gyártású humanoid robotok 'energiaforrásának' nélkülözhetetlen erőjévé válik.