Come i motori torque senza telaio alimentano i robot umanoidi

Potresti aver già visto brevi video di robot umanoidi che eseguono salti mortali all'indietro nei laboratori, trasportano parti nelle fabbriche di automobili o addirittura conversano in modo naturale con le persone. Dietro queste azioni apparentemente “simili a quelle umane” si nasconde un fattore abilitante fondamentale: il sistema congiunto. Se gli algoritmi sono il cervello del robot e i sensori sono i suoi sensi, allora... Il motore di coppia senza telaio del robot  è il suo muscolo: determina la velocità con cui può correre, il peso che può sollevare e la stabilità con cui può camminare. Oggi inizieremo da diversi prodotti tradizionali di robot umanoidi per analizzare dove eccelle questa tecnologia 'muscolare' e come supporta una trasformazione industriale.

I. Perché i robot umanoidi sono inseparabili dai motori torque frameless dei robot?

Conosciamo meglio il nostro protagonista. Un motore torque senza telaio è un'esistenza unica: non ha alloggiamento, albero o cuscinetti. Rimuovendo tutti i componenti periferici 'imballati', vengono conservati  solo il nucleo dello statore e del rotore , che sono direttamente incorporati nella struttura articolare del robot. I vantaggi sono evidenti:  volume più piccolo, coppia più elevata . In un robot umanoide, articolazioni a coppia elevata come l'anca, il ginocchio e la spalla richiedono densità di potenza e compattezza estremamente elevate; i motori tradizionali spesso occupano troppo spazio, mentre un motore torque senza telaio può essere integrato all'interno del giunto per ottenere un design 'giunto motore一体化', rendendo la struttura complessiva più compatta ed efficiente.

Anche i dati ne confermano l’importanza. Prendiamo come esempio Tesla Optimus:  ognuno dei suoi 28 attuatori utilizza un motore torque senza telaio , evidenziando il ruolo fondamentale di questo prodotto nell'attuazione congiunta.

II. Analisi della configurazione del prodotto tradizionale: articolazioni diverse, 'muscoli' diversi

Se confrontiamo i motori con i muscoli, i requisiti per le diverse parti del corpo variano notevolmente: articolazioni grandi come spalle e anche necessitano di potenza esplosiva, polsi e mani abili necessitano di un controllo preciso e le ginocchia devono sopportare il carico mantenendo la stabilità. I produttori, in base al posizionamento del prodotto e a considerazioni sui costi, hanno adottato diverse soluzioni di combinazione di motori.

Tesla Optimus: la 'configurazione full-stack' di un benchmark tecnico

Tesla Optimus offre attualmente la soluzione di attuatori più completa e tecnicamente trasparente del settore. Le sue articolazioni si dividono in tre categorie:

·  Attuatori rotanti (14 unità) : utilizzati principalmente in giunti di rotazione ad ampio angolo come spalle, anche, polsi e vita. La soluzione è 'motore di coppia senza telaio + riduttore armonico + sensore di coppia + doppi encoder', che offre tre specifiche di coppia:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Attuatori lineari (14 unità) : distribuiti in articolazioni con angolo di oscillazione limitato ma che richiedono una spinta elevata (ad esempio gomiti, ginocchia, caviglie). La soluzione è un 'motore torque senza telaio + vite a rulli planetari', con specifiche di spinta di  500 N, 3900 N e 8000 N.

·  Attuatori manuali abili (12 unità/entrambe le mani) : utilizza una combinazione di motore a tazza cava + riduttore epicicloidale multistadio miniaturizzato + ingranaggio a vite senza fine. Ciascuna mano ha 11 gradi di libertà e può sollevare un carico di 9 kg.

Nel complesso, Optimus utilizza l'attuatore a coppia elevata da 180 Nm per articolazioni sottoposte a carico pesante come l'anca e la spalla e soluzioni a coppia medio/bassa per parti a carico moderato come il gomito e il polso, formando un ragionevole 'gradiente muscolare'. Dal punto di vista dei costi,  il motore torque senza telaio rappresenta circa il 14,8% del costo totale del robot , diventando così il secondo componente più critico dopo la vite a rulli planetari.

Unitree H1/G1: 'Fazione autosviluppata' ad alto costo e prestazioni

L'approccio di Unitree è significativamente diverso da quello di Tesla: preferiscono  un'architettura di azionamento quasi diretto che utilizza motori ad alta densità di coppia + ingranaggi planetari a basso rapporto , che garantisce la potenza erogata riducendo i costi.

H1  si presenta come un grande robot umanoide di livello industriale, dotato di un motore M107 sviluppato internamente in grado di fornire una coppia di picco di  360 N·m  (articolazione dell'anca  220 N·m , articolazione della caviglia  45 N·m ), con una densità di potenza dichiarata 1,5 volte quella dei concorrenti. Distribuzione articolare: 14 articolazioni degli arti inferiori (coppia compresa tra 45 e 220 N·m), 14 articolazioni degli arti superiori (coppia ~ 75 N·m) e 2 articolazioni del tronco.

G1  si rivolge a scenari di consumo domestico: 1,32 m di altezza, peso 35 kg. La versione standard ha 23 DOF, mentre la versione EDU offre 23–43 DOF. L'articolazione della parte inferiore della gamba utilizza un modulo integrato quattro in uno 'motore + riduttore epicicloidale a due stadi + encoder + driver', con una coppia massima dell'articolazione del ginocchio di  90 N·m  e un carico massimo del braccio di 2 kg. In particolare, Unitree ha raggiunto un tasso di localizzazione superiore al 90%, con motori, riduttori, controller, encoder e altri componenti principali tutti sviluppati internamente, consentendo alla versione base del G1 di avere un prezzo minimo di 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: L''Attuario' Integrato Miniaturizzato

CyberGear di Xiaomi prende una strada completamente diversa: racchiude un servomotore, un riduttore armonico, doppi encoder e un driver in un corpo minuscolo che pesa solo  317 grammi , ottenendo 'piccole dimensioni, grande integrazione'.

Parametri tecnici: il motore CyberGear ha una coppia massima di soli  3 N·m  ma può rispondere fino a  20 millisecondi . È adatto per scenari leggeri come bracci robotici desktop e piccoli giunti robotici. Il motore utilizza un alloggiamento in alluminio anodizzato nero per una migliore dissipazione del calore, incorpora un sistema di rilevamento della temperatura e algoritmi di protezione auto-sviluppati e viene fornito di serie con un connettore XT30 e un design a sgancio rapido. Viene venduto sul negozio online di Xiaomi per soli  499 RMB , rendendolo il 'guardiano dei prezzi' per i moduli di giunzione robot entry-level.

Sebbene la sua coppia massima di 3 Nm sia di gran lunga inferiore a quella delle soluzioni a coppia elevata di Optimus e Unittree, considerando il suo peso di soli 317 grammi e il suo design 'sgancio rapido + integrato', è più che adeguato per gli scenari di consumo (piccoli robot domestici, robot educativi). Segue una strategia “abbastanza buona” che consente ai produttori di piccole e medie dimensioni di operare anche nello spazio della robotica.

Serie di spedizioni Zhiyuan Robotics: alla ricerca della 'potenza esplosiva definitiva'

La serie Zhiyuan Expedition è particolarmente aggressiva nelle prestazioni del motore. Il robot Expedition A2 Max eroga una coppia di picco articolare di  450 N·m , attualmente uno dei valori di coppia articolare più alti disponibili al pubblico. Il suo motore PowerFlow sviluppato internamente adotta un percorso tecnologico di azionamento quasi diretto, a metà strada tra l'azionamento diretto e i motori tradizionali, offrendo una coppia di picco superiore a 350 N·m con un peso di soli 1,6 kg e incorpora inoltre un sistema di raffreddamento a liquido, bilanciando la sensibilità del controllo della forza e la capacità di carico continuo. Attualmente, Zhiyuan ha lanciato una base industriale a Chengdu e prodotti come Expedition A3, A2 e Lingxi X2 hanno raggiunto la produzione di massa.

Per un confronto intuitivo, i parametri chiave dei modelli tradizionali di cui sopra sono riepilogati nella tabella seguente:

Dalla tabella sopra, è chiaro che i motori torque senza telaio dei robot sono diventati quasi standard in scenari con carichi pesanti come le articolazioni dell'anca, del ginocchio e della spalla, mentre all'estremità delle mani vengono utilizzati motori a tazza cava più precisi: le uniche differenze risiedono nella  combinazione del tipo di motore e dei parametri di prestazione . La direzione è coerente.

III. La 'Mappatura' tra Motori e Robot completi

Quindi quali produttori di motori a monte supportano questi noti prodotti di robot umanoidi? Con l’incremento della produzione di massa, numerosi fornitori nazionali e internazionali si stanno fortemente vincolando ai produttori di robot completi, occupando posizioni chiave.

·  Catena di fornitura di Tesla : Inovance Technology detiene una posizione di leader nei giunti integrati per il controllo della trasmissione e anche i prodotti per il controllo del movimento di Leadshine sono entrati nella catena di fornitura di Tesla. Inoltre, i motori torque senza telaio di Wolong Electric Drive sono entrati con successo nelle catene di fornitura dei robot tradizionali domestici come Unitree e Zhiyuan, collegandosi indirettamente a Tesla, con una quota di mercato interno di circa il 25%.

·  Unitree  è un player con un tasso di localizzazione estremamente elevato; i suoi motori, le schede di azionamento e gli algoritmi di controllo del movimento sono in gran parte sviluppati internamente. Dal punto di vista della catena di fornitura, i riduttori armonici di Leaderdrive e i motori torque senza telaio di Haozhi Electromechanical, tra gli altri, forniscono Unitree.

· Il motore  CyberGear di Xiaomi  non si affida a fornitori di motori esterni, ma gli smontaggi rivelano che integra l'encoder magnetico di ams OSRAM e l'MCU di controllo principale di GigaDevice. Nel frattempo, Inovance Technology fornisce anche Xiaomi.

·  Zhiyuan  ha numerosi fornitori profondamente legati ad essa. Wolong Electric Drive non solo è entrata nella catena di fornitura di Zhiyuan attraverso un doppio legame 'industria + capitale', ma detiene anche indirettamente azioni di Zhiyuan. Altri leader nazionali che forniscono servosistemi e motori torque senza telaio includono Inovance Technology, STEP Electric e Veichi Electric.

Nel complesso,  il campo dei motori torque frameless sta assistendo a un’accelerazione della localizzazione . Nel mercato di fascia alta, marchi internazionali come Kollmorgen e MOOG occupano ancora le prime posizioni tecnologiche, ma in termini di produzione di massa, controllo dei costi e servizi personalizzati, attori nazionali come Inovance, Wolong e STEP sono in rapida crescita.

IV. Requisiti 'muscolari' di livello superiore: codificatori e giunti ad alta precisione

I motori risolvono il problema della potenza in uscita, ma per ottenere un posizionamento del giunto sufficientemente accurato, un feedback di forza preciso e un controllo del movimento fluido, è necessario un altro componente chiave: l'  encoder.

L'encoder funge da 'sistema nervoso' del robot, responsabile del feedback in tempo reale delle informazioni su posizione, velocità e angolo. Nei robot umanoidi, la soluzione  a doppio encoder  è diventata mainstream: un encoder è installato sul lato motore, l'altro sul lato uscita, e la differenza angolare tra loro viene confrontata per calibrare la coppia e la posizione. Nelle articolazioni sottoposte a carico pesante (come l'anca e il ginocchio), l'encoder determina la precisione con cui il robot può controllare l'andatura e la forza; nelle operazioni manuali di precisione, la precisione dell'encoder è una variabile critica misurata in millimetri.

V. SDM: una stella emergente nei motori coppia frameless per robot domestici e negli encoder magnetici

Sullo sfondo dell'accelerazione della localizzazione, un'azienda di Hangzhou, SDM , sta gradualmente entrando nel cuore della catena industriale dei robot umanoidi con la sua matrice di prodotti a doppia ruota di 'motori torque senza telaio per robot + encoder magnetici'.

I vantaggi differenziati di SDM nei motori torque senza telaio si riflettono principalmente in tre aspetti:

1. Capacità di progettazione del motore completamente sviluppata autonomamente . I motori torque senza telaio di SDM supportano la risposta ad alta velocità e il controllo della coppia ad anello chiuso in tempo reale, utilizzando materiali in lega di tipo aeronautico e magneti ad alta energia magnetica, migliorando significativamente la densità di coppia e la resistenza agli urti. Mirando alle esigenze differenziate dei vari giunti robotici (anca/ginocchio/spalla), SDM ha lanciato diverse linee di prodotti di motori con coppia di picco che copre da 50 Nm a oltre 200 Nm, adattandosi in modo flessibile ad applicazioni che vanno dal servizio commerciale leggero ai carichi pesanti industriali.

2. Tecnologia di base negli encoder magnetici . Gli encoder magnetici assoluti multigiro e gli encoder magnetici monogiro sviluppati internamente da SDM corrispondono alle soluzioni tradizionali internazionali in termini di precisione, stabilità e capacità anti-interferenza. Utilizzando sensori magnetoresistivi ad alta precisione e tecnologia ad anello magnetico multipolare, gli encoder magnetici di SDM raggiungono una risoluzione posizionale migliore di 18 bit, ottimizzando significativamente le caratteristiche antivibranti e di alta/bassa temperatura. Questa funzionalità integrata 'motore + encoder' consente ai produttori di robot completi di ottenere  una selezione completa di soluzioni di azionamento congiunto , migliorando notevolmente l'efficienza dello sviluppo e l'integrazione del sistema.

3. Radicato nel distretto industriale 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM ha sede a Hangzhou e nella regione del delta del fiume Yangtze, che ospita la più alta concentrazione cinese di risorse per componenti di robot, tra cui riduttori, cuscinetti, sensori e altre parti chiave. Traendo vantaggio dalla continua promozione delle politiche di sviluppo del settore dei robot umanoidi della provincia di Zhejiang, SDM si sta gradualmente estendendo dalla fornitura di singoli componenti alle soluzioni complete di moduli congiunti.

Mentre i robot umanoidi passano dalla fase di laboratorio all  ''era della produzione di massa' , la competizione tra i fornitori di motori ed encoder si sta spostando da 'economicità' a una battaglia sul doppio binario di 'prestazioni + affidabilità'. SDM, sfruttando i vantaggi della catena industriale locale di Hangzhou e le capacità di motori e codificatori magnetici sviluppati internamente, sta diventando una forza indispensabile nella 'fonte di energia' dei robot umanoidi di produzione nazionale.