ロボットのフレームレス トルク モーターがヒューマノイド ロボットに電力を供給する仕組み

研究室でバク宙をしたり、自動車工場で部品を運んだり、さらには人々と自然な会話をしたりする人型ロボットの短いビデオをすでにご覧になったことがあるかもしれません。これらの一見「人間らしい」動作の背後には、中核となる要素、つまり関節システムが存在します。アルゴリズムがロボットの頭脳であり、センサーがロボットの感覚であるとすると、 ロボットのフレームレス トルク モーター はロボットの筋肉であり、ロボットがどれだけ速く走れるか、どれだけの重量を持ち上げることができるか、そしてどれだけ安定して歩くことができるかを決定します。今日は、いくつかの主流の人型ロボット製品から始めて、この「筋肉」テクノロジーがどこで優れているのか、そしてそれが産業変革をどのようにサポートしているのかを詳しく説明します。

I. なぜヒューマノイドロボットはロボットフレームレストルクモーターと切り離せないのでしょうか?

主人公について知りましょう。フレームレス トルク モーターは、ハウジング、シャフト、ベアリングを持たないユニークな存在です。 「パッケージ化された」周辺コンポーネントをすべて取り除くと、 ステーター コアとローター コアのみが残ります。ロボットの関節構造に直接埋め込まれた利点は単純明快です: 体積が小さくなり、トルクが大きくなります。人型ロボットでは、股関節、膝、肩などのトルクの大きな関節には、非常に高い出力密度とコンパクトさが要求されます。従来のモーターはスペースを取りすぎることがよくありましたが、フレームレス トルク モーターはジョイント内に統合して「モーターとジョイントの一体化」設計を実現し、全体の構造をよりコンパクトで効率的にすることができます。

データもその重要性を裏付けています。 Tesla Optimus を例に挙げると、 その 28 個のアクチュエータのすべてにフレームレス トルク モーターが使用されており、関節作動におけるこの製品の中核的な役割が強調されています。

II.主流の製品構成分析: 異なる関節、異なる「筋肉」

モーターを筋肉にたとえると、肩や腰などの大きな関節には爆発的なパワーが必要で、手首や器用な手には正確なコントロールが必要で、膝には安定性を維持しながら負荷に耐える必要があり、身体の部位ごとに要件は大きく異なります。メーカーは、製品の位置付けとコストを考慮して、さまざまなモーターの組み合わせソリューションを採用しています。

Tesla Optimus: 技術ベンチマークの「フルスタック構成」

Tesla Optimus は現在、業界で最も完全で技術的に透明なアクチュエータ ソリューションを備えています。その関節は 3 つのカテゴリに分類されます。

・ ロータリアクチュエータ（14個） ：主に肩、腰、手首、腰などの大きな角度の回転関節に使用されます。ソリューションは「フレームレス トルク モーター + ハーモニック リデューサー + トルク センサー + デュアル エンコーダー」で、  20Nm、110Nm、180Nm の3 つのトルク仕様を提供します。.

· リニアアクチュエータ (14 ユニット) : スイング角度は限られているが、高い推力を必要とする関節 (肘、膝、足首など) に配置されています。それを解決するのが「フレームレストルクモーター＋遊星ローラーネジ」、推力仕様は 500N、3900N、8000Nです。.

・ 器用ハンドアクチュエーター（12個／両手） ：中空カップモーター＋小型多段遊星歯車装置＋ウォームギヤの組み合わせを採用。各ハンドには 11 の自由度があり、9kg の荷重を持ち上げることができます。

全体として、Optimus は腰や肩などの重負荷の関節には 180Nm の高トルク アクチュエーターを使用し、肘や手首などの中程度の負荷の部分には中/低トルクのソリューションを使用して、適度な「筋肉の勾配」を形成します。コストの観点から見ると、 フレームレス トルク モーターはロボットの総コストの約 14.8% を占め、遊星ローラーねじに次いで 2 番目に重要なコンポーネントとなっています。

Unitree H1/G1：高コストパフォーマンスの「自社開発派」

Unitree のアプローチは Tesla のアプローチとは大きく異なります。Unitree は好みます。 高トルク密度モーター + 低比遊星歯車を使用した準直接駆動アーキテクチャを、コストを削減しながら出力を確保する、

H1 は産業用大型ヒューマノイドロボットに位置付けられ、自社開発のM107モーターを搭載し、最大トルク 360N・m  （股関節 220N・m 、足首関節 45N・m ）を実現し、競合製品の1.5倍の出力密度を誇ります。関節分布：下肢関節 14 関節（トルク範囲 45 ～ 220N·m）、上肢関節 14 関節（トルク ～ 75N·m）、胴体関節 2 関節。

G1 は 、身長 1.32 メートル、体重 35 kg の家庭消費者シナリオをターゲットとしています。標準バージョンは 23 DOF ですが、EDU バージョンは 23 ～ 43 DOF を提供します。下肢関節には「モーター＋二段遊星減速機＋エンコーダー＋ドライバー」の4in1一体型モジュールを採用しており、膝関節トルクは最大 90N・m  、腕荷重は最大2kgとなります。特に、Unitree はモーター、減速機、コントローラー、エンコーダー、その他のコア コンポーネントをすべて自社開発することで 90% 以上の現地化率を達成しており、G1 の基本バージョンの価格を 85,000 人民元という低価格にすることができます。

Xiaomi Cyber​​Gear: 小型化された統合型「アクチュアリー」

Xiaomi の Cyber​​Gear はまったく異なる路線を採用しており、サーボ モーター、高調波減速機、デュアル エンコーダー、ドライバーをわずか 317 グラムの小さなボディに詰め込み、「小型、大規模な統合」を実現しています。

技術的パラメータ: Cyber​​Gear モーターの最大トルクはわずか 3N・mです が、応答速度は 20 ミリ秒です。デスクトップ ロボット アームや小型ロボット ジョイントなどの軽量シナリオに適しています。モーターは放熱性を高める黒色陽極酸化アルミニウムハウジングを使用しており、自社開発の温度検出システムと保護アルゴリズムが組み込まれており、XT30 コネクタとクイックリリース設計が標準装備されています。 Xiaomiのオンラインストアではわずか 499元で販売されており、エントリーレベルのロボットジョイントモジュールの「価格の門番」となっています。

最大トルク 3N・m は、Optimus や Unitree の大トルク ソリューションよりもはるかに低いですが、わずか 317 グラムの重量と「クイックリリース + 一体型」設計を考慮すると、消費者向けシナリオ (家庭用小型ロボット、教育用ロボット) には十分以上です。これは「十分な」戦略に従っており、中小規模のメーカーもロボット分野で活動できるようになります。

Zhiyuan Robotics Expedition シリーズ：「究極のバーストパワー」を追求

Zhiyuan Expedition シリーズは、特に運動性能において積極的です。 Expedition A2 Max ロボットは、  450N・mの最大関節トルクを実現します。これは、現在公開されている関節トルクの最高値の 1 つです。自社開発のPowerFlowモーターは、ダイレクトドライブと従来のモーターの中間に位置する疑似ダイレクトドライブ技術を採用しており、重量わずか1.6kgながら350N・mを超えるピークトルクを発揮します。また、液冷システムも組み込まれており、力制御感度と連続負荷容量のバランスを保っています。現在、Zhiyuanは成都に産業基地を立ち上げ、Expedition A3、A2、Lingxi X2などの製品が量産を達成しています。

直感的に比較できるよう、上記の主流モデルの主要なパラメータを以下の表にまとめます。

上の表から、股関節、膝関節、肩関節などの高負荷シナリオではロボットのフレームレス トルク モーターがほぼ標準となっているのに対し、手の端にはより高精度の中空カップ モーターが使用されていることが明らかです。唯一の違いは モーターの種類と性能パラメータの組み合わせにあります。方向性は一貫している。

Ⅲ．モーターと完成したロボットの間の「マッピング」

それでは、これらの有名な人型ロボット製品をサポートしている上流モーターメーカーはどこでしょうか?大量生産が増加するにつれ、多くの国内外のサプライヤーが完成ロボットメーカーと深く結びつき、重要な地位を占めています。

・ テスラのサプライチェーン：イノヴァンステクノロジーは駆動制御一体型ジョイントにおいて主導的地位を占めており、リードシャインのモーションコントロール製品もテスラのサプライチェーンに参入している。さらに、Worlong Electric Driveのフレームレストルクモーターは、UnitreeやZhiyuanなどの国内主流ロボットのサプライチェーンに参入することに成功し、間接的にTeslaと結びつき、国内市場シェアは約25％となっている。

·  Unitree は非常に高いローカライズ率を持つプレーヤーです。モーター、ドライブボード、モーションコントロールアルゴリズムの大部分は自社開発されています。サプライチェーンの観点から見ると、特に、Leaderdrive の高調波減速機と Haozhi Electromechanical のフレームレス トルク モーターが Unitree に供給されています。

·  Xiaomi の Cyber​​Gear モーターは外部モーターサプライヤーに依存していませんが、分解の結果、ams OSRAM の磁気エンコーダーと GigaDevice のメイン制御 MCU が統合されていることが明らかになりました。一方、Inovance TechnologyはXiaomiにも供給している。

·  Zhiyuan には、多くのサプライヤーが深く関係しています。臥龍電気駆動は「産業＋資本」の二重結合を通じて知源のサプライチェーンに参入しただけでなく、間接的に知源の株式を保有している。サーボ システムとフレームレス トルク モーターを供給するその他の国内大手企業には、Inovance Technology、STEP Electric、Veichi Electric などがあります。

全体として、 フレームレス トルク モーターの分野ではローカリゼーションが加速しています。ハイエンド市場では、依然としてKollmorgenやMOOGなどの国際ブランドが技術的な優位性を占めていますが、量産、コスト管理、カスタマイズサービスの観点からは、Inovance、Wolong、STEPなどの国内プレーヤーが急速に台頭しています。

IV.より高いレベルの「筋肉」の要件: エンコーダーと高精度ジョイント

モーターは出力の問題を解決しますが、十分に正確な関節の位置決め、細かい力のフィードバック、スムーズな動作制御を実現するには、別の重要なコンポーネントであるエンコーダーが必要です 。.

エンコーダはロボットの「神経系」として機能し、位置、速度、角度情報のリアルタイムのフィードバックを担当します。人型ロボットでは、 デュアルエンコーダソリューションが主流となっています。 モータ側と出力側にエンコーダを1つずつ設置し、両者の角度差を比較してトルクや位置を校正する負荷の大きい関節 (股関節や膝など) では、エンコーダはロボットがどの程度正確に歩行と力を制御できるかを決定します。細かい手作業では、エンコーダの精度はミリメートル単位で測定される重要な変数です。

V. SDM: 家庭用ロボットのフレームレス トルク モーターと磁気エンコーダーの新興スター

ローカリゼーションの加速を背景に、杭州の企業であるSDM は、「ロボット フレームレス トルク モーター + 磁気エンコーダー」という二輪製品マトリックスで、ヒューマノイド ロボット産業チェーンの中核に徐々に参入しつつあります。

フレームレス トルク モーターにおける SDM の差別化された利点は、主に次の 3 つの側面に反映されています。

1. 完全に自社開発されたモーター設計能力。 SDMのフレームレストルクモーターは、航空グレードの合金材料と高磁気エネルギー製品の磁石を使用して、高速応答とリアルタイムトルク閉ループ制御をサポートし、トルク密度と耐衝撃性を大幅に向上させます。 SDMは、さまざまなロボット関節（腰/膝/肩）の異なるニーズをターゲットとして、50Nmから200Nm以上をカバーするピークトルクを備えた複数のモーター製品ラインを発売し、軽商用サービスから産業用重負荷までのアプリケーションに柔軟に適応します。

2. 磁気エンコーダのコア技術。 SDM が自社開発したマルチターン アブソリュート磁気エンコーダとシングルターン磁気エンコーダは、精度、安定性、耐干渉能力において国際的な主流ソリューションに匹敵します。高精度の磁気抵抗センサーと多極磁気リング技術を使用することで、SDM の磁気エンコーダは 18 ビットを超える位置分解能を達成すると同時に、耐振動性と高温/低温特性を大幅に最適化します。この「モーター + エンコーダー」の統合機能により、完成したロボットのメーカーは ワンストップで関節駆動ソリューションを選択できるようになり、開発効率とシステム統合が大幅に向上します。

3. 「杭州六小龍」産業クラスターに根ざしている。 SDM は杭州と長江デルタ地域に位置しており、この地域には減速機、ベアリング、センサー、その他の主要部品をカバーするロボット コンポーネントのリソースが中国で最も集中しています。浙江省の人型ロボット産業発展政策の継続的な推進の恩恵を受け、SDMは単一コンポーネントの供給から完全なジョイントモジュールソリューションまで徐々に拡大しています。

人型ロボットが実験室段階から 「量産時代」に移行するにつれて、上流のモーターおよびエンコーダのサプライヤー間の競争は「費用対効果」から「性能 + 信頼性」の二軸の戦いへと進化しています。 SDMは、地元杭州の産業チェーンの利点と自社開発のモーターおよび磁気エンコーダー機能を活用し、国産の人型ロボットの「動力源」として欠かせない存在となりつつあります。