Hoe robotframeloze koppelmotoren humanoïde robots aandrijven

Misschien heb je al korte video's gezien van mensachtige robots die achterwaartse salto's maken in laboratoria, onderdelen dragen in autofabrieken of zelfs natuurlijke gesprekken voeren met mensen. Achter deze ogenschijnlijk ‘mensachtige’ acties schuilt een belangrijke factor: het gezamenlijke systeem. Als algoritmen het brein van de robot zijn en sensoren zijn zintuigen, dan zijn de De Robot Frameless Torque Motor  is zijn spierkracht en bepaalt hoe snel hij kan rennen, hoe zwaar hij kan tillen en hoe stabiel hij kan lopen. Vandaag zullen we uitgaan van verschillende reguliere humanoïde robotproducten om te ontleden waar deze 'spier'-technologie in uitblinkt en hoe deze een industriële transformatie ondersteunt.

I. Waarom zijn humanoïde robots onlosmakelijk verbonden met frameloze koppelmotoren van robots?

Laten we onze hoofdpersoon leren kennen. Een frameloze koppelmotor is een uniek bestaan: hij heeft geen behuizing, geen as, geen lagers. Door alle 'verpakte' randcomponenten te verwijderen, blijven  alleen de stator- en rotorkern over , die direct zijn ingebed in de gewrichtsstructuur van de robot. De voordelen zijn eenvoudig:  kleiner volume, hoger koppel . In een humanoïde robot vereisen gewrichten met een groot koppel, zoals de heup, knie en schouder, een extreem hoge vermogensdichtheid en compactheid; Traditionele motoren nemen vaak te veel ruimte in beslag, terwijl een frameloze koppelmotor in het gewricht kan worden geïntegreerd om een ​​'motor-joint一体化'-ontwerp te bereiken, waardoor de algehele structuur compacter en efficiënter wordt.

Gegevens bevestigen ook het belang ervan. Neem Tesla Optimus als voorbeeld:  elk van de 28 actuatoren maakt gebruik van een frameloze koppelmotor , wat de kernrol van dit product bij gezamenlijke bediening benadrukt.

II. Analyse van reguliere productconfiguraties: verschillende gewrichten, verschillende 'spieren'

Als we motoren met spieren vergelijken, lopen de vereisten voor verschillende lichaamsdelen enorm uiteen: grote gewrichten zoals schouders en heupen hebben explosieve kracht nodig, polsen en behendige handen hebben nauwkeurige controle nodig, en knieën moeten lasten dragen terwijl ze de stabiliteit behouden. Fabrikanten hebben op basis van productpositionering en kostenoverwegingen verschillende motorcombinatieoplossingen gekozen.

Tesla Optimus: de 'Full-Stack-configuratie' van een technische benchmark

Tesla Optimus beschikt momenteel over de meest complete en technisch transparante actuatoroplossing in de branche. De gewrichten zijn onderverdeeld in drie categorieën:

·  Roterende actuatoren (14 stuks) : Wordt voornamelijk gebruikt in grote rotatiegewrichten zoals schouders, heupen, polsen en taille. De oplossing is een 'frameloze koppelmotor + harmonische reducer + koppelsensor + dubbele encoders', die drie koppelspecificaties biedt:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Lineaire actuatoren (14 stuks) : Verdeeld in gewrichten met een beperkte draaihoek maar die een hoge stuwkracht vereisen (bijv. ellebogen, knieën, enkels). De oplossing is een 'frameloze koppelmotor + planetaire rolschroef', met stuwkrachtspecificaties van  500N, 3900N en 8000N.

·  Handige handactuators (12 eenheden/beide handen) : Gebruikt een combinatie van een holle kopmotor + miniatuur meertraps planetaire versnellingsbak + wormwiel. Elke hand heeft 11 vrijheidsgraden en kan een last van 9 kg tillen.

Over het geheel genomen gebruikt Optimus de 180 Nm-actuator met hoog koppel voor zwaarbelaste gewrichten zoals de heup en schouder, en oplossingen met middelhoog/laag koppel voor matig belaste delen zoals de elleboog en pols, waardoor een redelijke 'spiergradiënt' ontstaat. Vanuit kostenperspectief  is de frameloze koppelmotor verantwoordelijk voor ongeveer 14,8% van de totale robotkosten , waardoor dit het op een na meest kritische onderdeel is, na de planetaire rolschroef.

Unitree H1/G1: Hoge kosten-prestatie 'Zelfontwikkelde factie'

De aanpak van Unitree verschilt aanzienlijk van die van Tesla: ze geven de voorkeur aan een  quasi-directe aandrijfarchitectuur met motoren met een hoge koppeldichtheid en planetaire tandwielen met een lage overbrengingsverhouding , wat de vermogensopbrengst garandeert en tegelijkertijd de kosten verlaagt.

H1  is gepositioneerd als een grote mensachtige robot van industriële kwaliteit, uitgerust met een zelfontwikkelde M107-motor die een piekkoppel van  360 N·m kan leveren  (heupgewricht  220 N·m , enkelgewricht  45 N·m ), met een geclaimde vermogensdichtheid die 1,5 keer zo hoog is als die van de concurrentie. Gewrichtsverdeling: 14 gewrichten van de onderste ledematen (koppel variërend van 45–220 N·m), 14 gewrichten van de bovenste ledematen (koppel ~75N·m) en 2 torsogewrichten.

De G1  richt zich op scenario's voor thuisconsumenten: 1,32 m lang en 35 kg wegend. De standaardversie heeft 23 DOF, terwijl de EDU-versie 23-43 DOF biedt. Het onderbeengewricht maakt gebruik van een 'motor + tweetraps planetair verloopstuk + encoder + driver' vier-in-één geïntegreerde module, met een maximaal kniegewrichtkoppel van  90 N·m  en een maximale armbelasting van 2 kg. Opvallend is dat Unitree een lokalisatiepercentage van meer dan 90% heeft bereikt, waarbij motoren, reductoren, controllers, encoders en andere kerncomponenten allemaal zelf zijn ontwikkeld, waardoor de basisversie van de G1 zo laag kan worden geprijsd als RMB 85.000.

Xiaomi CyberGear: de geminiaturiseerde geïntegreerde 'Actuaris'

Xiaomi's CyberGear kiest een heel andere route: het combineert een servomotor, harmonische reducer, dubbele encoders en een driver in een klein lichaam dat slechts  317 gram weegt , waardoor 'klein formaat, grote integratie' wordt bereikt.

Technische parameters: de CyberGear-motor heeft een maximaal koppel van slechts  3N·m  , maar kan binnen  20 milliseconden reageren . Het is geschikt voor lichtgewicht scenario's zoals desktoprobotarmen en kleine robotgewrichten. De motor maakt gebruik van een zwart geanodiseerde aluminium behuizing voor een betere warmteafvoer, bevat een zelf ontwikkeld temperatuurdetectiesysteem en beveiligingsalgoritmen, en wordt standaard geleverd met een XT30-connector en een snelontgrendelingsontwerp. Het wordt in de online winkel van Xiaomi verkocht voor slechts  RMB 499 , waardoor het de 'prijspoortwachter' is voor robotgewrichtsmodules op instapniveau.

Hoewel het maximale koppel van 3N·m veel lager is dan dat van de oplossingen met groot koppel van Optimus en Unitree, is het, gezien het gewicht van slechts 317 gram en het 'quick-release + geïntegreerde' ontwerp, ruim voldoende voor consumentenscenario's (kleine thuisrobots, educatieve robots). Het volgt een 'goed genoeg'-strategie, waardoor kleine en middelgrote fabrikanten ook op het gebied van robotica kunnen spelen.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Op jacht naar 'Ultieme Burst Power'

De Zhiyuan Expedition-serie is bijzonder agressief qua motorprestaties. De Expedition A2 Max-robot levert een piekkoppel van  450 N·m , momenteel een van de hoogste publiekelijk beschikbare koppelkoppelcijfers. De zelfontwikkelde PowerFlow-motor maakt gebruik van een quasi-directe aandrijftechnologie – ergens tussen directe aandrijving en traditionele motoren – en levert een piekkoppel van meer dan 350 N·m terwijl hij slechts 1,6 kg weegt. De motor is tevens voorzien van een vloeistofkoelsysteem, dat de gevoeligheid van de krachtcontrole en het continue laadvermogen in balans houdt. Momenteel heeft Zhiyuan een industriële basis gelanceerd in Chengdu, en producten zoals de Expeditie A3, A2 en Lingxi X2 hebben massaproductie bereikt.

Voor een intuïtieve vergelijking zijn de belangrijkste parameters van de bovengenoemde reguliere modellen samengevat in de onderstaande tabel:

Uit de bovenstaande tabel blijkt duidelijk dat robotframeloze koppelmotoren bijna standaard zijn geworden in scenario's met zware belasting, zoals de heup-, knie- en schoudergewrichten, terwijl preciezere holle kommotoren aan het uiteinde van de handen worden gebruikt. De enige verschillen liggen in de  combinatie van motortype en prestatieparameters . De richting is consistent.

III. De 'mapping' tussen motoren en complete robots

Dus welke upstream-motorfabrikanten ondersteunen deze bekende humanoïde robotproducten? Terwijl de massaproductie toeneemt, binden een aantal binnenlandse en internationale leveranciers zich sterk aan complete robotfabrikanten en bekleden ze sleutelposities.

·  Tesla's toeleveringsketen : Inovance Technology bekleedt een leidende positie op het gebied van geïntegreerde aandrijfbesturingsverbindingen, en de motion control-producten van Leadshine zijn ook in de toeleveringsketen van Tesla terechtgekomen. Bovendien zijn de frameloze koppelmotoren van Wolong Electric Drive met succes opgenomen in de toeleveringsketens van binnenlandse mainstream-robots zoals Unitree en Zhiyuan, waardoor ze indirect aansluiten bij Tesla, met een binnenlands marktaandeel van ongeveer 25%.

·  Unitree  is een speler met een extreem hoog lokalisatiepercentage; de motoren, aandrijfkaarten en bewegingsbesturingsalgoritmen zijn grotendeels zelf ontwikkeld. Vanuit een supply chain-perspectief leveren onder meer de harmonische reductoren van Leaderdrive en de frameloze koppelmotoren van Haozhi Electromechanical Unitree.

·  De CyberGear-motor van Xiaomi  is niet afhankelijk van externe motorleveranciers, maar uit demontages blijkt dat deze de magnetische encoder van ams OSRAM en de hoofdbesturings-MCU van GigaDevice integreert. Ondertussen levert Inovance Technology ook Xiaomi.

·  Zhiyuan  heeft een aantal leveranciers die nauw met haar verbonden zijn. Wolong Electric Drive is niet alleen in de toeleveringsketen van Zhiyuan terechtgekomen via een dubbele binding 'industrie + kapitaal', maar bezit ook indirect aandelen in Zhiyuan. Andere binnenlandse leiders die servosystemen en frameloze koppelmotoren leveren, zijn onder meer Inovance Technology, STEP Electric en Veichi Electric.

Over het geheel genomen  is het frameloze koppelmotorveld getuige van een versnelling van de lokalisatie . In de high-end markt bezetten internationale merken als Kollmorgen en MOOG nog steeds de technologische toppositie, maar op het gebied van massaproductie, kostenbeheersing en op maat gemaakte diensten zijn binnenlandse spelers als Inovance, Wolong en STEP snel in opkomst.

IV. Vereisten voor 'spierkracht' op een hoger niveau: encoders en uiterst nauwkeurige gewrichten

Motoren lossen het probleem van de vermogensafgifte op, maar om voldoende nauwkeurige gewrichtspositionering, fijne krachtfeedback en soepele bewegingscontrole te bereiken, is een ander belangrijk onderdeel nodig: de  encoder.

De encoder fungeert als het 'zenuwstelsel' van de robot en is verantwoordelijk voor realtime feedback over positie-, snelheid- en hoekinformatie. Bij humanoïde robots is de oplossing  met dubbele encoder  mainstream geworden: de ene encoder wordt aan de motorzijde geïnstalleerd, de andere aan de uitgangszijde, en het hoekverschil daartussen wordt vergeleken om het koppel en de positie te kalibreren. In zwaarbelaste gewrichten (zoals de heup en de knie) bepaalt de encoder hoe nauwkeurig de robot het looppatroon en de kracht kan controleren; bij fijne handbewerkingen is de nauwkeurigheid van de encoder een kritische variabele, gemeten in millimeters.

V. SDM: een opkomende ster in frameloze koppelmotoren en magnetische encoders voor binnenlandse robots

Tegen de achtergrond van de steeds snellere lokalisatie stapt een bedrijf uit Hangzhou – SDM – geleidelijk in de kern van de keten van de humanoïde robotindustrie met zijn tweewielige productmatrix van 'frameloze robotkoppelmotoren + magnetische encoders'.

De onderscheidende voordelen van SDM op het gebied van frameloze koppelmotoren komen voornamelijk tot uiting in drie aspecten:

1. Volledig zelfontwikkelde motorontwerpmogelijkheden . De frameloze koppelmotoren van SDM ondersteunen snelle respons en real-time koppelregeling met gesloten lus, waarbij gebruik wordt gemaakt van legeringsmaterialen van luchtvaartkwaliteit en productmagneten met hoge magnetische energie, waardoor de koppeldichtheid en slagvastheid aanzienlijk worden verbeterd. SDM richt zich op de gedifferentieerde behoeften van verschillende robotgewrichten (heup/knie/schouder) en heeft meerdere motorproductlijnen gelanceerd met een piekkoppel van 50 Nm tot meer dan 200 Nm, die flexibel kunnen worden aangepast aan toepassingen variërend van licht commercieel gebruik tot industriële zware belasting.

2. Kerntechnologie in magnetische encoders . De zelfontwikkelde multi-turn absolute magnetische encoders en single-turn magnetische encoders van SDM komen overeen met internationale mainstream-oplossingen op het gebied van nauwkeurigheid, stabiliteit en anti-interferentievermogen. Met behulp van zeer nauwkeurige magnetoresistieve sensoren en meerpolige magnetische ringtechnologie bereiken de magnetische encoders van SDM een positionele resolutie van beter dan 18 bits, terwijl ze de antivibratie- en hoge/lage temperatuurkarakteristieken aanzienlijk optimaliseren. Dankzij deze geïntegreerde mogelijkheid voor 'motor + encoder' kunnen complete robotfabrikanten een  one-stop-selectie van gezamenlijke aandrijfoplossingen realiseren , waardoor de ontwikkelingsefficiëntie en systeemintegratie aanzienlijk worden verbeterd.

3. Geworteld in het industriële cluster 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM is gevestigd in Hangzhou en in de Yangtze River Delta-regio, waar de dichtste concentratie van robotcomponenten in China aanwezig is, waaronder verloopstukken, lagers, sensoren en andere belangrijke onderdelen. Profiterend van de voortdurende promotie van het ontwikkelingsbeleid voor de humanoïde robotindustrie in de provincie Zhejiang, breidt SDM zich geleidelijk uit van de levering van één component naar complete gezamenlijke moduleoplossingen.

Terwijl humanoïde robots van het laboratoriumstadium naar het  'massaproductietijdperk' evolueren , evolueert de concurrentie tussen stroomopwaartse leveranciers van motoren en encoders van 'kosteneffectiviteit' naar een tweesporige strijd van 'prestaties + betrouwbaarheid'. SDM, dat gebruik maakt van de voordelen van de lokale industriële keten in Hangzhou en zijn zelfontwikkelde motor- en magnetische encodermogelijkheden, wordt een onmisbare kracht in de 'krachtbron' van in eigen land geproduceerde humanoïde robots.