Hvordan robotrammeløse dreiemomentmotorer driver menneskelignende roboter

Du har kanskje allerede sett korte videoer av humanoide roboter – som gjør backflips i laboratorier, bærer deler i bilfabrikker eller til og med har naturlige samtaler med mennesker. Bak disse tilsynelatende «menneskelignende» handlingene ligger en kjernemuliggjører: fellessystemet. Hvis algoritmer er robotens hjerne og sensorer er dens sanser, så er det Robot Frameless Torque Motor  er dens muskel – som bestemmer hvor fort den kan løpe, hvor tung den kan løfte og hvor stabil den kan gå. I dag vil vi starte fra flere vanlige humanoide robotprodukter for å dissekere hvor denne «muskel»-teknologien utmerker seg og hvordan den støtter en industriell transformasjon.

I. Hvorfor er humanoide roboter uatskillelige fra robotrammeløse dreiemomentmotorer?

La oss bli kjent med hovedpersonen vår. En rammeløs dreiemomentmotor er en unik eksistens – den har ingen hus, ingen aksel, ingen lagre. Ved å fjerne alle 'pakkede' perifere komponenter, beholder den  kun statoren og rotorkjernen , som er direkte innebygd i robotens leddstruktur. Fordelene er enkle:  mindre volum, høyere dreiemoment . I en humanoid robot krever ledd med stort dreiemoment som hofte, kne og skulder ekstremt høy krafttetthet og kompakthet; tradisjonelle motorer tar ofte for mye plass, mens en rammeløs dreiemomentmotor kan integreres inne i leddet for å oppnå en 'motor-ledd一体化'-design, noe som gjør den generelle strukturen mer kompakt og effektiv.

Data bekrefter også viktigheten. Ta Tesla Optimus som et eksempel:  hver og en av de 28 aktuatorene bruker en rammeløs dreiemomentmotor , noe som fremhever kjernerollen til dette produktet i felles aktivering.

II. Mainstream produktkonfigurasjonsanalyse: forskjellige ledd, forskjellige 'muskler'

Hvis vi sammenligner motorer med muskler, varierer kravene til ulike kroppsdeler veldig – store ledd som skuldre og hofter trenger eksplosiv kraft, håndledd og fingernem hender trenger presis kontroll, og knær må tåle belastning samtidig som stabiliteten opprettholdes. Produsenter har, basert på produktposisjonering og kostnadsbetraktninger, tatt i bruk forskjellige motorkombinasjonsløsninger.

Tesla Optimus: 'Full-Stack Configuration' av en teknisk benchmark

Tesla Optimus har i dag den mest komplette og teknisk transparente aktuatorløsningen i bransjen. Dens ledd er delt inn i tre kategorier:

·  Roterende aktuatorer (14 enheter) : Brukes hovedsakelig i rotasjonsledd med store vinkler som skuldre, hofter, håndledd og midje. Løsningen er «rammeløs dreiemomentmotor + harmonisk reduksjon + dreiemomentsensor + doble kodere», som tilbyr tre dreiemomentspesifikasjoner:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Lineære aktuatorer (14 enheter) : Fordelt i ledd med begrenset svingvinkel, men som krever høy skyvekraft (f.eks. albuer, knær, ankler). Løsningen er 'rammeløs momentmotor + planetrulleskrue', med skyvekraftspesifikasjoner på  500N, 3900N og 8000N.

·  Flinke håndaktuatorer (12 enheter / begge hender) : Bruker en kombinasjon av hulkoppmotor + miniatyr flertrinns planetgirkasse + snekkegir. Hver hånd har 11 frihetsgrader og kan løfte en last på 9 kg.

Totalt sett bruker Optimus 180Nm høymomentaktuator for tunge ledd som hofte og skulder, og middels/lave dreiemomentløsninger for moderat belastede deler som albuen og håndleddet, og danner en rimelig 'muskelgradient'. Fra et kostnadsperspektiv  står den rammeløse dreiemomentmotoren for omtrent 14,8 % av de totale robotkostnadene , noe som gjør den til den nest mest kritiske komponenten etter den planetariske rulleskruen.

Unitree H1/G1: Høy kostnadseffektiv 'selvutviklet fraksjon'

Unitrees tilnærming er betydelig forskjellig fra Teslas – de foretrekker en  kvasi-direktedrevet arkitektur som bruker motorer med høy dreiemomenttetthet + planetgir med lavt forhold , som sikrer kraftutgang samtidig som kostnadene reduseres.

H1  er posisjonert som en stor humanoid robot av industrikvalitet, utstyrt med en egenutviklet M107-motor som kan levere et toppmoment på  360N·m  (hofteledd  220N·m , ankelledd  45N·m ), med en påstått krafttetthet som er 1,5 ganger større enn konkurrentene. Leddfordeling: 14 ledd i underekstremiteter (moment fra 45–220 N·m), 14 ledd i overekstremiteter (moment ~75 N·m) og 2 torso-ledd.

G1  retter seg mot hjemmeforbruksscenarier: 1,32 m høy, veier 35 kg. Standardversjonen har 23 DOF, mens EDU-versjonen tilbyr 23–43 DOF. Underbensleddet bruker en «motor + totrinns planetreduksjon + koder + driver» fire-i-ett integrert modul, med et maksimalt kneleddmoment på  90N·m  og en maksimal armbelastning på 2 kg. Spesielt har Unitree oppnådd en lokaliseringsrate på over 90 %, med motorer, reduksjonsgir, kontrollere, kodere og andre kjernekomponenter alle egenutviklede, noe som gjør at basisversjonen av G1 kan prises så lavt som RMB 85 000.

Xiaomi CyberGear: Den miniatyriserte integrerte 'aktuar'

Xiaomis CyberGear tar en helt annen rute – den pakker en servomotor, harmonisk redusering, doble kodere og en driver i en liten kropp som bare veier  317 gram , og oppnår «liten størrelse, stor integrasjon».

Tekniske parametere: CyberGear-motoren har et maksimalt dreiemoment på bare  3N·m  , men kan reagere så raskt som  20 millisekunder . Den er egnet for lette scenarier som stasjonære robotarmer og små robotledd. Motoren bruker et svart eloksert aluminiumshus for bedre varmeavledning, har et egenutviklet temperaturdeteksjonssystem og beskyttelsesalgoritmer, og leveres som standard med en XT30-kontakt og hurtigutløsende design. Den selges på Xiaomis nettbutikk for bare  499 RMB , noe som gjør den til 'prisportvakt' for robotleddmoduler på inngangsnivå.

Selv om dets maksimale dreiemoment på 3N·m er langt lavere enn Optimus og Unitrees løsninger med stort dreiemoment, med tanke på vekten på bare 317 gram og dens «hurtigutløsende + integrerte»-design, er den mer enn tilstrekkelig for forbruker-scenarier (små hjemmeroboter, utdanningsroboter). Den følger en «god nok»-strategi – som gjør det mulig for små og mellomstore produsenter å også spille på robotområdet.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Forfølger 'Ultimate Burst Power'

Zhiyuan Expedition-serien er spesielt aggressiv i motorytelse. Expedition A2 Max-roboten leverer et topp leddmoment på  450N·m , for tiden et av de høyeste offentlig tilgjengelige leddmomenttallene. Den egenutviklede PowerFlow-motoren bruker en kvasi-direkte drivteknologi-rute – et sted mellom direktedrift og tradisjonelle motorer – og leverer et toppmoment som overstiger 350N·m mens den bare veier 1,6 kg, og den har også et væskekjølingssystem som balanserer kraftkontrollfølsomhet og kontinuerlig belastningskapasitet. For tiden har Zhiyuan lansert en industriell base i Chengdu, og produkter som Expedition A3, A2 og Lingxi X2 har oppnådd masseproduksjon.

For intuitiv sammenligning er nøkkelparametrene til de overordnede modellene oppsummert i tabellen nedenfor:

Fra tabellen ovenfor er det klart at robotrammeløse dreiemomentmotorer har blitt nesten standard i scenarier med tung belastning som hofte-, kne- og skulderledd, mens mer presise hulkoppmotorer brukes på enden av hendene – de eneste forskjellene ligger i kombinasjonen  av motortype og ytelsesparametere . Retningen er konsekvent.

III. «Kartleggingen» mellom motorer og komplette roboter

Så hvilke oppstrøms motorprodusenter støtter disse velkjente humanoide robotproduktene? Etter hvert som masseproduksjonen øker, binder en rekke nasjonale og internasjonale leverandører seg dypt til komplette robotprodusenter, og inntar nøkkelposisjoner.

·  Teslas forsyningskjede : Inovance Technology har en ledende posisjon innen drivkontrollintegrerte ledd, og Leadshines bevegelseskontrollprodukter har også gått inn i Teslas forsyningskjede. I tillegg har Wolong Electric Drives rammeløse dreiemomentmotorer kommet inn i forsyningskjedene til innenlandske mainstream-roboter som Unitree og Zhiyuan, indirekte knyttet til Tesla, med en innenlandsk markedsandel på rundt 25 %.

·  Unitree  er en aktør med ekstremt høy lokaliseringsrate; motorene, drivkortene og algoritmene for bevegelseskontroll er stort sett selvutviklet. Fra et forsyningskjedeperspektiv leverer blant annet Leaderdrives harmoniske reduksjonsmidler og Haozhi Electromechanicals rammeløse momentmotorer til Unitree.

·  Xiaomis CyberGear  -motor er ikke avhengig av eksterne motorleverandører, men nedbrytninger avslører at den integrerer ams OSRAMs magnetiske koder og GigaDevices hovedkontroll-MCU. I mellomtiden leverer Inovance Technology også Xiaomi.

·  Zhiyuan  har en rekke leverandører dypt knyttet til seg. Wolong Electric Drive har ikke bare gått inn i Zhiyuans forsyningskjede gjennom en «industri + kapital» dobbel binding, men har også indirekte aksjer i Zhiyuan. Andre innenlandske ledere som leverer servosystemer og rammeløse dreiemomentmotorer inkluderer Inovance Technology, STEP Electric og Veichi Electric.

Totalt sett  er det rammeløse dreiemomentmotorfeltet vitne til en akselerasjon av lokalisering . I high-end-markedet opptar internasjonale merker som Kollmorgen og MOOG fortsatt den teknologiske høyden, men når det gjelder masseproduksjon, kostnadskontroll og tilpassede tjenester, øker innenlandske aktører som Inovance, Wolong og STEP raskt.

IV. Krav til 'muskel' på høyere nivå: Kodere og høypresisjonsledd

Motorer løser problemet med kraftuttak, men for å oppnå tilstrekkelig nøyaktig leddposisjonering, fin krafttilbakemelding og jevn bevegelseskontroll, kreves det en annen nøkkelkomponent -  koderen.

Koderen fungerer som robotens 'nervesystem' som er ansvarlig for sanntidstilbakemelding av informasjon om posisjon, hastighet og vinkel. I humanoide roboter har den  doble koderløsningen  blitt mainstream: en koder er installert på motorsiden, den andre på utgangssiden, og vinkelforskjellen mellom dem sammenlignes med kalibrering av dreiemoment og posisjon. I tunge ledd (som hofte og kne) bestemmer koderen hvor nøyaktig roboten kan kontrollere gang og kraft; i finhåndsoperasjoner er kodernøyaktighet en kritisk variabel målt i millimeter.

V. SDM: En fremvoksende stjerne innen rammeløse dreiemomentmotorer og magnetiske kodere

På bakgrunn av akselererende lokalisering går et selskap fra Hangzhou – SDM – gradvis inn i kjernen av den humanoide robotindustrikjeden med sin tohjuls produktmatrise av «robotrammeløse dreiemomentmotorer + magnetiske kodere».

SDMs differensierte fordeler i rammeløse dreiemomentmotorer gjenspeiles hovedsakelig i tre aspekter:

1. Fullstendig egenutviklet motordesignevne . SDMs rammeløse dreiemomentmotorer støtter høyhastighetsrespons og sanntids dreiemomentkontroll med lukket sløyfe, ved bruk av legeringsmaterialer av luftfartskvalitet og produktmagneter med høy magnetisk energi, noe som forbedrer dreiemomenttettheten og slagmotstanden betydelig. Med sikte på de differensierte behovene til ulike robotledd (hofte/kne/skulder), har SDM lansert flere motorproduktlinjer med toppmoment som dekker 50Nm til over 200Nm, fleksibelt tilpasset bruksområder som spenner fra lett kommersiell service til industriell tung belastning.

2. Kjerneteknologi i magnetiske kodere . SDMs egenutviklede multi-turn absolutte magnetiske kodere og single-turn magnetiske kodere matcher internasjonale mainstream-løsninger når det gjelder nøyaktighet, stabilitet og anti-interferensevne. Ved å bruke høypresisjons magnetoresistive sensorer og flerpolet magnetisk ringteknologi, oppnår SDMs magnetiske kodere posisjonsoppløsning bedre enn 18 biter, samtidig som antivibrasjons- og høy/lav temperatur-karakteristikk optimaliseres betydelig. Denne integrerte «motor + koder»-funksjonen gjør det mulig for komplette robotprodusenter å oppnå  ett-stopps felles drivløsningsvalg , noe som i stor grad forbedrer utviklingseffektiviteten og systemintegrasjonen.

3. Forankret i den industrielle klyngen 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM er lokalisert i Hangzhou og Yangtse River Delta-regionen, som er vert for Kinas tetteste konsentrasjon av robotkomponentressurser, som dekker reduksjonsrør, lagre, sensorer og andre nøkkeldeler. Ved å dra nytte av den kontinuerlige promoteringen av Zhejiang-provinsens utviklingspolitikk for humanoid robotindustri, utvider SDM seg gradvis fra enkeltkomponentforsyning til komplette fellesmodulløsninger.

Ettersom humanoide roboter beveger seg fra laboratoriestadiet til  'masseproduksjonsæraen' oppgraderer konkurransen blant oppstrøms motor- og koderleverandører fra 'kostnadseffektivitet' til en tospors kamp om 'ytelse + pålitelighet'. SDM, som utnytter fordelene til sin lokale industrikjede i Hangzhou og dens egenutviklede motor- og magnetiske koder, er i ferd med å bli en uunnværlig kraft i «kraftkilden» til innenlandsproduserte humanoide roboter.