Jak bezramowe silniki momentowe robotów napędzają roboty humanoidalne

Być może widziałeś już krótkie filmy przedstawiające humanoidalne roboty – wykonujące salta w tył w laboratoriach, noszące części w fabrykach samochodów, a nawet prowadzące naturalne rozmowy z ludźmi. Za tymi pozornie „ludzkimi” działaniami kryje się kluczowy czynnik: wspólny system. Jeśli algorytmy są mózgiem robota, a czujniki jego zmysłami, to... Bezramowy silnik momentu obrotowego robota  to jego mięsień – określający, jak szybko może biegać, jak ciężki może podnosić i jak stabilnie może chodzić. Dzisiaj zaczniemy od kilku popularnych produktów robotów humanoidalnych, aby sprawdzić, gdzie wyróżnia się ta technologia „mięśni” i w jaki sposób wspiera transformację przemysłową.

I. Dlaczego roboty humanoidalne są nierozerwalnie związane z bezramowymi silnikami momentowymi robotów?

Poznajmy naszego bohatera. Bezramowy silnik momentowy to coś wyjątkowego — nie ma obudowy, wału ani łożysk. Usuwając wszystkie „spakowane” elementy peryferyjne, zachowuje  jedynie rdzeń stojana i wirnika , które są bezpośrednio osadzone w wspólnej strukturze robota. Korzyści są proste:  mniejsza objętość, wyższy moment obrotowy . W robocie humanoidalnym stawy o dużym momencie obrotowym, takie jak biodro, kolano i ramię, wymagają wyjątkowo dużej gęstości mocy i zwartości; tradycyjne silniki często zajmują zbyt dużo miejsca, podczas gdy bezramowy silnik momentowy można zintegrować wewnątrz przegubu, aby uzyskać konstrukcję „przegubu silnika”, dzięki czemu ogólna konstrukcja jest bardziej zwarta i wydajna.

Dane również potwierdzają jego znaczenie. Weźmy na przykład Teslę Optimus:  każdy z 28 siłowników wykorzystuje bezramowy silnik momentowy , co podkreśla podstawową rolę tego produktu w uruchamianiu przegubów.

II. Analiza konfiguracji produktu głównego nurtu: różne stawy, różne „mięśnie”

Jeśli porównamy silniki do mięśni, wymagania dotyczące różnych części ciała znacznie się od siebie różnią – duże stawy, takie jak ramiona i biodra, potrzebują eksplozywnej mocy, nadgarstki i zręczne dłonie wymagają precyzyjnej kontroli, a kolana muszą wytrzymać obciążenie przy jednoczesnym zachowaniu stabilności. Producenci, w oparciu o pozycjonowanie produktu i względy kosztowe, przyjęli różne rozwiązania w zakresie kombinacji silników.

Tesla Optimus: „Konfiguracja pełnego stosu” w ramach technicznego testu porównawczego

Tesla Optimus posiada obecnie najbardziej kompletne i technicznie przejrzyste rozwiązanie w zakresie siłowników w branży. Jego stawy są podzielone na trzy kategorie:

·  Siłowniki obrotowe (14 jednostek) : Stosowane głównie w stawach obrotowych o dużym kącie, takich jak ramiona, biodra, nadgarstki i talia. Rozwiązaniem jest „bezramowy silnik momentowy + reduktor harmonicznych + czujnik momentu + podwójne enkodery”, oferujący trzy specyfikacje momentu obrotowego:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Siłowniki liniowe (14 jednostek) : Rozmieszczone w stawach o ograniczonym kącie obrotu, ale wymagających dużego ciągu (np. łokcie, kolana, kostki). Rozwiązaniem jest „bezramowy silnik momentowy + planetarna śruba rolkowa” o parametrach ciągu  500 N, 3900 N i 8000 N.

·  Zręczne siłowniki ręczne (12 jednostek na obie ręce) : Wykorzystuje kombinację silnika z wydrążonym kubkiem + miniaturowej wielostopniowej przekładni planetarnej + przekładni ślimakowej. Każda ręka ma 11 stopni swobody i może unieść ciężar o masie 9 kg.

Ogólnie rzecz biorąc, Optimus wykorzystuje siłownik o wysokim momencie obrotowym 180 Nm do stawów obciążonych dużym obciążeniem, takich jak biodra i barki, oraz rozwiązania o średnim/niskim momencie obrotowym do części o średnim obciążeniu, takich jak łokieć i nadgarstek, tworząc rozsądny „gradient mięśni”. Z punktu widzenia kosztów  bezramowy silnik momentowy stanowi około 14,8% całkowitego kosztu robota , co czyni go drugim najważniejszym elementem po śrubie planetarnej.

Unitree H1/G1: „Frakcja samorozwoju” o wysokiej wydajności

Podejście Unitree znacznie różni się od podejścia Tesli — preferuje ona  quasi-bezpośrednią architekturę napędu wykorzystującą silniki o dużej gęstości momentu obrotowego + przekładnie planetarne o niskim przełożeniu , co zapewnia moc wyjściową przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.

H1  to duży robot humanoidalny klasy przemysłowej, wyposażony w samodzielnie opracowany silnik M107, który może zapewnić maksymalny moment obrotowy  360 N·m  (staw biodrowy  220 N·m , staw skokowy  45 N·m ), przy deklarowanej gęstości mocy 1,5 razy większej niż u konkurencji. Rozkład stawów: 14 stawów kończyn dolnych (moment obrotowy w zakresie 45–220 N·m), 14 stawów kończyn górnych (moment obrotowy ~75 N·m) i 2 stawy tułowia.

G1  jest przeznaczony dla konsumentów domowych: 1,32 m wzrostu i waga 35 kg. Wersja standardowa ma 23 DOF, natomiast wersja EDU oferuje 23–43 DOF. W przegubie dolnej części nogi zastosowano zintegrowany moduł „silnik + dwustopniowy reduktor planetarny + enkoder + sterownik” „cztery w jednym”, z maksymalnym momentem obrotowym w stawie kolanowym wynoszącym  90 N·m  i maksymalnym obciążeniem ramienia 2 kg. Warto zauważyć, że Unitree osiągnęło współczynnik lokalizacji wynoszący ponad 90%, a silniki, reduktory, sterowniki, enkodery i inne podstawowe komponenty zostały samodzielnie opracowane, dzięki czemu podstawowa wersja G1 może być wyceniona już od 85 000 RMB.

Xiaomi CyberGear: zminiaturyzowany zintegrowany „aktuariusz”

CyberGear Xiaomi podąża zupełnie inną drogą – mieści serwomotor, reduktor harmonicznych, podwójne enkodery i sterownik w maleńkiej obudowie ważącej zaledwie  317 gramów , co pozwala osiągnąć „mały rozmiar, dużą integrację”.

Parametry techniczne: silnik CyberGear ma maksymalny moment obrotowy zaledwie  3N·m  , ale potrafi zareagować już w  20 milisekund . Nadaje się do lekkich scenariuszy, takich jak ramiona robotów stacjonarnych i małe przeguby robotów. Silnik ma obudowę z anodyzowanego na czarno aluminium w celu lepszego odprowadzania ciepła, zawiera opracowany przez siebie system wykrywania temperatury i algorytmy zabezpieczające, a także jest standardowo wyposażony w złącze XT30 i konstrukcję szybkozłącza. Jest sprzedawany w sklepie internetowym Xiaomi za jedyne  499 juanów , co czyni go „strażnikiem cenowym” dla podstawowych modułów złączy robotycznych.

Chociaż jego maksymalny moment obrotowy wynoszący 3 N·m jest znacznie niższy niż w przypadku rozwiązań Optimus i Unitree o dużym momencie obrotowym, biorąc pod uwagę jego wagę wynoszącą zaledwie 317 gramów i konstrukcję „szybkozłącza + zintegrowaną”, jest on więcej niż wystarczający w scenariuszach konsumenckich (małe roboty domowe, roboty edukacyjne). Jest to zgodne ze strategią „wystarczająco dobrą” – umożliwiającą małym i średnim producentom również zabawę w przestrzeni robotyki.

Seria ekspedycji Zhiyuan Robotics: W pogoni za „najwyższą mocą impulsu”

Seria Zhiyuan Expedition charakteryzuje się szczególnie agresywną pracą silnika. Robot Expedition A2 Max zapewnia szczytowy moment obrotowy wynoszący  450 N·m , co jest obecnie jednym z najwyższych publicznie dostępnych wartości momentu obrotowego. Opracowany przez firmę silnik PowerFlow wykorzystuje technologię napędu quasi-bezpośredniego — gdzieś pomiędzy napędem bezpośrednim a tradycyjnymi silnikami — zapewniając maksymalny moment obrotowy przekraczający 350 N·m przy wadze zaledwie 1,6 kg, a także jest wyposażony w układ chłodzenia cieczą, czułość kontroli siły równoważącej i ciągłą nośność. Obecnie Zhiyuan uruchomił bazę przemysłową w Chengdu, a produkty takie jak Expedition A3, A2 i Lingxi X2 osiągnęły masową produkcję.

Dla intuicyjnego porównania, w poniższej tabeli podsumowano kluczowe parametry powyższych modeli głównego nurtu:

Z powyższej tabeli jasno wynika, że ​​bezramowe silniki momentowe robotów stały się niemal standardem w przypadku dużych obciążeń, takich jak stawy biodrowe, kolanowe i barkowe, podczas gdy na końcach dłoni stosowane są bardziej precyzyjne silniki z wydrążonym kubkiem – jedyne różnice polegają na kombinacji  typu silnika i parametrów wydajności . Kierunek jest spójny.

III. „Mapowanie” pomiędzy silnikami i kompletnymi robotami

Którzy producenci silników wyższego szczebla wspierają te dobrze znane produkty robotów humanoidalnych? W miarę wzrostu produkcji masowej wielu krajowych i międzynarodowych dostawców ściśle wiąże się z producentami kompletnych robotów, zajmując kluczowe stanowiska.

·  Łańcuch dostaw Tesli : Inovance Technology zajmuje wiodącą pozycję w dziedzinie zintegrowanych złączy sterowania napędem, a produkty Leadshine do sterowania ruchem również weszły do ​​łańcucha dostaw Tesli. Ponadto bezramowe silniki momentowe firmy Wolong Electric Drive z powodzeniem weszły do ​​łańcuchów dostaw krajowych robotów głównego nurtu, takich jak Unitree i Zhiyuan, pośrednio powiązanych z Teslą, z udziałem w rynku krajowym wynoszącym około 25%.

·  Unitree  to gracz o niezwykle wysokim współczynniku lokalizacji; jego silniki, płyty napędowe i algorytmy sterowania ruchem zostały w dużej mierze opracowane samodzielnie. Z punktu widzenia łańcucha dostaw Unitree dostarczają między innymi reduktory harmonicznych firmy Leaderdrive i bezramowe silniki momentowe firmy Haozhi Electromechanical.

· Silnik  CyberGear firmy Xiaomi  nie jest zależny od zewnętrznych dostawców silników, ale rozbiórki wykazały, że integruje on enkoder magnetyczny firmy OSRAM z głównym MCU sterującym GigaDevice. Tymczasem Inovance Technology dostarcza również Xiaomi.

·  Zhiyuan  ma wielu dostawców, którzy są z nim głęboko powiązani. Wolong Electric Drive nie tylko wszedł do łańcucha dostaw Zhiyuan poprzez podwójne powiązanie „przemysł + kapitał”, ale także pośrednio posiada udziały w Zhiyuan. Inni krajowi liderzy dostarczający systemy serwo i bezramowe silniki momentowe to Inovance Technology, STEP Electric i Veichi Electric.

Ogólnie rzecz biorąc,  bezramowe pole silnika momentowego jest świadkiem przyspieszenia lokalizacji . Na rynku produktów wysokiej klasy międzynarodowe marki, takie jak Kollmorgen i MOOG, nadal zajmują czołową pozycję technologiczną, ale pod względem masowej produkcji, kontroli kosztów i usług dostosowanych do indywidualnych potrzeb, krajowi gracze, tacy jak Inovance, Wolong i STEP, szybko rosną.

IV. Wymagania „mięśniowe” wyższego poziomu: enkodery i złącza o wysokiej precyzji

Silniki rozwiązują problem mocy wyjściowej, ale aby osiągnąć wystarczająco dokładne pozycjonowanie złącza, dokładne sprzężenie zwrotne siły i płynną kontrolę ruchu, wymagany jest inny kluczowy element —  enkoder.

Koder działa jak „układ nerwowy” robota, odpowiedzialny za przesyłanie w czasie rzeczywistym informacji o położeniu, prędkości i kącie. W robotach humanoidalnych rozwiązanie  z podwójnym enkoderem  stało się głównym nurtem: jeden enkoder jest instalowany po stronie silnika, drugi po stronie wyjściowej, a różnica kątowa między nimi jest porównywana w celu kalibracji momentu obrotowego i położenia. W przypadku stawów obciążonych dużym obciążeniem (takich jak biodro i kolano) koder określa, jak precyzyjnie robot może kontrolować chód i siłę; w przypadku precyzyjnych operacji ręcznych dokładność enkodera jest krytyczną zmienną mierzoną w milimetrach.

V. SDM: wschodząca gwiazda w branży bezramowych silników momentowych i enkoderów magnetycznych do robotów domowych

W kontekście coraz szybszej lokalizacji firma z Hangzhou — SDM — stopniowo wkracza do rdzenia łańcucha branży robotów humanoidalnych, oferując matrycę produktów z dwoma kołami, obejmującą „bezramowe silniki momentowe robotów + enkodery magnetyczne”.

Zróżnicowane zalety SDM w bezramowych silnikach momentowych odzwierciedlają się głównie w trzech aspektach:

1. W pełni samodzielnie opracowane możliwości projektowania silników . Bezramowe silniki momentowe SDM zapewniają szybką reakcję i sterowanie momentem obrotowym w pętli zamkniętej w czasie rzeczywistym, wykorzystując materiały stopowe klasy lotniczej i magnesy produktowe o wysokiej energii magnetycznej, znacznie poprawiając gęstość momentu obrotowego i odporność na uderzenia. Wychodząc naprzeciw zróżnicowanym potrzebom różnych stawów robotów (biodrowych, kolanowych, barkowych), firma SDM wprowadziła na rynek wiele linii produktów silników o maksymalnym momencie obrotowym od 50 Nm do ponad 200 Nm, elastycznie dostosowując się do zastosowań od lekkich usług komercyjnych po duże obciążenia przemysłowe.

2. Technologia rdzeniowa w enkoderach magnetycznych . Opracowane przez SDM wieloobrotowe absolutne i jednoobrotowe enkodery magnetyczne pasują do międzynarodowych rozwiązań głównego nurtu pod względem dokładności, stabilności i zdolności przeciwzakłóceniowej. Wykorzystując precyzyjne czujniki magnetorezystancyjne i technologię wielobiegunowego pierścienia magnetycznego, enkodery magnetyczne SDM osiągają rozdzielczość pozycyjną lepszą niż 18 bitów, jednocześnie znacząco optymalizując właściwości antywibracyjne oraz charakterystykę wysokich/niskich temperatur. Ta zintegrowana funkcja „silnik + enkoder” pozwala producentom kompletnych robotów na dokonanie  wyboru rozwiązania w zakresie przegubowego napędu w jednym miejscu , znacznie poprawiając wydajność projektowania i integrację systemu.

3. Zakorzenione w klastrze przemysłowym „Sześć Małych Smoków w Hangzhou” . Siedziba SDM znajduje się w Hangzhou i w regionie delty rzeki Jangcy, w którym występuje największe w Chinach skupisko zasobów komponentów robotów, obejmujących reduktory, łożyska, czujniki i inne kluczowe części. Czerpiąc korzyści z ciągłego promowania polityki rozwoju przemysłu robotów humanoidalnych w prowincji Zhejiang, SDM stopniowo rozszerza ofertę od dostaw pojedynczych komponentów do kompletnych rozwiązań w zakresie wspólnych modułów.

W miarę jak roboty humanoidalne przechodzą z etapu laboratoryjnego do  „ery produkcji masowej” , konkurencja między dostawcami silników i enkoderów na wyższym szczeblu przechodzi z „opłacalności” do dwutorowej bitwy na „wydajność + niezawodność”. SDM, wykorzystując zalety swojej lokalnej sieci przemysłowej w Hangzhou oraz samodzielnie opracowane możliwości silników i enkoderów magnetycznych, staje się niezastąpioną siłą w „źródle zasilania” produkowanych w kraju robotów humanoidalnych.