Como os motores de torque sem moldura do robô alimentam robôs humanóides

Você já deve ter visto vídeos curtos de robôs humanóides – dando cambalhotas em laboratórios, carregando peças em fábricas de automóveis ou até mesmo tendo conversas naturais com pessoas. Por trás dessas ações aparentemente “humanas” está um facilitador central: o sistema conjunto. Se os algoritmos são o cérebro do robô e os sensores são os seus sentidos, então o O Robot Frameless Torque Motor  é o seu músculo - determinando o quão rápido ele pode correr, quão pesado ele pode levantar e quão estável ele pode andar. Hoje, partiremos de vários produtos robóticos humanóides convencionais para dissecar onde essa tecnologia “músculo” se destaca e como ela apoia uma transformação industrial.

I. Por que os robôs humanóides são inseparáveis ​​dos motores de torque sem moldura dos robôs?

Vamos conhecer nosso protagonista. Um motor de torque sem moldura é uma existência única – não possui carcaça, eixo ou rolamentos. Ao remover todos os componentes periféricos 'embalados', ele retém  apenas o núcleo do estator e do rotor , que estão diretamente embutidos na estrutura conjunta do robô. Os benefícios são simples:  menor volume, maior torque . Em um robô humanóide, articulações de grande torque, como quadril, joelho e ombro, exigem densidade de potência e compacidade extremamente altas; os motores tradicionais geralmente ocupam muito espaço, enquanto um motor de torque sem moldura pode ser integrado dentro da junta para obter um design de 'junta do motor', tornando a estrutura geral mais compacta e eficiente.

Os dados também confirmam a sua importância. Tomemos como exemplo o Tesla Optimus:  cada um dos seus 28 atuadores utiliza um motor de torque sem moldura , destacando o papel central deste produto na atuação conjunta.

II. Análise de configuração de produto convencional: articulações diferentes, 'músculos' diferentes

Se compararmos os motores aos músculos, os requisitos para diferentes partes do corpo variam muito – grandes articulações como ombros e quadris precisam de força explosiva, pulsos e mãos hábeis precisam de controle preciso e joelhos precisam suportar carga enquanto mantêm a estabilidade. Os fabricantes, com base no posicionamento do produto e nas considerações de custo, adotaram diferentes soluções de combinação de motores.

Tesla Optimus: A “configuração Full-Stack” de uma referência técnica

A Tesla Optimus possui atualmente a solução de atuadores mais completa e tecnicamente transparente do setor. Suas juntas são divididas em três categorias:

·  Atuadores rotativos (14 unidades) : Utilizados principalmente em articulações rotacionais de grande ângulo, como ombros, quadris, pulsos e cintura. A solução é 'motor de torque sem moldura + redutor harmônico + sensor de torque + codificadores duplos', oferecendo três especificações de torque:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Atuadores lineares (14 unidades) : Distribuídos em articulações com ângulo de giro limitado, mas que requerem alto impulso (por exemplo, cotovelos, joelhos, tornozelos). A solução é 'motor de torque sem moldura + parafuso de rolo planetário', com especificações de empuxo de  500N, 3900N e 8000N.

·  Atuadores manuais hábeis (12 unidades / ambas as mãos) : Usa uma combinação de motor de copo oco + caixa de engrenagens planetárias multiestágio em miniatura + engrenagem helicoidal. Cada mão tem 11 graus de liberdade e pode levantar uma carga de 9kg.

No geral, a Optimus utiliza o atuador de alto torque de 180Nm para articulações de carga pesada, como quadril e ombro, e soluções de torque médio/baixo para partes de carga moderada, como cotovelo e punho, formando um 'gradiente muscular' razoável. Do ponto de vista do custo,  o motor de torque sem moldura é responsável por aproximadamente 14,8% do custo total do robô , tornando-o o segundo componente mais crítico depois do parafuso do rolo planetário.

Unitree H1/G1: 'Facção Autodesenvolvida' de alto custo-desempenho

A abordagem da Unitree é significativamente diferente da Tesla – eles preferem uma  arquitetura de acionamento quase direto usando motores de alta densidade de torque + engrenagens planetárias de baixa relação , o que garante a produção de energia e reduz custos.

O H1  está posicionado como um grande robô humanóide de nível industrial, equipado com um motor M107 autodesenvolvido que pode fornecer um torque máximo de  360N·m  (articulação do quadril  220N·m , articulação do tornozelo  45N·m ), com uma densidade de potência declarada 1,5 vezes maior que a dos concorrentes. Distribuição articular: 14 articulações dos membros inferiores (torque variando de 45–220N·m), 14 articulações dos membros superiores (torque ~75N·m) e 2 articulações do tronco.

O G1  tem como alvo cenários de consumo doméstico: 1,32m de altura e 35kg. A versão padrão possui 23 DOF, enquanto a versão EDU oferece 23–43 DOF. A articulação da perna utiliza um módulo integrado quatro em um 'motor + redutor planetário de dois estágios + codificador + driver', com torque máximo na articulação do joelho de  90N·m  e carga máxima no braço de 2kg. Notavelmente, a Unitree alcançou uma taxa de localização superior a 90%, com motores, redutores, controladores, codificadores e outros componentes principais, todos autodesenvolvidos, permitindo que a versão básica do G1 tenha um preço tão baixo quanto RMB 85.000.

Xiaomi CyberGear: o 'atuário' integrado miniaturizado

O CyberGear da Xiaomi segue um caminho completamente diferente – ele inclui um servo motor, redutor de harmônicos, codificadores duplos e um driver em um corpo minúsculo pesando apenas  317 gramas , alcançando “tamanho pequeno, grande integração”.

Parâmetros técnicos: o motor CyberGear tem um torque máximo de apenas  3N·m  , mas pode responder em até  20 milissegundos . É adequado para cenários leves, como braços robóticos de mesa e pequenas articulações de robôs. O motor usa uma carcaça de alumínio anodizado preto para melhor dissipação de calor, incorpora um sistema de detecção de temperatura e algoritmos de proteção autodesenvolvidos e vem como padrão com um conector XT30 e design de liberação rápida. Ele é vendido na loja online da Xiaomi por apenas  RMB 499 , o que o torna o “gatekeeper de preços” para módulos conjuntos de robôs básicos.

Embora o seu binário máximo de 3N·m seja muito inferior ao das soluções de grande binário da Optimus e da Unitree, considerando o seu peso de apenas 317 gramas e o seu design “de libertação rápida + integrado”, é mais do que adequado para cenários de consumo (pequenos robôs domésticos, robôs educativos). Segue uma estratégia “boa o suficiente” – permitindo que pequenos e médios fabricantes também atuem no espaço da robótica.

Série de Expedição de Robótica Zhiyuan: Em Busca do 'Poder de Explosão Final'

A série Zhiyuan Expedition é particularmente agressiva no desempenho do motor. O robô Expedition A2 Max fornece um torque máximo de junta de  450N·m , atualmente um dos valores de torque de junta mais altos disponíveis publicamente. O seu motor PowerFlow autodesenvolvido adota uma rota de tecnologia de acionamento quase direto – algo entre o acionamento direto e os motores tradicionais – proporcionando um torque máximo superior a 350 N·m, pesando apenas 1,6 kg, e também incorpora um sistema de refrigeração líquida, equilibrando a sensibilidade do controle de força e a capacidade de carga contínua. Atualmente, Zhiyuan lançou uma base industrial em Chengdu, e produtos como a Expedição A3, A2 e Lingxi X2 alcançaram produção em massa.

Para uma comparação intuitiva, os principais parâmetros dos modelos convencionais acima estão resumidos na tabela abaixo:

A partir da tabela acima, fica claro que os motores de torque sem moldura do robô se tornaram quase padrão em cenários de carga pesada, como articulações do quadril, joelho e ombro, enquanto motores de copo oco mais precisos são usados ​​nas extremidades das mãos – as únicas diferenças estão na  combinação do tipo de motor e dos parâmetros de desempenho . A direção é consistente.

III. O “Mapeamento” entre Motores e Robôs Completos

Então, quais fabricantes de motores upstream estão apoiando esses conhecidos produtos de robôs humanóides? À medida que a produção em massa aumenta, vários fornecedores nacionais e internacionais estão profundamente vinculados a fabricantes completos de robôs, ocupando posições-chave.

·  Cadeia de fornecimento da Tesla : a Inovance Technology ocupa uma posição de liderança em juntas integradas de controle de acionamento, e os produtos de controle de movimento da Leadshine também entraram na cadeia de fornecimento da Tesla. Além disso, os motores de torque sem moldura da Wolong Electric Drive entraram com sucesso nas cadeias de fornecimento de robôs convencionais domésticos, como Unitree e Zhiyuan, vinculando-se indiretamente à Tesla, com uma participação no mercado doméstico de cerca de 25%.

·  Unitree  é um player com uma taxa de localização extremamente alta; seus motores, placas de acionamento e algoritmos de controle de movimento são em grande parte autodesenvolvidos. Do ponto de vista da cadeia de suprimentos, os redutores harmônicos da Leaderdrive e os motores de torque sem moldura da Haozhi Electromechanical, entre outros, fornecem a Unitree.

· O motor  CyberGear da Xiaomi  não depende de fornecedores externos de motores, mas desmontagens revelam que ele integra o codificador magnético da OSRAM e o MCU de controle principal do GigaDevice. Enquanto isso, a Inovance Technology também fornece a Xiaomi.

·  A Zhiyuan  tem vários fornecedores profundamente ligados a ela. A Wolong Electric Drive não apenas entrou na cadeia de suprimentos da Zhiyuan por meio de uma ligação dupla 'indústria + capital', mas também detém indiretamente ações da Zhiyuan. Outros líderes nacionais que fornecem sistemas servo e motores de torque sem moldura incluem Inovance Technology, STEP Electric e Veichi Electric.

No geral,  o campo do motor de torque sem moldura está testemunhando uma aceleração da localização . No mercado topo de gama, marcas internacionais como Kollmorgen e MOOG ainda ocupam posição tecnológica elevada, mas em termos de produção em massa, controlo de custos e serviços personalizados, intervenientes nacionais como Inovance, Wolong e STEP estão a crescer rapidamente.

4. Requisitos 'musculares' de nível superior: codificadores e articulações de alta precisão

Os motores resolvem o problema da saída de potência, mas para alcançar um posicionamento de junta suficientemente preciso, feedback de força preciso e controle de movimento suave, outro componente-chave é necessário – o  codificador.

O codificador atua como o “sistema nervoso” do robô, responsável pelo feedback em tempo real das informações de posição, velocidade e ângulo. Em robôs humanóides, a solução  de codificador duplo  tornou-se popular: um codificador é instalado no lado do motor, o outro no lado da saída, e a diferença angular entre eles é comparada para calibrar o torque e a posição. Em articulações de grande carga (como quadril e joelho), o codificador determina com que precisão o robô pode controlar a marcha e a força; em operações manuais, a precisão do codificador é uma variável crítica medida em milímetros.

V. SDM: uma estrela emergente em motores de torque sem moldura para robôs domésticos e codificadores magnéticos

Contra o pano de fundo da aceleração da localização, uma empresa de Hangzhou – SDM – está gradualmente entrando no núcleo da cadeia da indústria de robôs humanóides com sua matriz de produtos de roda dupla de “motores de torque sem moldura de robô + codificadores magnéticos”.

As vantagens diferenciadas da SDM em motores de torque sem moldura refletem-se principalmente em três aspectos:

1. Capacidade de design de motor totalmente desenvolvida . Os motores de torque sem moldura da SDM suportam resposta de alta velocidade e controle de circuito fechado de torque em tempo real, usando materiais de liga de nível de aviação e ímãs de produtos de alta energia magnética, melhorando significativamente a densidade de torque e a resistência ao impacto. Visando as necessidades diferenciadas de diversas articulações robóticas (quadril/joelho/ombro), a SDM lançou diversas linhas de produtos de motores com pico de torque cobrindo 50Nm a mais de 200Nm, adaptando-se de forma flexível a aplicações que vão desde serviços comerciais leves até cargas industriais pesadas.

2. Tecnologia central em codificadores magnéticos . Os codificadores magnéticos absolutos multivoltas e codificadores magnéticos de volta única desenvolvidos pela SDM combinam com as soluções convencionais internacionais em precisão, estabilidade e capacidade anti-interferência. Usando sensores magnetorresistivos de alta precisão e tecnologia de anel magnético multipolar, os codificadores magnéticos da SDM alcançam resolução posicional melhor que 18 bits, enquanto otimizam significativamente as características antivibração e de alta/baixa temperatura. Este recurso integrado 'motor + codificador' permite que fabricantes completos de robôs obtenham  uma seleção completa de soluções de acionamento conjunto , melhorando significativamente a eficiência do desenvolvimento e a integração do sistema.

3. Enraizado no cluster industrial 'Hangzhou Six Little Dragons' . A SDM está localizada em Hangzhou e na região do Delta do Rio Yangtze, que abriga a maior concentração de recursos de componentes de robôs da China, abrangendo redutores, rolamentos, sensores e outras peças importantes. Beneficiando-se da promoção contínua das políticas de desenvolvimento da indústria de robôs humanóides da província de Zhejiang, a SDM está gradualmente se estendendo do fornecimento de componentes únicos para soluções completas de módulos conjuntos.

À medida que os robôs humanóides passam do estágio de laboratório para a  “era da produção em massa” , a competição entre os fornecedores de motores e codificadores upstream está evoluindo de “custo-benefício” para uma batalha dupla de “desempenho + confiabilidade”. A SDM, aproveitando as vantagens de sua cadeia industrial local de Hangzhou e suas capacidades de motor e codificador magnético autodesenvolvidas, está se tornando uma força indispensável na 'fonte de energia' de robôs humanóides produzidos internamente.