Cum roboții cu cuplu fără cadru alimentează roboții umanoizi

Poate că ați văzut deja videoclipuri scurte cu roboți umanoizi – făcând backflips în laboratoare, transportând piese în fabricile de mașini sau chiar purtând conversații naturale cu oamenii. În spatele acestor acțiuni aparent „asemănătoare omului” se află un factor de bază: sistemul comun. Dacă algoritmii sunt creierul robotului și senzorii sunt simțurile acestuia, atunci Motorul de cuplu fără cadru al robotului  este mușchiul său, care determină cât de repede poate rula, cât de greu poate ridica și cât de stabil poate merge. Astăzi, vom începe de la mai multe produse de roboți umanoizi pentru a diseca unde excelează această tehnologie „mușchi” și cum susține o transformare industrială.

I. De ce sunt roboții umanoizi inseparabili de motoarele cu cuplu fără cadru pentru roboți?

Să ne cunoaștem protagonistul. Un motor cuplu fără cadru este o existență unică - nu are carcasă, nici arbore, nici rulmenți. Îndepărtând toate componentele periferice „ambalate”, reține  doar miezul statorului și al rotorului , care sunt direct încorporate în structura articulației robotului. Beneficiile sunt simple:  volum mai mic, cuplu mai mare . Într-un robot umanoid, articulațiile cu cuplu mare, cum ar fi șoldul, genunchiul și umărul necesită o densitate de putere și compactitate extrem de ridicate; motoarele tradiționale ocupă adesea prea mult spațiu, în timp ce un motor de cuplu fără cadru poate fi integrat în interiorul îmbinării pentru a obține un design „motor-articulație一体化”, făcând structura generală mai compactă și mai eficientă.

Datele confirmă și importanța acestora. Luați Tesla Optimus ca exemplu:  fiecare dintre cele 28 de actuatoare ale sale utilizează un motor cuplu fără cadru , evidențiind rolul de bază al acestui produs în acționarea articulațiilor.

II. Analiza principală a configurației produsului: articulații diferite, „mușchi” diferiți

Dacă comparăm motoarele cu mușchii, cerințele pentru diferite părți ale corpului variază foarte mult – articulațiile mari, cum ar fi umerii și șoldurile, au nevoie de putere explozivă, încheieturile și mâinile dibace au nevoie de un control precis, iar genunchii trebuie să suporte încărcătura menținând stabilitatea. Producătorii, pe baza poziționării produsului și a considerațiilor de cost, au adoptat diferite soluții de combinație de motoare.

Tesla Optimus: „Configurația Full-Stack” a unui benchmark tehnic

Tesla Optimus are în prezent cea mai completă și mai transparentă soluție de acționare din industrie. Articulațiile sale sunt împărțite în trei categorii:

·  Dispozitive de acționare rotative (14 unități) : utilizate în principal în articulațiile rotative cu unghi mare, cum ar fi umerii, șoldurile, încheieturile și talia. Soluția este „motor de cuplu fără cadru + reductor de armonici + senzor de cuplu + codificatoare duale”, oferind trei specificații de cuplu:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Dispozitive de acționare liniare (14 unități) : Distribuite în articulații cu unghi de balansare limitat, dar care necesită o forță mare (de exemplu, coate, genunchi, glezne). Soluția este „motor cuplu fără cadru + șurub cu rolă planetară” cu specificații de tracțiune de  500N, 3900N și 8000N.

·  Acționare manuală îndelungată (12 unități / ambele mâini) : Utilizează o combinație de motor cu cupă goală + cutie de viteze planetară în mai multe trepte în miniatură + angrenaj melcat. Fiecare mână are 11 grade de libertate și poate ridica o sarcină de 9 kg.

În general, Optimus folosește actuatorul cu cuplu mare de 180 Nm pentru articulațiile cu sarcină mare, cum ar fi șoldul și umărul, și soluții de cuplu mediu/scăzut pentru părți cu sarcină moderată, cum ar fi cotul și încheietura mâinii, formând un „gradient muscular” rezonabil. Din punct de vedere al costului,  motorul de cuplu fără cadru reprezintă aproximativ 14,8% din costul total al robotului , făcându-l a doua componentă cea mai critică după șurubul cu role planetare.

Unitree H1/G1: „Facțiune auto-dezvoltată” cu performanță ridicată a costurilor

Abordarea Unitree este semnificativ diferită de cea a lui Tesla – ei preferă o  arhitectură de transmisie cvasi-directă care utilizează motoare cu densitate mare de cuplu + angrenaje planetare cu raport scăzut , care asigură puterea de ieșire, reducând în același timp costurile.

H1  este poziționat ca un robot umanoid mare de calitate industrială, echipat cu un motor M107 auto-dezvoltat, care poate furniza un cuplu maxim de  360 ​​N·m  (articulația șoldului  220N·m , articulația gleznei  45N·m ), cu o densitate de putere pretinsă de 1,5 ori mai mare decât a concurenților. Distribuția articulațiilor: 14 articulații ale membrelor inferioare (cuplu cuprins între 45–220 N·m), 14 articulații ale membrelor superioare (cuplu ~75 N·m) și 2 articulații ale trunchiului.

G1  vizează scenarii pentru consumatorii casnici: 1,32 m înălțime și 35 kg. Versiunea standard are 23 DOF, în timp ce versiunea EDU oferă 23–43 DOF. Articulația sa inferioară a piciorului folosește un modul integrat „motor + reductor planetar în două trepte + encoder + driver” patru în unu, cu un cuplu maxim de articulație a genunchiului de  90 N·m  și o sarcină maximă a brațului de 2 kg. În special, Unitree a atins o rată de localizare de peste 90%, cu motoare, reductoare, controlere, encodere și alte componente de bază, toate dezvoltate singur, permițând versiunii de bază a G1 să aibă un preț de până la 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: „Actuarul” integrat miniaturizat

CyberGear de la Xiaomi urmează un traseu complet diferit: include un servomotor, un reductor armonic, codificatoare duale și un driver într-un corp minuscul care cântărește doar  317 grame , obținând „dimensiune mică, integrare mare”.

Parametri tehnici: motorul CyberGear are un cuplu maxim de numai  3 N·m  , dar poate răspunde la  20 de milisecunde . Este potrivit pentru scenarii ușoare, cum ar fi brațele robotizate de birou și articulațiile robotilor mici. Motorul folosește o carcasă din aluminiu anodizat negru pentru o mai bună disipare a căldurii, încorporează un sistem auto-dezvoltat de detectare a temperaturii și algoritmi de protecție și vine standard cu un conector XT30 și un design cu eliberare rapidă. Este vândut pe magazinul online Xiaomi pentru doar  499 RMB , ceea ce îl face „prețul de control” pentru modulele de îmbinare a robotului de nivel de intrare.

Deși cuplul maxim de 3N·m este mult mai mic decât cel al soluțiilor cu cuplu mare de la Optimus și Unitree, având în vedere greutatea sa de doar 317 de grame și designul său „quick-release + integrated”, este mai mult decât adecvat pentru scenariile de consum (roboți mici de acasă, roboți educaționali). Urmează o strategie „destul de bună”—permițând producătorilor mici și mijlocii să joace și în spațiul roboticii.

Seria Zhiyuan Robotics Expedition: Urmărirea „puterii de explozie”

Seria Zhiyuan Expedition este deosebit de agresivă în ceea ce privește performanța motorului. Robotul Expedition A2 Max furnizează un cuplu maxim al articulației de  450 N·m , în prezent unul dintre cele mai ridicate valori ale cuplului articulației disponibile public. Motorul său PowerFlow dezvoltat de sine adoptă o rută tehnologică de acționare cvasi-directă – undeva între acționarea directă și motoarele tradiționale – oferind un cuplu maxim care depășește 350 N·m în timp ce cântărește doar 1,6 kg și încorporează, de asemenea, un sistem de răcire cu lichid, sensibilitatea de control al forței de echilibrare și capacitatea de încărcare continuă. În prezent, Zhiyuan a lansat o bază industrială în Chengdu, iar produse precum Expedition A3, A2 și Lingxi X2 au realizat producție în masă.

Pentru o comparație intuitivă, parametrii cheie ai modelelor principale de mai sus sunt rezumați în tabelul de mai jos:

Din tabelul de mai sus, este clar că motoarele de cuplu fără cadru pentru robot au devenit aproape standard în scenariile cu sarcini grele, cum ar fi articulațiile șoldului, genunchiului și umărului, în timp ce motoare cu cupă goală mai precise sunt utilizate la capătul mâinilor - singurele diferențe constau în  combinarea tipului de motor și a parametrilor de performanță . Direcția este consecventă.

III. „Cartarea” între motoare și roboți completi

Deci, ce producători de motoare din amonte susțin aceste produse robotice umanoizi bine-cunoscute? Pe măsură ce producția de masă crește, un număr de furnizori interni și internaționali se leagă profund de producători completi de roboți, ocupând poziții cheie.

·  Lanțul de aprovizionare al Tesla : Inovance Technology deține o poziție de lider în articulațiile integrate de control al acționării, iar produsele Leadshine de control al mișcării au intrat, de asemenea, în lanțul de aprovizionare al Tesla. În plus, motoarele de cuplu fără cadru ale Wolong Electric Drive au intrat cu succes în lanțurile de aprovizionare ale roboților domestici, cum ar fi Unitree și Zhiyuan, legându-se indirect de Tesla, cu o cotă de piață internă de aproximativ 25%.

·  Unitree  este un jucător cu o rată de localizare extrem de ridicată; motoarele, plăcile de antrenare și algoritmii de control al mișcării sunt în mare parte dezvoltați singuri. Din perspectiva lanțului de aprovizionare, reductoarele de armonice Leaderdrive și motoarele de cuplu fără cadru de la Haozhi Electromechanical, printre altele, furnizează Unitree.

· Motorul  CyberGear de la Xiaomi  nu se bazează pe furnizori externi de motoare, dar demontările arată că integrează encoderul magnetic ams OSRAM și MCU de control principal al GigaDevice. Între timp, Inovance Technology furnizează și Xiaomi.

·  Zhiyuan  are o serie de furnizori strâns legați de el. Wolong Electric Drive nu numai că a intrat în lanțul de aprovizionare al lui Zhiyuan printr-o legătură dublă „industrie + capital”, dar deține și indirect acțiuni la Zhiyuan. Alți lideri interni care furnizează sisteme servo și motoare cuplu fără cadru includ Inovance Technology, STEP Electric și Veichi Electric.

În general,  câmpul motorului de cuplu fără cadru este martor la o accelerare a localizării . Pe piața de ultimă generație, mărci internaționale precum Kollmorgen și MOOG încă ocupă vârful tehnologic, dar în ceea ce privește producția de masă, controlul costurilor și serviciile personalizate, jucători autohtoni precum Inovance, Wolong și STEP sunt în creștere rapidă.

IV. Cerințe „Mușchi” de nivel superior: codificatoare și articulații de înaltă precizie

Motoarele rezolvă problema puterii de ieșire, dar pentru a obține o poziționare suficient de precisă a articulațiilor, un feedback fin al forței și un control fluid al mișcării, este necesară o altă componentă cheie -  codificatorul.

Codificatorul acționează ca „sistemul nervos” al robotului, responsabil pentru feedback-ul în timp real al informațiilor despre poziție, viteză și unghi. La roboții umanoizi, soluția  de codificare duală  a devenit curentă: un encoder este instalat pe partea motorului, celălalt pe partea de ieșire, iar diferența unghiulară dintre ei este comparată pentru calibrarea cuplului și a poziției. În articulațiile cu sarcini grele (cum ar fi șoldul și genunchiul), codificatorul determină cât de precis poate controla robotul mersul și forța; în operațiunile manuale fine, precizia codificatorului este o variabilă critică măsurată în milimetri.

V. SDM: O stea emergentă în motoarele cu cuplu și codificatoarele magnetice fără cadru pentru roboti domestici

Pe fundalul accelerării localizării, o companie din Hangzhou — SDM — intră treptat în nucleul lanțului industriei robotilor umanoizi cu matricea sa de produse cu două roți de „motoare de cuplu fără cadru robot + codificatoare magnetice“.

Avantajele diferențiate ale SDM în motoarele cu cuplu fără cadru sunt reflectate în principal în trei aspecte:

1. Capacitate de proiectare a motorului complet dezvoltată . Motoarele de cuplu fără cadru de la SDM acceptă un răspuns de mare viteză și un control în timp real al cuplului în buclă închisă, folosind materiale din aliaje de calitate aviatică și magneți cu energie magnetică ridicată, îmbunătățind semnificativ densitatea cuplului și rezistența la impact. Vizând nevoile diferențiate ale diferitelor articulații ale robotului (șold/genunchi/umăr), SDM a lansat mai multe linii de produse pentru motoare cu un cuplu maxim care acoperă 50 Nm până la peste 200 Nm, adaptându-se în mod flexibil la aplicații de la servicii comerciale ușoare până la sarcini industriale grele.

2. Tehnologia de bază în codificatoare magnetice . Encoderele magnetice absolute multi-turn și auto-dezvoltate de la SDM și codificatoarele magnetice cu o singură tură se potrivesc cu soluțiile internaționale principale în ceea ce privește precizia, stabilitatea și capacitatea anti-interferențe. Folosind senzori magnetorezistivi de înaltă precizie și tehnologia inelului magnetic multipolar, codificatoarele magnetice SDM ating o rezoluție pozițională mai bună de 18 biți, optimizând în același timp în mod semnificativ caracteristicile anti-vibrații și temperatură înaltă/joasă. Această capacitate integrată „motor + encoder” permite producătorilor completi de roboți să obțină  o selecție unică a soluției de acționare comună , îmbunătățind considerabil eficiența dezvoltării și integrarea sistemului.

3. Înrădăcinat în clusterul industrial 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM este situat în Hangzhou și în regiunea deltei fluviului Yangtze, care găzduiește cea mai densă concentrație de resurse componente ale robotului din China, acoperind reductoare, rulmenți, senzori și alte părți cheie. Beneficiind de promovarea continuă a politicilor de dezvoltare a industriei robotilor umanoizi din provincia Zhejiang, SDM se extinde treptat de la furnizarea cu o singură componentă la soluții complete de module comune.

Pe măsură ce roboții umanoizi trec de la stadiul de laborator la  „era producției de masă” , concurența dintre furnizorii de motoare și codificatori din amonte trece de la „eficiența costurilor” la o bătălie pe două căi de „performanță + fiabilitate”. SDM, valorificând avantajele lanțului său industrial din Hangzhou și capacitățile sale auto-dezvoltate de motor și codificator magnetic, devine o forță indispensabilă în „sursa de energie” a roboților umanoizi produși pe plan intern.