Как безрамные моментные двигатели роботов приводят в действие роботов-гуманоидов

Возможно, вы уже видели короткие видеоролики о роботах-гуманоидах, которые делают сальто назад в лабораториях, переносят детали на автомобильные заводы или даже естественно разговаривают с людьми. За этими, казалось бы, «человеческими» действиями стоит ключевой фактор: совместная система. Если алгоритмы — это мозг робота, а датчики — его чувства, то Безрамный крутящий момент робота  — это его сила, определяющая, насколько быстро он может бежать, насколько тяжелый он может поднимать и насколько устойчиво он может ходить. Сегодня мы начнем с нескольких основных продуктов гуманоидных роботов, чтобы проанализировать, в чем превосходит эта «мышечная» технология и как она поддерживает промышленную трансформацию.

I. Почему роботы-гуманоиды неотделимы от безрамных моментных двигателей роботов?

Давайте познакомимся с нашим главным героем. Безрамный моментный двигатель — это уникальное явление: у него нет корпуса, вала и подшипников. Удалив все «упакованные» периферийные компоненты, остаются  только сердечник статора и ротора , которые непосредственно встроены в шарнирную конструкцию робота. Преимущества очевидны:  меньший объем, более высокий крутящий момент . В роботе-гуманоиде суставы с большим крутящим моментом, такие как бедро, колено и плечо, требуют чрезвычайно высокой удельной мощности и компактности; Традиционные двигатели часто занимают слишком много места, в то время как безрамный моментный двигатель может быть интегрирован внутри шарнира для достижения конструкции «двигатель-соединение», что делает общую конструкцию более компактной и эффективной.

Данные также подтверждают его важность. Возьмем, к примеру, Tesla Optimus:  каждый из 28 ее приводов использует безрамный моментный двигатель , что подчеркивает основную роль этого продукта в совместном приведении в действие.

II. Анализ конфигурации основного продукта: разные суставы, разные «мышцы»

Если мы сравним моторы с мышцами, то требования к различным частям тела сильно различаются: крупные суставы, такие как плечи и бедра, нуждаются в взрывной силе, запястья и ловкие руки нуждаются в точном контроле, а колени должны выдерживать нагрузку, сохраняя при этом стабильность. Производители, исходя из позиционирования продукта и соображений стоимости, приняли различные решения по комбинациям двигателей.

Tesla Optimus: «Полнофункциональная конфигурация» технического эталона

Tesla Optimus в настоящее время предлагает наиболее полное и технически прозрачное решение для приводов в отрасли. Его суставы делятся на три категории:

·  Поворотные приводы (14 единиц) : В основном используются во вращательных суставах с большим углом, таких как плечи, бедра, запястья и поясница. Решением является «безрамный моментный двигатель + редуктор гармоник + датчик крутящего момента + двойные энкодеры», предлагающий три характеристики крутящего момента:  20 Нм, 110 Нм, 180 Нм..

·  Линейные приводы (14 единиц) : Распределяются в суставах с ограниченным углом поворота, но требующих большой тяги (например, локти, колени, лодыжки). Решением является «безрамный моментный двигатель + планетарная ролико-винтовая передача» с характеристиками тяги  500 Н, 3900 Н и 8000 Н..

·  Удобные ручные приводы (12 единиц / обе руки) : используется комбинация двигателя с полой чашкой + миниатюрного многоступенчатого планетарного редуктора + червячной передачи. Каждая рука имеет 11 степеней свободы и может поднять груз массой 9 кг.

В целом, Optimus использует привод с высоким крутящим моментом 180 Нм для суставов, подвергающихся большой нагрузке, таких как бедро и плечо, а также решения со средним/низким крутящим моментом для частей с умеренной нагрузкой, таких как локоть и запястье, образуя разумный «мышечный градиент». С точки зрения стоимости  безрамный моментный двигатель составляет примерно 14,8% от общей стоимости робота , что делает его вторым наиболее важным компонентом после планетарной ролико-винтовой передачи.

Unitree H1/G1: высокоэффективная «саморазвитая фракция»

Подход Unitree существенно отличается от подхода Tesla — они предпочитают  архитектуру квазипрямого привода с использованием двигателей с высокой плотностью крутящего момента + планетарных передач с низким передаточным числом , что обеспечивает выходную мощность при одновременном снижении затрат.

H1  позиционируется как большой робот-гуманоид промышленного класса, оснащенный двигателем M107 собственной разработки, способным развивать пиковый крутящий момент  360 Н·м  (тазобедренный сустав  220 Н·м , голеностопный сустав  45 Н·м ), при этом заявленная плотность мощности в 1,5 раза выше, чем у конкурентов. Распределение суставов: 14 суставов нижних конечностей (крутящий момент в диапазоне 45–220 Н·м), 14 суставов верхних конечностей (крутящий момент ~75 Н·м) и 2 сустава туловища.

G1  ориентирован на домашних потребителей: рост 1,32 м, вес 35 кг. Стандартная версия имеет 23 степени свободы, а версия EDU — 23–43 степени свободы. В суставе голени используется интегрированный модуль «мотор + двухступенчатый планетарный редуктор + энкодер + привод» «четыре в одном» с максимальным крутящим моментом коленного сустава  90 Н·м  и максимальной нагрузкой на руку 2 кг. Примечательно, что Unitree достигла уровня локализации более 90%, при этом двигатели, редукторы, контроллеры, энкодеры и другие основные компоненты были разработаны самостоятельно, что позволяет базовую версию G1 стоить всего 85 000 юаней.

Xiaomi CyberGear: миниатюрный интегрированный «актуарий»

CyberGear от Xiaomi идет по совершенно иному пути: он объединяет серводвигатель, редуктор гармоник, двойные энкодеры и драйвер в крошечном корпусе весом всего  317 граммов , обеспечивая «маленький размер, большую интеграцию».

Технические параметры: двигатель CyberGear имеет максимальный крутящий момент всего  3 Н·м  , но может реагировать за  20 миллисекунд . Он подходит для легких сценариев, таких как настольные роботизированные манипуляторы и небольшие суставы роботов. В двигателе используется корпус из черного анодированного алюминия для лучшего рассеивания тепла, он оснащен собственной системой определения температуры и алгоритмами защиты и в стандартной комплектации поставляется с разъемом XT30 и быстроразъемной конструкцией. Он продается в интернет-магазине Xiaomi всего за  499 юаней , что делает его «контролером цен» для модулей суставов роботов начального уровня.

Хотя его максимальный крутящий момент 3 Н·м намного ниже, чем у решений с большим крутящим моментом Optimus и Unitree, учитывая его вес всего 317 грамм и конструкцию «быстросъемный + интегрированный», его более чем достаточно для потребительских сценариев (домашних небольших роботов, образовательных роботов). Он следует «достаточно хорошей» стратегии, позволяющей малым и средним производителям также участвовать в сфере робототехники.

Серия Zhiyuan Robotics Expedition: В поисках «максимальной взрывной мощности»

Серия Zhiyuan Expedition отличается особенно агрессивными характеристиками двигателя. Робот Expedition A2 Max обеспечивает пиковый крутящий момент в суставах  450 Н·м , что на данный момент является одним из самых высоких общедоступных показателей крутящего момента в суставах. Его двигатель PowerFlow собственной разработки использует технологию квазипрямого привода — что-то среднее между прямым приводом и традиционными двигателями — обеспечивая максимальный крутящий момент, превышающий 350 Н·м, при весе всего 1,6 кг, а также включает систему жидкостного охлаждения, балансирующую чувствительность управления усилием и способность длительной нагрузки. В настоящее время Zhiyuan открыла промышленную базу в Чэнду, а такие продукты, как Expedition A3, A2 и Lingxi X2, начали массовое производство.

Для интуитивного сравнения ключевые параметры вышеперечисленных основных моделей сведены в таблицу ниже:

Из приведенной выше таблицы видно, что безрамные моментные двигатели роботов стали практически стандартом в сценариях с большими нагрузками, таких как тазобедренные, коленные и плечевые суставы, в то время как более точные двигатели с полыми чашками используются на концах рук — единственные различия заключаются в сочетании  типа двигателя и параметров производительности . Направление последовательное.

III. «Сопоставление» между двигателями и полноценными роботами

Так какие же производители двигателей поддерживают эти хорошо известные продукты-гуманоидные роботы? По мере наращивания массового производства ряд отечественных и международных поставщиков тесно связаны с производителями комплексных роботов, занимая ключевые позиции.

·  Цепочка поставок Tesla : Inovance Technology занимает лидирующие позиции в области интегрированных шарниров управления приводом, а продукты управления движением Leadshine также вошли в цепочку поставок Tesla. Кроме того, безрамные моментные двигатели Wolong Electric Drive успешно вошли в цепочки поставок основных отечественных роботов, таких как Unitree и Zhiyuan, косвенно связанных с Tesla, с долей внутреннего рынка около 25%.

·  Unitree  — плеер с чрезвычайно высоким уровнем локализации; его двигатели, приводные платы и алгоритмы управления движением в значительной степени разработаны самостоятельно. С точки зрения цепочки поставок, Unitree поставляют, среди прочего, гармонические редукторы Leaderdrive и безрамные моментные двигатели Haozhi Electromechanical.

· Двигатель  CyberGear от Xiaomi  не зависит от внешних поставщиков двигателей, но разбор показывает, что он объединяет магнитный энкодер ams OSRAM и основной управляющий микроконтроллер GigaDevice. Между тем, Inovance Technology также поставляет продукцию Xiaomi.

·  С Чжиюань  тесно связаны несколько поставщиков. Wolong Electric Drive не только вошла в цепочку поставок Zhiyuan через двойную связку «промышленность + капитал», но и косвенно владеет акциями Zhiyuan. Среди других отечественных лидеров, поставляющих сервосистемы и безрамные моментные двигатели, — Inovance Technology, STEP Electric и Veichi Electric.

В целом,  в области безрамных моментных двигателей наблюдается ускорение локализации . На рынке высокого класса международные бренды, такие как Kollmorgen и MOOG, по-прежнему занимают технологические высокие позиции, но с точки зрения массового производства, контроля затрат и индивидуальных услуг быстро растут отечественные игроки, такие как Inovance, Wolong и STEP.

IV. Требования «мышцы» более высокого уровня: энкодеры и высокоточные соединения

Двигатели решают проблему выходной мощности, но для достижения достаточно точного позиционирования суставов, точной обратной связи по усилию и плавного управления движением требуется еще один ключевой компонент — энкодер  ..

Энкодер действует как «нервная система» робота, отвечая за обратную связь в режиме реального времени с информацией о положении, скорости и угле. В роботах-гуманоидах решение  с двойным энкодером  стало общепринятым: один энкодер устанавливается на стороне двигателя, другой — на выходной стороне, и угловая разница между ними сравнивается для калибровки крутящего момента и положения. В суставах, на которые приходится большая нагрузка (таких как тазобедренный и коленный), энкодер определяет, насколько точно робот может контролировать походку и силу; при тонких ручных операциях точность энкодера является критически важной величиной, измеряемой в миллиметрах.

V. SDM: восходящая звезда в области безрамных моментных двигателей и магнитных энкодеров для домашних роботов

На фоне ускоряющейся локализации компания из Ханчжоу — SDM — постепенно вступает в ядро ​​производственной цепочки гуманоидных роботов со своей матрицей двухколесных продуктов «безрамные моментные двигатели для роботов + магнитные энкодеры».

Отличительные преимущества SDM в области безрамных моментных двигателей в основном отражаются в трех аспектах:

1. Полностью собственная разработка двигателя . Безрамные моментные двигатели SDM обеспечивают высокую скорость реакции и управление крутящим моментом в режиме реального времени с обратной связью, используя материалы из сплавов авиационного класса и магниты с высокой магнитной энергией, что значительно улучшает плотность крутящего момента и ударопрочность. Ориентируясь на различные потребности различных суставов роботов (тазобедренного, коленного и плечевого суставов), компания SDM запустила несколько линеек двигателей с максимальным крутящим моментом от 50 Нм до более 200 Нм, гибко адаптируясь к различным применениям: от легких коммерческих перевозок до тяжелых промышленных нагрузок.

2. Основная технология магнитных энкодеров . Многооборотные абсолютные магнитные энкодеры и однооборотные магнитные энкодеры собственной разработки SDM соответствуют основным международным решениям по точности, стабильности и помехоустойчивости. Используя высокоточные магниторезистивные датчики и технологию многополюсных магнитных колец, магнитные энкодеры SDM достигают позиционного разрешения лучше, чем 18 бит, при этом значительно оптимизируя антивибрационные и высоко/низкотемпературные характеристики. Эта интегрированная возможность «двигатель + энкодер» позволяет производителям комплексных роботов обеспечить  универсальный выбор решения для совместного привода , что значительно повышает эффективность разработки и системную интеграцию.

3. Основан на промышленном кластере «Шесть маленьких драконов Ханчжоу» . SDM расположена в Ханчжоу и районе дельты реки Янцзы, где находится самая высокая концентрация ресурсов компонентов роботов в Китае, включая редукторы, подшипники, датчики и другие ключевые детали. Благодаря постоянному продвижению политики развития индустрии гуманоидных роботов в провинции Чжэцзян, SDM постепенно переходит от поставок отдельных компонентов к комплексным решениям из совместных модулей.

По мере того как роботы-гуманоиды переходят от лабораторной стадии к  «эре массового производства» , конкуренция между поставщиками двигателей и энкодеров переходит от «экономической эффективности» к двойной битве «производительность + надежность». SDM, используя преимущества своей местной промышленной цепочки в Ханчжоу и возможности собственных двигателей и магнитных энкодеров, становится незаменимой силой в «источнике энергии» гуманоидных роботов отечественного производства.