Ako robotické bezrámové krútiace motory poháňajú humanoidné roboty

Možno ste už videli krátke videá humanoidných robotov – ako robia prevrátenia v laboratóriách, nosia diely v automobilkách alebo dokonca vedú prirodzené rozhovory s ľuďmi. Za týmito zdanlivo 'ľudskými' činmi sa skrýva základný prvok: kĺbový systém. Ak sú algoritmy mozgom robota a senzory jeho zmyslami, potom Robot Frameless Torque Motor  je jeho sval – určuje, ako rýchlo môže bežať, akú váhu dokáže zdvihnúť a ako stabilne môže chodiť. Dnes začneme od niekoľkých bežných produktov humanoidných robotov, aby sme rozobrali, kde táto technológia „svalov“ vyniká a ako podporuje priemyselnú transformáciu.

I. Prečo sú humanoidné roboty neoddeliteľné od robotických bezrámových momentových motorov?

Poďme spoznať nášho hlavného hrdinu. Bezrámový momentový motor je jedinečná existencia – nemá puzdro, hriadeľ, žiadne ložiská. Odstránením všetkých 'zabalených' periférnych komponentov si zachová  iba jadro statora a rotora , ktoré sú priamo zabudované do kĺbovej konštrukcie robota. Výhody sú jasné:  menší objem, vyšší krútiaci moment . V humanoidnom robote vyžadujú kĺby s veľkým krútiacim momentom, ako sú bedrá, koleno a rameno, extrémne vysokú hustotu výkonu a kompaktnosť; tradičné motory často zaberajú príliš veľa miesta, zatiaľ čo do kĺbu možno integrovať bezrámový momentový motor, aby sa dosiahol dizajn 'motorového kĺbu一体化', vďaka čomu je celková konštrukcia kompaktnejšia a efektívnejšia.

Jeho dôležitosť potvrdzujú aj údaje. Vezmite si Tesla Optimus ako príklad:  každý z jej 28 pohonov používa bezrámový momentový motor , čím sa zdôrazňuje kľúčová úloha tohto produktu pri spoločnom pohone.

II. Analýza konfigurácie hlavného prúdu: Rôzne kĺby, rôzne 'svaly'

Ak porovnáme motory so svalmi, požiadavky na rôzne časti tela sa značne líšia – veľké kĺby, ako sú ramená a boky, potrebujú výbušnú silu, zápästia a šikovné ruky potrebujú presnú kontrolu a kolená musia znášať záťaž pri zachovaní stability. Výrobcovia na základe umiestnenia produktu a nákladových úvah prijali rôzne riešenia kombinácií motorov.

Tesla Optimus: 'Full-Stack Configuration' technického benchmarku

Tesla Optimus má v súčasnosti najkompletnejšie a technicky najtransparentnejšie riešenie pohonov v tomto odvetví. Jeho spoje sú rozdelené do troch kategórií:

·  Rotačné pohony (14 jednotiek) : Používajú sa hlavne v rotačných kĺboch ​​pod veľkým uhlom, ako sú ramená, boky, zápästia a pás. Riešením je 'bezrámový motor krútiaceho momentu + harmonický reduktor + snímač krútiaceho momentu + duálne snímače', ktorý ponúka tri špecifikácie krútiaceho momentu:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Lineárne pohony (14 jednotiek) : Rozmiestnené v kĺboch ​​s obmedzeným uhlom výkyvu, ale vyžadujúce vysoký ťah (napr. lakte, kolená, členky). Riešením je 'bezrámový momentový motor + planétová valčeková skrutka', so špecifikáciami ťahu  500N, 3900N a 8000N.

·  Obratné ručné ovládače (12 jednotiek / obe ruky) : Používa kombináciu dutého pohárového motora + miniatúrnej viacstupňovej planétovej prevodovky + šnekového prevodu. Každá ruka má 11 stupňov voľnosti a dokáže zdvihnúť bremeno s hmotnosťou 9 kg.

Celkovo Optimus používa 180Nm ovládač s vysokým krútiacim momentom pre vysoko zaťažené kĺby, ako sú bedrá a ramená, a riešenia so stredným/nízkym krútiacim momentom pre stredne zaťažené časti, ako sú lakeť a zápästie, čím sa vytvára primeraný 'svalový gradient'. Z hľadiska nákladov  predstavuje bezrámový momentový motor približne 14,8 % celkových nákladov robota , čo z neho robí druhý najkritickejší komponent po skrutke s planétovým valčekom.

Unitree H1/G1: Vysoká cena-výkon 'vlastne vyvinutá frakcia'

Prístup Unitree sa výrazne líši od prístupu Tesly – uprednostňuje  kvázi-priamu architektúru pohonu využívajúcu motory s vysokou hustotou krútiaceho momentu + planétové prevody s nízkym prevodom , čo zaisťuje výstupný výkon a zároveň znižuje náklady.

H1  je umiestnený ako veľký humanoidný robot priemyselnej triedy, ktorý je vybavený motorom M107, ktorý sa vyvinul vo vlastnej réžii a ktorý dokáže poskytnúť maximálny krútiaci moment  360 N·m  (bedrový kĺb  220 N·m , členkový kĺb  45 N·m ) s deklarovanou hustotou výkonu 1,5-krát vyššou ako konkurenti. Distribúcia kĺbov: 14 kĺbov dolných končatín (krútiaci moment v rozsahu 45–220 N·m), 14 kĺbov hornej končatiny (krútiaci moment ~75 N·m) a 2 kĺby trupu.

G1  sa zameriava na scenáre domáceho spotrebiteľa: výška 1,32 m, hmotnosť 35 kg. Štandardná verzia má 23 DOF, zatiaľ čo verzia EDU ponúka 23–43 DOF. Jeho spodný kĺb nohy využíva integrovaný modul štyri v jednom „motor + dvojstupňový planétový reduktor + kodér + ovládač“ s maximálnym krútiacim momentom kolenného kĺbu  90 N·m  a maximálnym zaťažením ramena 2 kg. Je pozoruhodné, že Unitree dosiahlo mieru lokalizácie viac ako 90 %, pričom motory, reduktory, ovládače, kódovače a ďalšie základné komponenty boli vyvinuté samostatne, čo umožňuje cenu základnej verzie G1 až na 85 000 RMB.

Xiaomi CyberGear: Miniaturizovaný integrovaný 'poistný matematik'

CyberGear od Xiaomi ide úplne inou cestou – obsahuje servomotor, harmonický reduktor, duálne kódovače a ovládač do malého tela s hmotnosťou iba  317 gramov , čím dosahuje „malú veľkosť, veľkú integráciu“.

Technické parametre: motor CyberGear má maximálny krútiaci moment iba  3 N·m  , ale dokáže reagovať už za  20 milisekúnd . Je vhodný pre ľahké scenáre, ako sú stolové robotické ramená a kĺby malých robotov. Motor používa čierne eloxované hliníkové puzdro pre lepší odvod tepla, obsahuje vlastný vyvinutý systém detekcie teploty a ochranné algoritmy a štandardne sa dodáva s konektorom XT30 a dizajnom s rýchlym uvoľnením. Predáva sa v internetovom obchode Xiaomi len za  499 RMB , čo z neho robí 'price gatekeeper' pre základné moduly robotických kĺbov.

Hoci jeho maximálny krútiaci moment 3 N·m je oveľa nižší ako pri riešeniach s veľkým krútiacim momentom Optimus a Unitree, vzhľadom na jeho hmotnosť iba 317 gramov a jeho 'rýchlo uvoľnený + integrovaný' dizajn je viac než dostatočný pre spotrebiteľské scenáre (domáce malé roboty, vzdelávacie roboty). Riadi sa „dostatočne dobrou“ stratégiou – umožňuje malým a stredným výrobcom hrať aj v oblasti robotiky.

Séria expedície Zhiyuan Robotics Expedition: Prenasledovanie 'ultimátnej burstovej sily'

Séria Zhiyuan Expedition je obzvlášť agresívna vo výkone motora. Robot Expedition A2 Max poskytuje maximálny krútiaci moment kĺbu  450 N·m , čo je v súčasnosti jedna z najvyšších verejne dostupných hodnôt krútiaceho momentu kĺbu. Jeho vlastnoručne vyvinutý motor PowerFlow využíva technológiu kvázi priameho pohonu – niekde medzi priamym pohonom a tradičnými motormi – poskytuje špičkový krútiaci moment presahujúci 350 N·m pri hmotnosti iba 1,6 kg a tiež obsahuje systém chladenia kvapalinou, citlivosť regulácie vyrovnávacej sily a kapacitu nepretržitého zaťaženia. V súčasnosti spoločnosť Zhiyuan spustila priemyselnú základňu v Chengdu a produkty ako Expedition A3, A2 a Lingxi X2 dosiahli sériovú výrobu.

Pre intuitívne porovnanie sú kľúčové parametre vyššie uvedených mainstreamových modelov zhrnuté v tabuľke nižšie:

Z vyššie uvedenej tabuľky je zrejmé, že bezrámové momentové motory robotov sa stali takmer štandardom v scenároch s veľkým zaťažením, ako sú bedrové, kolenné a ramenné kĺby, zatiaľ čo na konci rúk sa používajú presnejšie motory s dutou miskou – rozdiely spočívajú len v kombinácii  typu motora a výkonových parametrov . Smer je konzistentný.

III. 'Mapovanie' medzi motormi a úplnými robotmi

Ktorí výrobcovia motorov teda podporujú tieto známe produkty humanoidných robotov? Ako sa masová výroba rozbieha, množstvo domácich a medzinárodných dodávateľov sa hlboko zaviazalo k výrobcom kompletných robotov, ktorí obsadzujú kľúčové pozície.

·  Dodávateľský reťazec Tesly : Inovance Technology má vedúcu pozíciu v integrovaných kĺboch ​​riadenia pohonu a produkty Leadshine na riadenie pohybu tiež vstúpili do dodávateľského reťazca Tesly. Okrem toho bezrámové momentové motory Wolong Electric Drive úspešne vstúpili do dodávateľských reťazcov domácich bežných robotov, ako sú Unitree a Zhiyuan, a nepriamo sa tak naviazali na Teslu s podielom na domácom trhu približne 25 %.

·  Unitree  je hráč s extrémne vysokou mierou lokalizácie; jeho motory, riadiace dosky a algoritmy riadenia pohybu sú z veľkej časti vyvinuté samostatne. Z pohľadu dodávateľského reťazca dodávajú Unitree okrem iného harmonické redukcie Leaderdrive a bezrámové momentové motory Haozhi Electromechanical.

· Motor  CyberGear od Xiaomi  sa nespolieha na externých dodávateľov motorov, ale roztrhnutia odhaľujú, že integruje magnetický kódovač ams OSRAM a hlavný riadiaci MCU GigaDevice. Medzitým Inovance Technology dodáva aj Xiaomi.

·  Zhiyuan  má niekoľko dodávateľov, ktorí sú s ním hlboko prepojení. Wolong Electric Drive nielenže vstúpil do dodávateľského reťazca spoločnosti Zhiyuan prostredníctvom dvojitého viazania „priemysel + kapitál“, ale nepriamo vlastní aj akcie v spoločnosti Zhiyuan. Medzi ďalších domácich lídrov dodávajúcich servosystémy a bezrámové momentové motory patria Inovance Technology, STEP Electric a Veichi Electric.

Celkovo  je pole bezrámového momentového motora svedkom zrýchlenia lokalizácie . Na špičkovom trhu medzinárodné značky ako Kollmorgen a MOOG stále zaberajú technologickú špičku, ale pokiaľ ide o masovú výrobu, kontrolu nákladov a prispôsobené služby, domáci hráči ako Inovance, Wolong a STEP rýchlo rastú.

IV. Požiadavky na 'svaly' vyššej úrovne: kódovače a vysoko presné kĺby

Motory riešia problém výstupného výkonu, ale na dosiahnutie dostatočne presného polohovania spoja, jemnej spätnej väzby sily a plynulého riadenia pohybu je potrebný ďalší kľúčový komponent –  ​​kódovač..

Kódovač funguje ako 'nervový systém' robota zodpovedný za spätnú väzbu o polohe, rýchlosti a uhle v reálnom čase. V humanoidných robotoch sa riešenie  duálneho kódovača  stalo hlavným prúdom: jeden kódovač je inštalovaný na strane motora, druhý na strane výstupu a uhlový rozdiel medzi nimi sa porovnáva s kalibráciou krútiaceho momentu a polohy. V kĺboch ​​s vysokou záťažou (ako sú bedrá a koleno) kodér určuje, ako presne dokáže robot ovládať chôdzu a silu; pri jemných ručných operáciách je presnosť snímača kritickou premennou meranou v milimetroch.

V. SDM: Vynárajúca sa hviezda v domácich robotických bezrámových momentových motoroch a magnetických kódovačoch

Na pozadí zrýchľujúcej sa lokalizácie spoločnosť z Hangzhou – SDM – postupne vstupuje do jadra priemyselného reťazca humanoidných robotov so svojou dvojkolesovou produktovou maticou „bezrámové torzné motory robotov + magnetické kódovače“.

Diferencované výhody SDM v bezrámových momentových motoroch sa odrážajú najmä v troch aspektoch:

1. Plne vyvinutá schopnosť konštrukcie motora . Bezrámové momentové motory SDM podporujú vysokorýchlostnú odozvu a reguláciu krútiaceho momentu v reálnom čase pomocou zliatinových materiálov pre letectvo a magnetov produktov s vysokou magnetickou energiou, čo výrazne zlepšuje hustotu krútiaceho momentu a odolnosť proti nárazu. So zameraním na diferencované potreby rôznych robotických kĺbov (bedrové/koleno/rameno) spoločnosť SDM uviedla na trh viacero produktových radov motorov so špičkovým krútiacim momentom od 50 Nm do viac ako 200 Nm, ktoré sa flexibilne prispôsobujú aplikáciám od ľahkých komerčných služieb až po priemyselné veľké zaťaženie.

2. Technológia jadra v magnetických kódovačoch . Samostatne vyvinuté viacotáčkové absolútne magnetické kódovače a jednootáčkové magnetické kódovače SDM zodpovedajú medzinárodným bežným riešeniam v presnosti, stabilite a schopnosti proti rušeniu. Použitím vysoko presných magnetorezistentných snímačov a viacpólovej technológie magnetického prstenca dosahujú magnetické kódovače SDM pozičné rozlíšenie lepšie ako 18 bitov, pričom výrazne optimalizujú antivibračné a vysoko/nízkoteplotné charakteristiky. Táto integrovaná schopnosť „motor + kódovač“ umožňuje výrobcom kompletných robotov dosiahnuť  výber riešenia spoločného pohonu na jednom mieste , čím sa výrazne zlepší efektivita vývoja a systémová integrácia.

3. Zakorenené v priemyselnom zoskupení 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM sa nachádza v Hangzhou a oblasti delty rieky Yangtze, ktorá je hostiteľom najhustejšej koncentrácie zdrojov robotických komponentov v Číne, ktorá zahŕňa reduktory, ložiská, senzory a ďalšie kľúčové časti. Vďaka neustálej propagácii politík rozvoja priemyslu humanoidných robotov v provincii Zhejiang sa SDM postupne rozširuje od jednozložkovej dodávky až po kompletné riešenia spoločných modulov.

Ako sa humanoidné roboty presúvajú z laboratórnej fázy do  'éry hromadnej výroby' , konkurencia medzi dodávateľmi motorov a kódovačov smerom hore sa mení z 'nákladovej efektívnosti' na dvojkoľajový súboj 'výkon + spoľahlivosť'. SDM, využívajúci výhody svojho miestneho priemyselného reťazca Hangzhou a svojich vlastných schopností motora a magnetického kódovača, sa stáva nenahraditeľnou silou v 'zdroji energie' domácky vyrábaných humanoidných robotov.