Kako robotski navorni motorji brez okvirja poganjajo humanoidne robote

Morda ste že videli kratke videoposnetke humanoidnih robotov, ki v laboratorijih izvajajo prelete nazaj, prenašajo dele v avtomobilskih tovarnah ali se celo naravno pogovarjajo z ljudmi. Za temi na videz 'podobnimi človeškim' dejanji se skriva osrednji dejavnik: skupni sistem. Če so algoritmi robotovi možgani in senzorji njegova čutila, potem je Robot Frameless Torque Motor  je njegova mišica, ki določa, kako hitro lahko teče, kako težo lahko dvigne in kako stabilno lahko hodi. Danes bomo začeli z več običajnimi izdelki humanoidnih robotov, da bi secirali, kje je ta 'mišična' tehnologija odlična in kako podpira industrijsko preobrazbo.

I. Zakaj so humanoidni roboti neločljivi od robotskih navornih motorjev brez okvirja?

Spoznajmo našega protagonista. Momentni motor brez okvirja je edinstven - nima ohišja, gredi, ležajev. Z odstranitvijo vseh 'zapakiranih' perifernih komponent obdrži  le jedro statorja in rotorja , ki sta neposredno vdelana v robotovo skupno strukturo. Prednosti so očitne:  manjša prostornina, večji navor . Pri humanoidnem robotu sklepi z velikim navorom, kot so kolk, koleno in ramena, zahtevajo izjemno visoko gostoto moči in kompaktnost; tradicionalni motorji pogosto zavzamejo preveč prostora, medtem ko je momentni motor brez okvirja mogoče integrirati v spoj, da se doseže zasnova 'motor-joint一体化', zaradi česar je celotna struktura bolj kompaktna in učinkovita.

Njegov pomen potrjujejo tudi podatki. Vzemimo za primer Tesla Optimus:  vsak od njegovih 28 aktuatorjev uporablja momentni motor brez okvirja , kar poudarja osrednjo vlogo tega izdelka pri skupnem aktiviranju.

II. Analiza glavne konfiguracije izdelka: različni sklepi, različne 'mišice'

Če motorje primerjamo z mišicami, se zahteve za različne dele telesa zelo razlikujejo – veliki sklepi, kot so ramena in boki, potrebujejo eksplozivno moč, zapestja in spretne roke potrebujejo natančen nadzor, kolena pa morajo prenesti obremenitev in hkrati ohraniti stabilnost. Proizvajalci so na podlagi pozicioniranja izdelkov in stroškov sprejeli različne kombinacije motorjev.

Tesla Optimus: 'Full-Stack Configuration' tehničnega merila

Tesla Optimus ima trenutno najbolj popolno in tehnično pregledno rešitev za aktuatorje v industriji. Njegovi sklepi so razdeljeni v tri kategorije:

·  Rotacijski aktuatorji (14 enot) : Uporabljajo se predvsem v rotacijskih sklepih z velikim kotom, kot so ramena, boki, zapestja in pas. Rešitev je 'motor navora brez okvirja + harmonični reduktor + senzor navora + dvojni dajalniki', ki ponuja tri specifikacije navora:  20 Nm, 110 Nm, 180 Nm.

·  Linearni aktuatorji (14 enot) : Porazdeljeni v sklepih z omejenim nihajnim kotom, vendar zahtevajo velik odriv (npr. komolci, kolena, gležnji). Rešitev je 'momentni motor brez okvirja + planetni valjčni vijak', s specifikacijami potiska  500N, 3900N in 8000N.

·  Dexterous ročni pogoni (12 enot / obe roki) : Uporablja kombinacijo motorja z votlo skodelico + miniaturnega večstopenjskega planetnega menjalnika + polžastega gonila. Vsaka roka ima 11 stopenj svobode in lahko dvigne 9 kg bremena.

Na splošno Optimus uporablja aktuator z visokim navorom 180 Nm za težke obremenjene sklepe, kot sta kolk in rama, ter rešitve s srednjim/nizkim navorom za dele z zmerno obremenitvijo, kot sta komolec in zapestje, kar tvori razumen 'mišični gradient'. S stroškovnega vidika  predstavlja navorni motor brez okvirja približno 14,8 % skupnih stroškov robota , zaradi česar je druga najbolj kritična komponenta za planetnim valjčnim vijakom.

Unitree H1/G1: 'Samorazvita frakcija' z visoko stroškovno učinkovitostjo

Unitreejev pristop se bistveno razlikuje od Teslinega — raje imajo  kvazidirektno pogonsko arhitekturo, ki uporablja motorje z visoko gostoto navora + planetna gonila z nizkim razmerjem , kar zagotavlja izhodno moč in hkrati zmanjšuje stroške.

H1  je postavljen kot velik humanoidni robot industrijskega razreda, opremljen s samorazvitim motorjem M107, ki lahko zagotovi najvišji navor  360 N·m  (kolčni sklep  220 N·m , gleženj  45 N·m ), z zahtevano gostoto moči, ki je 1,5-krat večja od konkurentov. Porazdelitev sklepov: 14 sklepov spodnjih udov (navor v razponu 45–220 N·m), 14 sklepov zgornjih udov (navor ~75 N·m) in 2 sklepa trupa.

G1  cilja na scenarije domačega potrošnika: visok 1,32 m, težak 35 kg. Standardna različica ima 23 DOF, medtem ko različica EDU ponuja 23–43 DOF. Njegov sklep spodnjega dela noge uporablja integrirani modul 'motor + dvostopenjski planetarni reduktor + kodirnik + gonilnik' štiri v enem z največjim navorom kolenskega sklepa  90 N·m  in največjo obremenitvijo roke 2 kg. Predvsem je Unitree dosegel več kot 90-odstotno stopnjo lokalizacije z motorji, reduktorji, krmilniki, kodirniki in drugimi ključnimi komponentami, ki so jih vsi razvili sami, kar omogoča, da je osnovna različica G1 ocenjena na 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: Miniaturiziran integriran 'Aktuar'

CyberGear podjetja Xiaomi ubere popolnoma drugačno pot - združuje servo motor, harmonični reduktor, dvojna kodirnika in gonilnik v majhnem ohišju, ki tehta le  317 gramov , s čimer doseže 'majhno velikost, veliko integracijo'.

Tehnični parametri: motor CyberGear ima največji navor samo  3 N·m  , vendar se lahko odzove v  20 milisekundah . Primeren je za lahke scenarije, kot so namizne robotske roke in majhni robotski sklepi. Motor uporablja ohišje iz črnega eloksiranega aluminija za boljše odvajanje toplote, vključuje samorazvit sistem za zaznavanje temperature in zaščitne algoritme ter je standardno opremljen s konektorjem XT30 in zasnovo za hitro sprostitev. Prodaja se v spletni trgovini Xiaomi za samo  499 RMB , zaradi česar je 'varuh cen' za začetne module robotskih sklepov.

Čeprav je njegov največji navor 3N·m veliko nižji kot pri rešitvah z velikim navorom Optimus in Unitree, je ob upoštevanju njegove teže le 317 gramov in njegove 'hitre sprostitve + integrirane' zasnove več kot primeren za potrošniške scenarije (majhni domači roboti, izobraževalni roboti). Sledi strategiji 'dovolj dobro' – malim in srednje velikim proizvajalcem omogoča, da igrajo tudi na področju robotike.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Pursuing 'Ultimate Burst Power'

Serija Zhiyuan Expedition je še posebej agresivna pri motoričnih zmogljivostih. Robot Expedition A2 Max zagotavlja najvišji navor sklepov  450 N·m , kar je trenutno ena najvišjih javno dostopnih vrednosti navora sklepov. Njegov lastnorazvit motor PowerFlow uporablja kvazidirektno pogonsko tehnologijo—nekje med neposrednim pogonom in tradicionalnimi motorji—zagotavlja najvišji navor, ki presega 350N·m, medtem ko tehta samo 1,6kg, vključuje pa tudi sistem za hlajenje s tekočino, ki uravnava občutljivost nadzora sile in stalno nosilnost. Trenutno je Zhiyuan odprl industrijsko bazo v Chengduju in izdelki, kot so Expedition A3, A2 in Lingxi X2, so dosegli množično proizvodnjo.

Za intuitivno primerjavo so ključni parametri zgornjih običajnih modelov povzeti v spodnji tabeli:

Iz zgornje tabele je razvidno, da so robotski momentni motorji brez okvirja postali skoraj standardni v scenarijih težkih obremenitev, kot so kolčni, kolenski in ramenski sklepi, medtem ko se natančnejši motorji z votlo skodelico uporabljajo na koncu rok – edina razlika je v kombinaciji  tipa motorja in parametrov delovanja . Smer je dosledna.

III. 'Preslikava' med motorji in popolnimi roboti

Torej, kateri proizvajalci motorjev na višji stopnji podpirajo te dobro znane izdelke humanoidnih robotov? Ko se množična proizvodnja povečuje, se številni domači in mednarodni dobavitelji močno zavezujejo k popolnim proizvajalcem robotov in zasedajo ključne položaje.

·  Teslina dobavna veriga : Inovance Technology ima vodilni položaj pri integriranih spojih za krmiljenje pogona, Leadshineovi izdelki za nadzor gibanja pa so prav tako vstopili v Teslino dobavno verigo. Poleg tega so momentni motorji brez okvirja Wolong Electric Drive uspešno vstopili v dobavne verige domačih mainstream robotov, kot sta Unitree in Zhiyuan, s čimer se posredno povezujejo s Teslo, s približno 25-odstotnim domačim tržnim deležem.

·  Unitree  je igralec z izjemno visoko stopnjo lokalizacije; njegovi motorji, pogonske plošče in algoritmi za nadzor gibanja so večinoma sami razviti. Z vidika dobavne verige Unitree med drugim dobavljajo harmonični reduktorji Leaderdrive in momentni motorji brez okvirja podjetja Haozhi Electromechanical.

·  Xiaomijev  motor CyberGear se ne zanaša na zunanje dobavitelje motorjev, vendar je razgradnja razkrila, da integrira magnetni kodirnik ams OSRAM in glavni krmilni MCU GigaDevice. Inovance Technology medtem dobavlja tudi Xiaomi.

·  Zhiyuan  ima številne dobavitelje, ki so močno povezani z njim. Wolong Electric Drive ni le vstopil v dobavno verigo družbe Zhiyuan prek dvojne vezave 'industrija + kapital', temveč ima posredno tudi delnice družbe Zhiyuan. Drugi domači voditelji, ki dobavljajo servo sisteme in momentne motorje brez okvirja, so Inovance Technology, STEP Electric in Veichi Electric.

Na splošno  je področje navornega motorja brez okvirja priča pospeševanju lokalizacije . Na vrhunskem trgu mednarodne blagovne znamke, kot sta Kollmorgen in MOOG, še vedno zavzemajo tehnološko visoko mesto, toda v smislu množične proizvodnje, nadzora stroškov in prilagojenih storitev domači akterji, kot so Inovance, Wolong in STEP, hitro naraščajo.

IV. Zahteve za 'mišico' na višji ravni: kodirniki in visokonatančni spoji

Motorji rešujejo problem izhodne moči, vendar je za doseganje dovolj natančnega pozicioniranja sklepov, finih povratnih informacij o sili in gladkega nadzora gibanja potrebna še ena ključna komponenta –  kodirnik.

Kodirnik deluje kot robotov 'živčni sistem', odgovoren za povratne informacije o položaju, hitrosti in kotu v realnem času. Pri humanoidnih robotih je rešitev  z dvojnim kodirnikom  postala običajna: en kodirnik je nameščen na strani motorja, drugi na izhodni strani, kotna razlika med njima pa se primerja za kalibracijo navora in položaja. Pri težko obremenjenih sklepih (kot sta kolk in koleno) kodirnik določa, kako natančno lahko robot nadzoruje hojo in silo; pri finih ročnih operacijah je natančnost kodirnika kritična spremenljivka, merjena v milimetrih.

V. SDM: vzhajajoča zvezda na področju vrtilnih motorjev brez okvirja domačih robotov in magnetnih kodirnikov

V ozadju pospešene lokalizacije podjetje iz Hangzhouja — SDM — postopoma vstopa v jedro industrijske verige humanoidnih robotov s svojo dvokolesno matriko izdelkov 'robotski motorji navora brez okvirja + magnetni kodirniki'.

Različne prednosti SDM pri momentnih motorjih brez okvirja se odražajo predvsem v treh vidikih:

1. Popolnoma lastno razvita sposobnost oblikovanja motorja . Navorni motorji brez okvirja SDM podpirajo odziv pri visoki hitrosti in nadzor navora v zaprti zanki v realnem času, z uporabo materialov iz zlitin letalskega razreda in magnetov izdelkov z visoko magnetno energijo, kar bistveno izboljša gostoto navora in odpornost na udarce. Z namenom zadovoljevanja različnih potreb različnih robotskih sklepov (kolka/kolena/rame) je SDM lansiral več linij izdelkov za motorje z najvišjim navorom, ki pokriva od 50 Nm do več kot 200 Nm, in se prilagodljivo prilagaja aplikacijam, ki segajo od lahkih komercialnih storitev do industrijskih težkih obremenitev.

2. Osnovna tehnologija v magnetnih kodirnikih . SDM-jevi samorazviti večobratni absolutni magnetni dajalniki in enoobratni magnetni dajalniki se ujemajo z mednarodnimi glavnimi rešitvami glede natančnosti, stabilnosti in zmogljivosti proti motnjam. Z uporabo visoko natančnih magnetorezivnih senzorjev in tehnologije večpolnega magnetnega obroča SDM-jevi magnetni dajalniki dosegajo pozicijsko ločljivost, ki je boljša od 18 bitov, hkrati pa znatno optimizirajo protivibracijske lastnosti in karakteristike pri visoki/nizki temperaturi. Ta integrirana zmogljivost 'motor + kodirnik' omogoča popolnim proizvajalcem robotov, da dosežejo  izbiro rešitve skupnega pogona na enem mestu , kar močno izboljša razvojno učinkovitost in integracijo sistema.

3. Zakoreninjen v industrijskem grozdu 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM se nahaja v Hangzhouju in regiji delte reke Jangce, ki gosti najgostejšo koncentracijo virov robotskih komponent na Kitajskem, ki zajema reduktorje, ležaje, senzorje in druge ključne dele. Zaradi nenehne promocije razvojnih politik industrije humanoidnih robotov province Zhejiang se SDM postopoma širi od enokomponentne dobave do celovitih rešitev skupnih modulov.

Medtem ko se humanoidni roboti premikajo iz laboratorijske faze v  'dobo množične proizvodnje' , se konkurenca med dobavitelji motorjev in kodirnikov na predhodnem nivoju nadgrajuje iz 'stroškovne učinkovitosti' v dvotirno bitko 'zmogljivost + zanesljivost'. SDM, ki izkorišča prednosti svoje lokalne industrijske verige Hangzhou in svoje zmogljivosti motorjev in magnetnih kodirnikov, ki jih je sam razvil, postaja nepogrešljiva sila v 'virah energije' doma proizvedenih humanoidnih robotov.