Како мотори обртног момента без оквира напајају хуманоидне роботе

Можда сте већ видели кратке видео снимке хуманоидних робота — како се окрећу уназад у лабораторијама, носе делове у фабрикама аутомобила или чак воде природне разговоре са људима. Иза ових наизглед „људских“ акција крије се основни покретач: систем зглобова. Ако су алгоритми мозак робота, а сензори његова чула, онда Роботски мотор обртног момента без оквира  је његов мишић — одређује колико брзо може да трчи, колико тежине може да подигне и колико стабилно може да хода. Данас ћемо кренути од неколико главних хуманоидних роботских производа да бисмо сецирали у чему се ова „мишићна“ технологија истиче и како подржава индустријску трансформацију.

И. Зашто су хуманоидни роботи неодвојиви од мотора обртног момента без оквира?

Хајде да упознамо нашег протагониста. Мотор обртног момента без оквира је јединствено постојање — нема кућиште, нема осовину, нема лежајеве. Уклањањем свих 'упакованих' периферних компоненти, задржава  само језгро статора и ротора , који су директно уграђени у зглобну структуру робота. Предности су једноставне:  мања запремина, већи обртни момент . Код хуманоидног робота, зглобови са великим обртним моментом као што су кук, колено и рамена захтевају изузетно високу густину снаге и компактност; традиционални мотори често заузимају превише простора, док се мотор обртног момента без оквира може интегрисати унутар зглоба како би се постигао дизајн „мотор-зглоб一体化“, чинећи укупну структуру компактнијом и ефикаснијом.

Његов значај потврђују и подаци. Узмимо Тесла Оптимус као пример:  сваки од његових 28 актуатора користи мотор обртног момента без оквира , наглашавајући кључну улогу овог производа у заједничком покретању.

ИИ. Главна анализа конфигурације производа: различити зглобови, различити „мишићи“

Ако упоредимо моторе са мишићима, захтеви за различите делове тела се веома разликују — великим зглобовима као што су рамена и кукови потребна је експлозивна снага, ручни зглобови и спретне руке захтевају прецизну контролу, а колена морају да подносе оптерећење док одржавају стабилност. Произвођачи су, на основу позиционирања производа и разматрања трошкова, усвојили различита решења за комбинацију мотора.

Тесла Оптимус: „Фулл-Стацк конфигурација“ техничког бенцхмарк-а

Тесла Оптимус тренутно има најкомплетније и технички најтранспарентније решење актуатора у индустрији. Његови зглобови су подељени у три категорије:

·  Ротациони актуатори (14 јединица) : Углавном се користе у ротационим зглобовима под великим углом као што су рамена, кукови, ручни зглобови и струк. Решење је „мотор обртног момента без оквира + хармонијски редуктор + сензор обртног момента + двоструки енкодери“, који нуди три спецификације обртног момента:  20Нм, 110Нм, 180Нм.

·  Линеарни актуатори (14 јединица) : Дистрибуирани у зглобовима са ограниченим углом замаха, али захтевају велики потисак (нпр. лактови, колена, глежњеви). Решење је „мотор обртног момента без оквира + планетарни ваљак“, са спецификацијама потиска од  500Н, 3900Н и 8000Н.

·  Спретни ручни актуатори (12 јединица / обе руке) : Користи комбинацију мотора са шупљом чашом + минијатурни вишестепени планетарни мењач + пужни преносник. Свака рука има 11 степени слободе и може подићи терет од 9 кг.

Све у свему, Оптимус користи актуатор са великим обртним моментом од 180 Нм за тешке зглобове као што су кук и раме, и решења средњег/ниског обртног момента за делове са умереним оптерећењем као што су лакат и зглоб, формирајући разуман „мишићни градијент“. Из перспективе трошкова,  мотор обртног момента без оквира чини око 14,8% укупне цене робота , што га чини другом најкритичнијом компонентом након планетарног ваљкастог вијка.

Унитрее Х1/Г1: „Саморазвијена фракција“ високе цене и учинка

Унитрее-ов приступ се значајно разликује од Теслиног — они преферирају  архитектуру квази-директног погона који користе моторе велике густине обртног момента + планетарни зупчаници ниског омјера , што осигурава излазну снагу уз смањење трошкова.

Х1  је позициониран као индустријски велики хуманоидни робот, опремљен саморазвијеним мотором М107 који може да испоручи вршни обртни момент од  360 Н·м  (зглоб кука  220 Н·м , скочни зглоб  45 Н·м ), са густином снаге 1,5 пута већом од конкуренције. Расподела зглобова: 14 зглобова доњих екстремитета (момент у распону 45–220 Н·м), 14 зглобова горњих екстремитета (момент ~75 Н·м) и 2 зглоба трупа.

Г1  циља на сценарије кућног потрошача: висок 1,32 м, тежак 35 кг. Стандардна верзија има 23 ДОФ, док ЕДУ верзија нуди 23–43 ДОФ. Његов зглоб потколенице користи „мотор + двостепени планетарни редуктор + енкодер + драјвер“ четири у једном интегрисани модул, са максималним обртним моментом зглоба колена од  90 Н·м  и максималним оптерећењем руке од 2 кг. Значајно је да је Унитрее постигао стопу локализације од преко 90%, са моторима, редукторима, контролерима, енкодерима и другим основним компонентама које су сви сами развили, што је омогућило да основна верзија Г1 буде по цени од 85.000 РМБ.

Ксиаоми ЦиберГеар: минијатуризовани интегрисани „актуар“

Ксиаоми-јев ЦиберГеар иде потпуно другачијим путем—пакује серво мотор, хармонијски редуктор, двоструке енкодере и драјвер у мало тело тешко само  317 грама , постижући „малу величину, велику интеграцију“.

Технички параметри: ЦиберГеар мотор има максимални обртни момент од само  3Н·м  , али може да реагује и до  20 милисекунди . Погодан је за лагане сценарије као што су десктоп роботске руке и мали роботски зглобови. Мотор користи кућиште од црног анодизираног алуминијума за боље одвођење топлоте, укључује саморазвијени систем детекције температуре и алгоритме заштите, а стандардно долази са КСТ30 конектором и дизајном за брзо отпуштање. Продаје се у Ксиаоми-јевој онлине продавници за само  499 РМБ , што га чини „чуваром цена“ за модуле зглобова робота почетног нивоа.

Иако је његов максимални обртни момент од 3Н·м далеко нижи од оног код Оптимус-ових и Унитрее-ових решења за велики обртни момент, с обзиром на његову тежину од само 317 грама и дизајн „брзо отпуштајући + интегрисани“, он је више него адекватан за потрошачке сценарије (кућни мали роботи, образовни роботи). Следи „довољно добру“ стратегију – омогућавајући малим и средњим произвођачима да се такође играју у простору роботике.

Зхииуан Роботицс Екпедитион Сериес: У потрази за „Ултимате Бурст Повер“

Серија Зхииуан Екпедитион је посебно агресивна у моторним перформансама. Робот Екпедитион А2 Мак испоручује максимални обртни момент зглоба од  450 Н·м , тренутно један од највећих јавно доступних обртних момента зглоба. Његов саморазвијени ПоверФлов мотор усваја квази-директну технологију погона—негде између директног погона и традиционалних мотора—испоручујући вршни обртни момент већи од 350Н·м док је тежак само 1,6 кг, а такође укључује систем за хлађење течности, осетљивост контроле силе балансирања и континуирани капацитет оптерећења. Тренутно, Зхииуан је покренуо индустријску базу у Ченгдуу, а производи као што су Екпедитион А3, А2 и Лингки Кс2 су постигли масовну производњу.

За интуитивно поређење, кључни параметри горенаведених маинстреам модела су сажети у табели испод:

Из горње табеле је јасно да су роботски мотори обртног момента без оквира постали скоро стандардни у сценаријима великог оптерећења као што су зглобови кука, колена и рамена, док се прецизнији мотори са шупљим чашама користе на крајевима шака — једине разлике леже у комбинацији  типа мотора и параметара перформанси . Правац је доследан.

ИИИ. „Мапирање“ између мотора и комплетних робота

Дакле, који произвођачи мотора узводно подржавају ове добро познате производе хуманоидних робота? Како се масовна производња повећава, велики број домаћих и међународних добављача се дубоко обавезује за комплетне произвођаче робота, заузимајући кључне позиције.

·  Теслин ланац снабдевања : Инованце Тецхнологи држи водећу позицију у интегрисаним зглобовима за управљање погоном, а Леадсхине производи за контролу покрета су такође ушли у Теслин ланац снабдевања. Поред тога, Волонг Елецтриц Дриве мотори без оквира са обртним моментом успешно су ушли у ланце снабдевања домаћих мејнстрим робота као што су Унитрее и Зхииуан, индиректно се везујући за Теслу, са уделом на домаћем тржишту од око 25%.

·  Унитрее  је играч са изузетно високом стопом локализације; његови мотори, погонске плоче и алгоритми контроле кретања су углавном сами развијени. Из перспективе ланца снабдевања, Леадердриве-ови хармонијски редуктори и Хаозхи Елецтромецханицал мотори обртног момента без оквира, између осталог, снабдевају Унитрее.

·  Ксиаоми-јев ЦиберГеар  мотор се не ослања на спољне добављаче мотора, али кварови откривају да интегрише магнетни енкодер амс ОСРАМ и главни контролни МЦУ ГигаДевице. У међувремену, Инованце Тецхнологи такође снабдева Ксиаоми.

·  Зхииуан  има велики број добављача који су дубоко везани за њега. Волонг Елецтриц Дриве не само да је ушао у Џијуанов ланац снабдевања кроз двоструко везивање „индустрија + капитал“, већ и индиректно држи акције у Џијуану. Други домаћи лидери који снабдевају серво системе и моторе обртног момента без оквира укључују Инованце Тецхнологи, СТЕП Елецтриц и Веицхи Елецтриц.

Све у свему,  поље мотора обртног момента без оквира сведочи убрзању локализације . На врхунском тржишту, међународни брендови као што су Коллморген и МООГ и даље заузимају високо технолошко место, али у смислу масовне производње, контроле трошкова и прилагођених услуга, домаћи играчи као што су Инованце, Волонг и СТЕП брзо расту.

ИВ. Захтеви за „мишиће“ вишег нивоа: енкодери и високо прецизни зглобови

Мотори решавају проблем излазне снаге, али да би се постигло довољно прецизно позиционирање зглоба, фина повратна информација о сили и глатка контрола кретања, потребна је још једна кључна компонента —  енкодер.

Кодер делује као роботов „нервни систем“, одговоран за повратну информацију о позицији, брзини и углу у реалном времену. Код хуманоидних робота, решење  са двоструким енкодером  је постало мејнстрим: један енкодер је инсталиран на страни мотора, други на излазној страни, а угаона разлика између њих се упоређује са калибрацијом обртног момента и положаја. У зглобовима са великим оптерећењем (као што су кук и колено), енкодер одређује колико прецизно робот може да контролише ход и силу; у финим ручним операцијама, тачност енкодера је критична варијабла мерена у милиметрима.

В. СДМ: звезда у настајању у домаћим роботским моторима обртног момента без оквира и магнетним енкодерима

У позадини убрзане локализације, компанија из Хангџоуа— СДМ —постепено улази у срж ланца индустрије хуманоидних робота са својом матрицом производа на два точка „мотори обртног момента без оквира + магнетни енкодери“.

СДМ-ове диференциране предности у моторима обртног момента без оквира се углавном огледају у три аспекта:

1. Потпуно саморазвијена способност дизајна мотора . СДМ-ови мотори обртног момента без оквира подржавају одзив велике брзине и контролу обртног момента у затвореном кругу у реалном времену, користећи материјале од легуре ваздухопловства и магнете за производе високе магнетне енергије, значајно побољшавајући густину обртног момента и отпорност на удар. Циљајући различите потребе различитих роботских зглобова (кук/колено/рамена), СДМ је лансирао више линија производа мотора са максималним обртним моментом који покрива 50 Нм до преко 200 Нм, флексибилно се прилагођавајући апликацијама у распону од лаких комерцијалних услуга до индустријских великих оптерећења.

2. Основна технологија у магнетним енкодерима . СДМ-ови сами развијени апсолутни магнетни енкодери са више обртаја и магнетни енкодери са једним обртајем одговарају међународним мејнстрим решењима у прецизности, стабилности и способности против сметњи. Користећи високо прецизне магнетоотпорне сензоре и технологију вишеполног магнетног прстена, СДМ-ови магнетни енкодери постижу резолуцију положаја бољу од 18 бита, док значајно оптимизују карактеристике против вибрација и високе/ниске температуре. Ова интегрисана способност „мотор + енкодер“ омогућава комплетним произвођачима робота да постигну  избор решења за заједнички погон на једном месту , значајно побољшавајући ефикасност развоја и интеграцију система.

3. Укорењен у индустријском кластеру „Хангџоу шест малих змајева“ . СДМ се налази у Хангџоуу и региону делте реке Јангце, где се налази највећа кинеска концентрација ресурса роботских компоненти, укључујући редукторе, лежајеве, сензоре и друге кључне делове. Користећи сталну промоцију политике развоја индустрије хуманоидних робота провинције Зхејианг, СДМ се постепено проширује од једнокомпонентног снабдевања до комплетних заједничких модулских решења.

Како хуманоидни роботи прелазе из лабораторијске фазе у  „еру масовне производње“ , конкуренција међу добављачима мотора и енкодера напредује са „исплативости“ на двоструку битку „перформансе + поузданост“. СДМ, користећи предности свог локалног индустријског ланца Хангзхоуа и своје способности мотора и магнетног енкодера који су сами развили, постаје незаобилазна сила у 'извору енергије' хуманоидних робота домаће производње.