Hur robot ramlösa vridmomentmotorer driver humanoida robotar

Du kanske redan har sett korta videor av humanoida robotar – gör backflips i labb, bär delar i bilfabriker eller till och med har naturliga konversationer med människor. Bakom dessa till synes 'mänskliga' handlingar ligger en kärna som möjliggör: det gemensamma systemet. Om algoritmer är robotens hjärna och sensorer är dess sinnen, då Robot Ramlös vridmomentmotor  är dess muskel – som avgör hur snabbt den kan springa, hur tung den kan lyfta och hur stabil den kan gå. Idag kommer vi att utgå från flera vanliga humanoida robotprodukter för att dissekera var denna 'muskel'-teknik utmärker sig och hur den stödjer en industriell transformation.

I. Varför är humanoida robotar oskiljaktiga från robotens ramlösa vridmomentmotorer?

Låt oss lära känna vår huvudperson. En ramlös vridmomentmotor är en unik existens – den har inget hus, ingen axel, inga lager. Genom att ta bort alla 'förpackade' perifera komponenter, behåller den  endast statorn och rotorkärnan , som är direkt inbäddade i robotens ledstruktur. Fördelarna är enkla:  mindre volym, högre vridmoment . I en humanoid robot kräver leder med stort vridmoment såsom höft, knä och axel extremt hög effekttäthet och kompakthet; traditionella motorer tar ofta upp för mycket utrymme, medan en ramlös vridmomentmotor kan integreras inuti leden för att uppnå en 'motor-joint一体化'-design, vilket gör den övergripande strukturen mer kompakt och effektiv.

Data bekräftar också dess betydelse. Ta Tesla Optimus som ett exempel:  vart och ett av dess 28 ställdon använder en ramlös vridmomentmotor , vilket framhäver den här produktens centrala roll i samverkan.

II. Mainstream produktkonfigurationsanalys: olika leder, olika 'muskler'

Om vi ​​jämför motorer med muskler varierar kraven på olika kroppsdelar mycket – stora leder som axlar och höfter behöver explosiv kraft, handleder och fingerfärdiga händer behöver exakt kontroll och knäna måste bära belastning samtidigt som stabiliteten bibehålls. Tillverkare har, baserat på produktpositionering och kostnadsöverväganden, antagit olika motorkombinationslösningar.

Tesla Optimus: 'Full-Stack Configuration' av ett tekniskt benchmark

Tesla Optimus har för närvarande den mest kompletta och tekniskt transparenta ställdonlösningen i branschen. Dess leder är indelade i tre kategorier:

·  Roterande ställdon (14 enheter) : Används huvudsakligen i stora rotationsleder som axlar, höfter, handleder och midja. Lösningen är 'ramlös vridmomentmotor + harmonisk reducering + vridmomentsensor + dubbla omkodare', som erbjuder tre vridmomentspecifikationer:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Linjära ställdon (14 enheter) : Fördelade i leder med begränsad svängvinkel men som kräver hög dragkraft (t.ex. armbågar, knän, vrister). Lösningen är 'ramlös momentmotor + planetrullskruv', med dragkraftsspecifikationer på  500N, 3900N och 8000N.

·  Skickliga handställdon (12 enheter / båda händerna) : Använder en kombination av ihålig koppmotor + flerstegs planetväxellåda i miniatyr + snäckväxel. Varje hand har 11 frihetsgrader och kan lyfta en last på 9 kg.

Sammantaget använder Optimus ställdonet med högt vridmoment på 180 Nm för tunga leder som höft och axel, och lösningar med medel/lågt vridmoment för måttligt belastade delar som armbåge och handled, vilket bildar en rimlig 'muskelgradient'. Ur ett kostnadsperspektiv  står den ramlösa vridmomentmotorn för cirka 14,8 % av den totala robotkostnaden , vilket gör den till den näst mest kritiska komponenten efter planetrullskruven.

Unitree H1/G1: Hög kostnadsprestanda 'Självutvecklad fraktion'

Unitrees tillvägagångssätt skiljer sig avsevärt från Teslas – de föredrar en  kvasi-direktdrivningsarkitektur som använder motorer med hög vridmomentdensitet + planetväxlar med lågt förhållande , vilket säkerställer uteffekt samtidigt som kostnaden minskar.

H1  är positionerad som en stor humanoid robot av industriell kvalitet, utrustad med en egenutvecklad M107-motor som kan leverera ett toppvridmoment på  360N·m  (höftled  220N·m , ankelled  45N·m ), med en påstådd effekttäthet som är 1,5 gånger större än konkurrenternas. Ledfördelning: 14 leder i underben (vridmoment mellan 45–220 N·m), 14 leder i övre extremiteter (vridmoment ~75 N·m) och 2 bålleder.

G1  riktar sig mot hemkonsumentscenarier: 1,32 m lång, väger 35 kg. Standardversionen har 23 DOF, medan EDU-versionen erbjuder 23–43 DOF. Dess underbensled använder en 'motor + tvåstegs planetreducerare + kodare + drivrutin' fyra-i-ett integrerad modul, med ett maximalt knäledsvridmoment på  90N·m  och en maximal armbelastning på 2 kg. Anmärkningsvärt är att Unitree har uppnått en lokaliseringsgrad på över 90 %, med motorer, reducerare, styrenheter, kodare och andra kärnkomponenter som alla är egenutvecklade, vilket gör att basversionen av G1 kan prissättas så lågt som RMB 85 000.

Xiaomi CyberGear: Den miniatyriserade integrerade 'aktuarien'

Xiaomis CyberGear tar en helt annan väg - den packar en servomotor, harmonisk reducering, dubbla kodare och en drivrutin i en liten kropp som bara väger  317 gram , vilket uppnår 'liten storlek, stor integration'.

Tekniska parametrar: CyberGear-motorn har ett maximalt vridmoment på endast  3N·m  men kan svara så snabbt som  20 millisekunder . Den är lämplig för lättviktsscenarier som skrivbordsrobotarmar och små robotleder. Motorn använder ett svart anodiserat aluminiumhölje för bättre värmeavledning, innehåller ett egenutvecklat temperaturdetekteringssystem och skyddsalgoritmer, och levereras som standard med en XT30-kontakt och snabbkopplingsdesign. Den säljs i Xiaomis onlinebutik för endast  499 RMB , vilket gör den till 'prisportvakt' för robotledmoduler på ingångsnivå.

Även om dess maximala vridmoment på 3N·m är mycket lägre än det för Optimus och Unitrees lösningar med stort vridmoment, med tanke på dess vikt på endast 317 gram och dess 'snabbfrigörande + integrerade' design, är den mer än tillräcklig för konsumentscenarier (små robotar för hemmet, utbildningsrobotar). Den följer en 'tillräckligt bra'-strategi – vilket gör det möjligt för små och medelstora tillverkare att också spela i robotbranschen.

Zhiyuan Robotics Expedition Series: Förföljer 'Ultimate Burst Power'

Zhiyuan Expedition-serien är särskilt aggressiv i motorprestanda. Expedition A2 Max-roboten levererar ett maximalt ledvridmoment på  450N·m , för närvarande ett av de högsta allmänt tillgängliga ledvridmomentet. Dess egenutvecklade PowerFlow-motor använder en kvasi-direktdrivningsteknologi – någonstans mellan direktdrift och traditionella motorer – och levererar ett toppvridmoment som överstiger 350N·m medan den bara väger 1,6 kg, och den innehåller också ett vätskekylningssystem, som balanserar kraftkontrollkänslighet och kontinuerlig belastningskapacitet. För närvarande har Zhiyuan lanserat en industriell bas i Chengdu, och produkter som Expedition A3, A2 och Lingxi X2 har uppnått massproduktion.

För intuitiv jämförelse sammanfattas nyckelparametrarna för ovanstående vanliga modeller i tabellen nedan:

Från tabellen ovan är det tydligt att ramlösa vridmomentmotorer för robotar har blivit nästan standard i scenarier med tung belastning som höft-, knä- och axelleder, medan mer exakta motorer med ihåliga koppar används i slutet av händerna - de enda skillnaderna ligger i kombinationen  av motortyp och prestandaparametrar . Riktningen är konsekvent.

III. 'Mappningen' mellan motorer och kompletta robotar

Så vilka uppströmsmotortillverkare stöder dessa välkända humanoida robotprodukter? När massproduktionen ökar, binder ett antal inhemska och internationella leverantörer sig djupt till kompletta robottillverkare, och har nyckelpositioner.

·  Teslas försörjningskedja : Inovance Technology har en ledande position inom drivstyrningsintegrerade leder, och Leadshines produkter för rörelsekontroll har också kommit in i Teslas försörjningskedja. Dessutom har Wolong Electric Drives ramlösa vridmomentmotorer framgångsrikt kommit in i leveranskedjorna för inhemska vanliga robotar som Unitree och Zhiyuan, indirekt kopplat till Tesla, med en inhemsk marknadsandel på cirka 25 %.

·  Unitree  är en spelare med extremt hög lokaliseringshastighet; dess motorer, drivkort och algoritmer för rörelsekontroll är till stor del egenutvecklade. Ur ett supply chain-perspektiv levererar bland annat Leaderdrives harmoniska reducerare och Haozhi Electromechanicals ramlösa vridmomentmotorer Unitree.

·  Xiaomis CyberGear  -motor förlitar sig inte på externa motorleverantörer, men rivningar avslöjar att den integrerar ams OSRAMs magnetiska kodare och GigaDevices huvudkontroll-MCU. Samtidigt levererar Inovance Technology också Xiaomi.

·  Zhiyuan  har ett antal leverantörer djupt knutna till det. Wolong Electric Drive har inte bara kommit in i Zhiyuans försörjningskedja genom en dubbelbindning med 'industri + kapital' utan innehar också indirekt aktier i Zhiyuan. Andra inhemska ledare som levererar servosystem och ramlösa vridmomentmotorer inkluderar Inovance Technology, STEP Electric och Veichi Electric.

Sammantaget  bevittnar det ramlösa vridmomentmotorfältet en acceleration av lokalisering . På high-end-marknaden upptar internationella varumärken som Kollmorgen och MOOG fortfarande den tekniska höjden, men när det gäller massproduktion, kostnadskontroll och anpassade tjänster ökar inhemska aktörer som Inovance, Wolong och STEP snabbt.

IV. Högre nivå 'Muskel'-krav: Kodare och högprecisionsleder

Motorer löser problemet med uteffekt, men för att uppnå tillräckligt exakt ledpositionering, fin kraftåterkoppling och mjuk rörelsekontroll krävs en annan nyckelkomponent -  kodaren.

Kodaren fungerar som robotens 'nervsystem' som ansvarar för realtidsåterkoppling av information om position, hastighet och vinkel. I humanoidrobotar har lösningen  med dubbla encoder  blivit mainstream: en kodare är installerad på motorsidan, den andra på utgångssidan, och vinkelskillnaden mellan dem jämförs med kalibrering av vridmoment och position. I tunga leder (som höft och knä) bestämmer kodaren hur exakt roboten kan kontrollera gång och kraft; vid finhandsoperationer är kodarnoggrannheten en kritisk variabel mätt i millimeter.

V. SDM: En framväxande stjärna inom ramlösa vridmomentmotorer och magnetkodare för inhemska robotar

Mot bakgrund av den accelererande lokaliseringen kliver ett företag från Hangzhou – SDM – gradvis in i kärnan av den humanoida robotindustrins kedja med sin produktmatris med två hjul av 'ramlösa robotmotorer för robotar + magnetiska kodare'.

SDM:s differentierade fördelar med ramlösa vridmomentmotorer återspeglas huvudsakligen i tre aspekter:

1. Fullständigt egenutvecklad motordesignkapacitet . SDM:s ramlösa vridmomentmotorer stöder höghastighetssvar och vridmomentstyrning i realtid med sluten slinga, med hjälp av legeringsmaterial av flygkvalitet och produktmagneter med hög magnetisk energi, vilket avsevärt förbättrar vridmomentdensiteten och slaghållfastheten. Med inriktning på de olika behoven hos olika robotleder (höft/knä/axel), har SDM lanserat flera produktlinjer för motorer med ett toppvridmoment som täcker 50Nm till över 200Nm, flexibelt anpassat till applikationer som sträcker sig från lätt kommersiell service till industriell tung belastning.

2. Kärnteknik i magnetiska kodare . SDM:s egenutvecklade multi-turn absoluta magnetiska kodare och single-turn magnetiska kodare matchar internationella vanliga lösningar i noggrannhet, stabilitet och anti-interferensförmåga. Med hjälp av magnetoresistiva sensorer med hög precision och flerpolig magnetisk ringteknologi uppnår SDM:s magnetiska kodare positionsupplösning bättre än 18 bitar, samtidigt som de avsevärt optimerar antivibrations- och hög/låg temperaturegenskaper. Denna 'motor + kodare' integrerade kapacitet gör det möjligt för kompletta robottillverkare att uppnå  ett enda val av gemensamma drivsystem , vilket avsevärt förbättrar utvecklingseffektiviteten och systemintegrationen.

3. Rotad i det industriella klustret 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM ligger i Hangzhou och Yangtze River Delta-regionen, som är värd för Kinas tätaste koncentration av robotkomponentresurser, som täcker reducerare, lager, sensorer och andra nyckeldelar. Genom att dra nytta av det kontinuerliga främjandet av Zhejiang-provinsens utvecklingspolicy för humanoida robotar, expanderar SDM gradvis från enkomponentsförsörjning till kompletta gemensamma modullösningar.

När humanoida robotar går från laboratoriestadiet till  'massproduktionseran' uppgraderas konkurrensen mellan uppströmsmotor- och kodarleverantörer från 'kostnadseffektivitet' till en dubbelspårig kamp om 'prestanda + tillförlitlighet'. SDM, som utnyttjar fördelarna med sin lokala industrikedja i Hangzhou och dess egenutvecklade motor- och magnetkodningsförmåga, håller på att bli en oumbärlig kraft i 'kraftkällan' för inhemskt producerade humanoida robotar.