Robot Çerçevesiz Tork Motorları İnsansı Robotlara Nasıl Güç Sağlıyor?

Laboratuvarlarda ters takla atan, araba fabrikalarında parça taşıyan ve hatta insanlarla doğal konuşmalar yapan insansı robotların kısa videolarını zaten görmüş olabilirsiniz. Görünüşte 'insan benzeri' olan bu eylemlerin arkasında temel bir kolaylaştırıcı yatıyor: ortak sistem. Eğer algoritmalar robotun beyniyse ve sensörler onun duyularıysa, o zaman Robot Çerçevesiz Tork Motoru  onun kasıdır; ne kadar hızlı koşabileceğini, ne kadar ağır kaldırabileceğini ve ne kadar stabil yürüyebileceğini belirler. Bugün, bu 'kas' teknolojisinin nerede üstün olduğunu ve endüstriyel dönüşümü nasıl desteklediğini incelemek için çeşitli ana akım insansı robot ürünlerinden başlayacağız.

I. İnsansı Robotlar Neden Robot Çerçevesiz Tork Motorlarından Ayrılamaz?

Kahramanımızı tanıyalım. Çerçevesiz tork motoru benzersiz bir varlıktır; muhafazası, şaftı ve yatakları yoktur. Tüm 'paketlenmiş' çevresel bileşenleri çıkararak, yalnızca  stator ve rotor çekirdeğini korur. robotun eklem yapısına doğrudan gömülü olan Faydaları basittir:  daha küçük hacim, daha yüksek tork . İnsansı bir robotta kalça, diz ve omuz gibi büyük torklu eklemler son derece yüksek güç yoğunluğu ve kompaktlık gerektirir; Geleneksel motorlar genellikle çok fazla yer kaplarken, genel yapıyı daha kompakt ve verimli hale getiren bir 'motor-bağlantı noktası' tasarımı elde etmek için bağlantının içine çerçevesiz bir tork motoru entegre edilebilir.

Veriler de bunun önemini doğruluyor. Örnek olarak Tesla Optimus'u ele alalım:  28 aktüatörünün her biri çerçevesiz bir tork motoru kullanıyor ve bu da bu ürünün ortak çalıştırmadaki temel rolünü vurguluyor.

II. Ana Akım Ürün Konfigürasyon Analizi: Farklı Eklemler, Farklı 'Kaslar'

Motorları kaslarla karşılaştırırsak, farklı vücut parçalarına yönelik gereksinimler büyük ölçüde farklılık gösterir; omuzlar ve kalçalar gibi büyük eklemler patlayıcı güce ihtiyaç duyar, bilekler ve hünerli eller hassas kontrole ihtiyaç duyar ve dizlerin stabiliteyi korurken yük taşıması gerekir. Üreticiler, ürün konumlandırma ve maliyet hususlarını temel alarak farklı motor kombinasyonu çözümlerini benimsemişlerdir.

Tesla Optimus: Bir Teknik Karşılaştırmanın 'Tam Yığın Yapılandırması'

Tesla Optimus şu anda sektördeki en eksiksiz ve teknik açıdan şeffaf aktüatör çözümüne sahiptir. Eklemleri üç kategoriye ayrılır:

·  Döner aktüatörler (14 adet) : Esas olarak omuzlar, kalçalar, bilekler ve bel gibi geniş açılı rotasyonel eklemlerde kullanılır. Çözüm 'çerçevesiz tork motoru + harmonik redüktör + tork sensörü + çift kodlayıcılar' olup üç tork özelliği sunar:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Doğrusal aktüatörler (14 adet) : Sınırlı salınım açısına sahip ancak yüksek itme kuvveti gerektiren (örneğin dirsekler, dizler, ayak bilekleri) eklemlere dağıtılır. Çözüm,  500N, 3900N ve 8000N itme özelliklerine sahip 'çerçevesiz tork motoru + planeter makaralı vida'dır..

·  Becerikli el aktüatörleri (12 ünite / her iki el) : İçi boş çanak motor + minyatür çok kademeli planet dişli kutusu + sonsuz dişli kombinasyonunu kullanır. Her elin 11 serbestlik derecesi vardır ve 9 kg'lık bir yükü kaldırabilir.

Genel olarak Optimus, kalça ve omuz gibi ağır yüklü eklemler için 180 Nm yüksek torklu aktüatörü ve dirsek ve bilek gibi orta yüklü parçalar için orta/düşük torklu çözümleri kullanarak makul bir 'kas eğimi' oluşturur. Maliyet açısından bakıldığında  çerçevesiz tork motoru, toplam robot maliyetinin yaklaşık %14,8'ini oluşturur ve bu da onu planeter makaralı vidadan sonra ikinci en kritik bileşen haline getirir.

Unitree H1/G1: Yüksek Maliyet Performanslı 'Kendi Kendini Geliştiren Grup'

Unitree'nin yaklaşımı Tesla'nınkinden önemli ölçüde farklıdır;  yüksek tork yoğunluklu motorlar + düşük oranlı planet dişliler kullanan yarı doğrudan tahrik mimarisini tercih ederler , bu da maliyeti düşürürken güç çıkışı sağlar.

H1,  tepe torku sağlayabilen, kendi geliştirdiği M107 motorla donatılmış, endüstriyel sınıf büyük insansı bir robot olarak konumlandırılmıştır .  360 N·m  (kalça eklemi  220 N·m , ayak bileği eklemi  45 N·m ) rakiplerinden 1,5 kat daha fazla güç yoğunluğuna sahip, Eklem dağılımı: 14 alt uzuv eklemi (tork 45–220 N·m aralığında), 14 üst uzuv eklemi (tork ~75 N·m) ve 2 gövde eklemi.

G1,  ev tüketicisi senaryolarını hedefliyor: 1,32 m boyunda, 35 kg ağırlığında. Standart versiyonda 23 DOF bulunurken EDU versiyonunda 23–43 DOF sunulmaktadır. Alt bacak eklemi, maksimum sahip 'motor + iki aşamalı planeter redüktör + kodlayıcı + sürücü' dördü bir arada entegre modül kullanır.  90 N·m diz eklemi torkuna  ve maksimum 2 kg kol yüküne Unitree, tamamı kendi geliştirdiği motorlar, redüktörler, kontrolörler, kodlayıcılar ve diğer temel bileşenlerle %90'ın üzerinde bir yerelleştirme oranına ulaşarak G1'in temel versiyonunun 85.000 RMB kadar düşük bir fiyatla satılmasına olanak sağladı.

Xiaomi CyberGear: Minyatürleştirilmiş Entegre 'Aktüer'

Xiaomi'nin CyberGear'ı tamamen farklı bir yol izliyor; bir servo motoru, harmonik redüktörü, ikili kodlayıcıları ve sürücüyü yalnızca  317 gram ağırlığındaki küçük bir gövdeye sığdırarak 'küçük boyut, büyük entegrasyon' elde ediyor.

Teknik parametreler: CyberGear motorun maksimum torku yalnızca  3N·m'dir ancak  kadar hızlı tepki verebilir  20 milisaniye . Masaüstü robot kolları ve küçük robot eklemleri gibi hafif senaryolar için uygundur. Motor, daha iyi ısı dağıtımı için siyah eloksallı alüminyum muhafaza kullanır, kendi geliştirdiği sıcaklık algılama sistemi ve koruma algoritmalarını içerir ve standart olarak bir XT30 konektörü ve hızlı çıkarılabilen tasarımla birlikte gelir. Xiaomi'nin çevrimiçi mağazasında yalnızca karşılığında satılıyor  499 RMB ve bu da onu giriş seviyesi robot bağlantı modülleri için 'fiyat bekçisi' yapıyor.

3N·m maksimum torku, Optimus ve Unitree'nin büyük torklu çözümlerinden çok daha düşük olmasına rağmen, yalnızca 317 gramlık ağırlığı ve 'hızlı serbest bırakma + entegre' tasarımı göz önüne alındığında, tüketici senaryoları (evdeki küçük robotlar, eğitim robotları) için fazlasıyla yeterlidir. Küçük ve orta ölçekli üreticilerin de robotik alanında oynamasına olanak tanıyan 'yeterince iyi' stratejisini izliyor.

Zhiyuan Robotik Keşif Serisi: 'Nihai Patlama Gücünün' Peşinde

Zhiyuan Expedition serisi özellikle motor performansı açısından agresiftir. Expedition A2 Max robotu,  450 N·m'lik bir tepe eklem torku sağlıyor. şu anda halka açık en yüksek eklem torku rakamlarından biri olan Kendi geliştirdiği PowerFlow motoru, doğrudan tahrik ile geleneksel motorlar arasında bir yerde, yarı doğrudan tahrik teknolojisi rotasını benimser ve yalnızca 1,6 kg ağırlığındayken 350 N·m'yi aşan bir tepe tork sağlar ve ayrıca kuvvet kontrol hassasiyetini ve sürekli yük kapasitesini dengeleyen bir sıvı soğutma sistemi içerir. Şu anda Zhiyuan, Chengdu'da bir endüstriyel üs kurdu ve Expedition A3, A2 ve Lingxi X2 gibi ürünler seri üretime geçti.

Sezgisel karşılaştırma için yukarıdaki ana modellerin temel parametreleri aşağıdaki tabloda özetlenmiştir:

Yukarıdaki tablodan, kalça, diz ve omuz eklemleri gibi ağır yük senaryolarında robot çerçevesiz tork motorlarının neredeyse standart hale geldiği, ellerin ucunda daha hassas içi boş çanak motorların kullanıldığı açıktır; tek fark,  motor tipi ve performans parametrelerinin kombinasyonunda yatmaktadır . Yön tutarlıdır.

III. Motorlar ve Komple Robotlar Arasındaki 'Haritalama'

Peki bu iyi bilinen insansı robot ürünlerini hangi üst motor üreticileri destekliyor? Seri üretim hızlandıkça, bir dizi yerli ve uluslararası tedarikçi, kilit pozisyonları işgal ederek robot imalatçılarını tamamlamaya derinden bağlanıyor.

·  Tesla'nın tedarik zinciri : Inovance Technology, sürücü kontrolü entegre bağlantılarında lider konumdadır ve Leadshine'ın hareket kontrol ürünleri de Tesla'nın tedarik zincirine girmiştir. Buna ek olarak, Wolong Electric Drive'ın çerçevesiz tork motorları, yaklaşık %25'lik bir yurt içi pazar payıyla dolaylı olarak Tesla'ya bağlanarak Unitree ve Zhiyuan gibi yerli ana akım robotların tedarik zincirlerine başarıyla girdi.

·  Unitree,  yerelleştirme oranı son derece yüksek olan bir oyuncudur; motorları, sürücü kartları ve hareket kontrol algoritmaları büyük ölçüde kendi kendine geliştirildi. Tedarik zinciri açısından bakıldığında, Leaderdrive'ın harmonik redüktörleri ve Haozhi Electromechanical'in çerçevesiz tork motorları, diğerlerinin yanı sıra, Unitree'yi besliyor.

·  Xiaomi'nin CyberGear  motoru harici motor tedarikçilerine bağlı değildir, ancak sökmeler, OSRAM'ın manyetik kodlayıcısını ve GigaDevice'in ana kontrol MCU'sunu entegre ettiğini ortaya koymaktadır. Bu arada Inovance Technology de Xiaomi'ye tedarik sağlıyor.

·  Zhiyuan'ın  kendisine derinden bağlı bir dizi tedarikçisi var. Wolong Electric Drive, Zhiyuan'ın tedarik zincirine yalnızca 'endüstri + sermaye' ikili bağı yoluyla girmekle kalmadı, aynı zamanda Zhiyuan'da dolaylı olarak hisse sahibi oldu. Servo sistemler ve çerçevesiz tork motorları tedarik eden diğer yerli liderler arasında Inovance Technology, STEP Electric ve Veichi Electric yer alıyor.

Genel olarak  çerçevesiz tork motoru alanında yerelleşmenin hızlandığı görülüyor . Üst düzey pazarda, Kollmorgen ve MOOG gibi uluslararası markalar hâlâ teknolojik açıdan yüksek zemini işgal ediyor ancak seri üretim, maliyet kontrolü ve kişiye özel hizmetler açısından Inovance, Wolong ve STEP gibi yerli oyuncular hızla artıyor.

IV. Üst Düzey 'Kas' Gereksinimleri: Kodlayıcılar ve Yüksek Hassasiyetli Bağlantılar

Motorlar güç çıkışı sorununu çözer ancak yeterince doğru bağlantı konumlandırması, hassas kuvvet geri bildirimi ve düzgün hareket kontrolü elde etmek için başka bir temel bileşen gereklidir:  kodlayıcı.

Kodlayıcı, robotun 'sinir sistemi' olarak görev yapar ve konum, hız ve açı bilgilerinin gerçek zamanlı geri bildiriminden sorumludur. İnsansı robotlarda  ikili kodlayıcı  çözümü ana akım haline geldi: bir kodlayıcı motor tarafına, diğeri çıkış tarafına takılır ve aralarındaki açısal fark, tork ve konumu kalibre etmek için karşılaştırılır. Ağır yüke sahip eklemlerde (kalça ve diz gibi) kodlayıcı, robotun yürüyüşü ve kuvveti ne kadar hassas bir şekilde kontrol edebileceğini belirler; Hassas el operasyonlarında enkoder doğruluğu milimetre cinsinden ölçülen kritik bir değişkendir.

V. SDM: Yerli Robot Çerçevesiz Tork Motorları ve Manyetik Kodlayıcılarda Yükselen Bir Yıldız

Hızlanan yerelleştirme ortamında, Hangzhou'dan bir şirket ( SDM) , 'robot çerçevesiz tork motorları + manyetik kodlayıcılar'dan oluşan çift tekerlekli ürün matrisi ile yavaş yavaş insansı robot endüstrisi zincirinin çekirdeğine adım atıyor.

SDM'nin çerçevesiz tork motorlarındaki farklılaşan avantajları temel olarak üç açıdan yansıtılmaktadır:

1. Tamamen kendi geliştirdiği motor tasarım yeteneği . SDM'nin çerçevesiz tork motorları, havacılık sınıfı alaşım malzemeleri ve yüksek manyetik enerjili ürün mıknatıslarını kullanarak yüksek hızlı tepkiyi ve gerçek zamanlı tork kapalı devre kontrolünü destekler, tork yoğunluğunu ve darbe direncini önemli ölçüde artırır. Çeşitli robot eklemlerinin (kalça/diz/omuz) farklı ihtiyaçlarını hedef alan SDM, hafif ticari hizmetlerden endüstriyel ağır yüklere kadar çeşitli uygulamalara esnek bir şekilde uyum sağlayan, 50 Nm'den 200 Nm'nin üzerine kadar tepe torkuna sahip çok sayıda motor ürün serisini piyasaya sürdü.

2. Manyetik kodlayıcılarda temel teknoloji . SDM'nin kendi geliştirdiği çok turlu mutlak manyetik kodlayıcılar ve tek turlu manyetik kodlayıcılar doğruluk, kararlılık ve anti-parazit kapasitesi açısından uluslararası ana akım çözümlerle eşleşir. Yüksek hassasiyetli manyeto dirençli sensörler ve çok kutuplu manyetik halka teknolojisini kullanan SDM'nin manyetik kodlayıcıları, titreşim önleme ve yüksek/düşük sıcaklık özelliklerini önemli ölçüde optimize ederken, 18 bitten daha iyi konumsal çözünürlüğe ulaşır. Bu 'motor + kodlayıcı' entegre özelliği, komple robot üreticilerinin  tek noktadan ortak tahrik çözümü seçimi elde etmelerine olanak tanıyarak , geliştirme verimliliğini ve sistem entegrasyonunu büyük ölçüde artırır.

3. 'Hangzhou Six Little Dragons' endüstriyel kümesinde kök salmıştır . SDM, redüktörleri, rulmanları, sensörleri ve diğer önemli parçaları kapsayan, Çin'in en yoğun robot bileşeni kaynaklarına ev sahipliği yapan Hangzhou ve Yangtze Nehri Deltası bölgesinde yer almaktadır. Zhejiang Eyaletinin insansı robot endüstrisi geliştirme politikalarının sürekli desteklenmesinden yararlanan SDM, yavaş yavaş tek bileşenli tedarikten komple ortak modül çözümlerine doğru genişliyor.

İnsansı robotlar laboratuvar aşamasından  'seri üretim çağına' geçtikçe , yukarı yöndeki motor ve kodlayıcı tedarikçileri arasındaki rekabet, 'maliyet etkinliğinden' 'performans + güvenilirlik' şeklinde ikili bir mücadeleye doğru yükseliyor. Yerel Hangzhou sanayi zincirinin avantajlarından ve kendi geliştirdiği motor ve manyetik kodlayıcı yeteneklerinden yararlanan SDM, yerli üretim insansı robotların 'güç kaynağı'nda vazgeçilmez bir güç haline geliyor.