Як роботизовані безкаркасні крутні двигуни живлять гуманоїдних роботів

Можливо, ви вже бачили короткі відео про гуманоїдних роботів, які виконують сальто назад у лабораторіях, переносять запчастини на автомобільних заводах або навіть ведуть природні розмови з людьми. За цими, здавалося б, «людськими» діями стоїть основний механізм: система суглобів. Якщо алгоритми — це мозок робота, а датчики — це органи чуття, то Безкаркасний крутний двигун робота  — це його м’яз, який визначає, наскільки швидко він може бігати, яку вагу він може піднімати та наскільки стабільно він може ходити. Сьогодні ми почнемо з кількох основних гуманоїдних роботів, щоб розібрати, де ця «м’язова» технологія перевершує та як вона підтримує промислову трансформацію.

I. Чому гуманоїдні роботи невіддільні від роботизованих безкаркасних двигунів?

Давайте познайомимося з нашим головним героєм. Безкаркасний моментний двигун — це унікальне існування — у нього немає ні корпусу, ні вала, ні підшипників. Завдяки видаленню всіх 'запакованих' периферійних компонентів він зберігає  лише статор і сердечник ротора , які безпосередньо вбудовані в конструкцію суглоба робота. Переваги очевидні:  менший об’єм, вищий крутний момент . У роботі-гуманоїді суглоби з великим крутним моментом, такі як стегно, коліно та плече, вимагають надзвичайно високої потужності та компактності; традиційні двигуни часто займають забагато місця, тоді як безкаркасний моментний двигун можна інтегрувати всередину з’єднання, щоб досягти конструкції «з’єднання двигуна一体化», що робить загальну структуру більш компактною та ефективною.

Дані також підтверджують його важливість. Візьмемо Tesla Optimus як приклад:  кожен із 28 приводів використовує безкаркасний моментний двигун , що підкреслює основну роль цього продукту у спільному приведенні в дію.

II. Основний аналіз конфігурації продукту: різні суглоби, різні 'м'язи'

Якщо порівняти мотори з м’язами, вимоги до різних частин тіла дуже відрізняються: великі суглоби, такі як плечі та стегна, потребують вибухової сили, зап’ястки та спритні руки потребують точного контролю, а коліна мають нести навантаження, зберігаючи стабільність. Виробники, виходячи з позиціонування продукту та міркувань щодо вартості, прийняли різні комбінації двигунів.

Tesla Optimus: 'Конфігурація повного стека' технічного тесту

Tesla Optimus наразі має найповніше та технічно прозоре рішення приводу в галузі. Його суглоби діляться на три категорії:

·  Ротаційні приводи (14 одиниць) : в основному використовуються в ротаційних суглобах з великим кутом, таких як плечі, стегна, зап'ястки та талія. Рішення «безкаркасний крутний двигун + гармонічний редуктор + датчик крутного моменту + подвійні кодери», що пропонує три специфікації крутного моменту:  20 Нм, 110 Нм, 180 Нм.

·  Лінійні приводи (14 одиниць) : розповсюджуються в суглобах з обмеженим кутом повороту, але потребують великої тяги (наприклад, лікті, коліна, щиколотки). Рішення — «безкаркасний моментний двигун + планетарний роликовий гвинт» зі специфікаціями тяги  500 Н, 3900 Н і 8000 Н.

·  Ручні приводи Dexterous (12 одиниць / обидві руки) : Використовує комбінацію порожнистого чашкового двигуна + мініатюрного багатоступінчастого планетарного редуктора + черв'ячного редуктора. Кожна рука має 11 ступенів свободи і може підняти вантаж вагою 9 кг.

Загалом Optimus використовує привод із високим крутним моментом 180 Нм для важких суглобів, таких як стегно та плече, і рішення із середнім/низьким крутним моментом для частин із помірним навантаженням, таких як лікоть і зап’ястя, утворюючи прийнятний «м’язовий градієнт». З точки зору вартості  безкаркасний моментний двигун становить приблизно 14,8% від загальної вартості робота , що робить його другим найважливішим компонентом після планетарного роликового гвинта.

Unitree H1/G1: 'саморозвинена фракція' з високою ціною та ефективністю

Підхід Unitree суттєво відрізняється від підходу Tesla — вони віддають перевагу  квазіпрямій архітектурі приводу, використовуючи двигуни з високою щільністю крутного моменту + планетарні редуктори з низьким передавальним числом , що забезпечує вихідну потужність при зниженні витрат.

H1  позиціонується як великий людиноподібний робот промислового класу, оснащений двигуном M107 власної розробки, який може забезпечити максимальний крутний момент  360 Н·м  (тазостегновий суглоб  220 Н·м , гомілковостопний суглоб  45 Н·м ), із заявленою щільністю потужності, яка в 1,5 рази перевищує показники конкурентів. Розподіл суглобів: 14 суглобів нижніх кінцівок (крутний момент у діапазоні 45–220 Н·м), 14 суглобів верхніх кінцівок (крутний момент ~75 Н·м) і 2 суглоби тулуба.

G1  призначений для домашніх споживачів: зріст 1,32 м, вага 35 кг. Стандартна версія має 23 DOF, тоді як версія EDU пропонує 23–43 DOF. У суглобі гомілки використовується інтегрований модуль «двигун + двоступеневий планетарний редуктор + кодер + драйвер» чотири в одному з максимальним крутним моментом колінного суглоба  90 Н·м  і максимальним навантаженням на руку 2 кг. Примітно, що Unitree досягла рівня локалізації понад 90%, завдяки двигунам, редукторам, контролерам, енкодерам та іншим основним компонентам, розробленим власними силами, що дозволяє базовій версії G1 коштувати лише 85 000 юанів.

Xiaomi CyberGear: мініатюрний інтегрований 'Актуар'

CyberGear від Xiaomi вибирає зовсім інший шлях — він містить серводвигун, гармонічний редуктор, подвійні кодери та драйвер у крихітному корпусі вагою лише  317 грамів , досягаючи «маленького розміру, великої інтеграції».

Технічні параметри: двигун CyberGear має максимальний крутний момент лише  3 Н·м  , але може реагувати лише за  20 мілісекунд . Він підходить для легких сценаріїв, таких як настільні роботизовані руки та невеликі суглоби роботів. У двигуні використовується чорний анодований алюмінієвий корпус для кращого відведення тепла, вбудована власно розроблена система визначення температури та алгоритми захисту, а також стандартно поставляється з роз’ємом XT30 і швидкоз’ємною конструкцією. Він продається в онлайн-магазині Xiaomi лише за  499 юанів , що робить його «привратником цін» для модулів з’єднань роботів початкового рівня.

Хоча його максимальний крутний момент 3 Н·м набагато нижчий, ніж у рішень Optimus і Unitree з великим крутним моментом, враховуючи його вагу лише 317 грамів і його «швидкоз’ємну + інтегровану» конструкцію, він більш ніж достатній для споживчих сценаріїв (домашні невеликі роботи, освітні роботи). Він дотримується стратегії «достатньо хорошої» — дозволяє малим і середнім виробникам також грати в просторі робототехніки.

Серія Zhiyuan Robotics Expedition: Pursuing 'Ultimate Burst Power'

Серія Zhiyuan Expedition особливо агресивна в моторних характеристиках. Робот Expedition A2 Max забезпечує максимальний крутний момент у з’єднанні  450 Н·м , що наразі є одним із найвищих загальнодоступних показників крутного моменту в з’єднанні. Його власно розроблений двигун PowerFlow використовує технологію квазіпрямого приводу — щось середнє між прямим приводом і традиційними двигунами — забезпечує максимальний крутний момент понад 350 Н·м при вазі лише 1,6 кг, а також містить систему рідинного охолодження, що врівноважує чутливість контролю зусилля та постійну навантажувальну здатність. Зараз Zhiyuan запустила промислову базу в Ченду, і такі продукти, як Expedition A3, A2 і Lingxi X2, досягли масового виробництва.

Для інтуїтивно зрозумілого порівняння ключові параметри наведених вище основних моделей узагальнено в таблиці нижче:

З наведеної вище таблиці видно, що безкаркасні двигуни-роботи стали майже стандартними для сценаріїв із великим навантаженням, таких як тазостегнові, колінні та плечові суглоби, тоді як більш точні двигуни з порожнистими чашками використовуються на кінцях рук — єдині відмінності полягають у поєднанні  типу двигуна та параметрів продуктивності . Напрямок послідовний.

III. 'Відображення' між двигунами та повними роботами

Отже, які виробники двигунів, що працюють на першому етапі виробництва, підтримують ці добре відомі продукти гуманоїдних роботів? У міру того, як масове виробництво наростає, ряд вітчизняних і міжнародних постачальників глибоко зв’язуються з виробниками комплектних роботів, займаючи ключові позиції.

·  Ланцюжок поставок Tesla : Inovance Technology займає лідируючі позиції в інтегрованих з’єднаннях керування приводом, а продукти керування рухом Leadshine також увійшли в ланцюжок поставок Tesla. Крім того, безкаркасні моментні двигуни Wolong Electric Drive успішно увійшли в ланцюги поставок домашніх основних роботів, таких як Unitree і Zhiyuan, опосередковано пов’язуючи з Tesla, з часткою внутрішнього ринку близько 25%.

·  Unitree  — гравець із надзвичайно високим рівнем локалізації; його двигуни, плати приводів і алгоритми керування рухом здебільшого розроблені самостійно. З точки зору ланцюга постачань, гармонійні редуктори Leaderdrive і безрамні моментні двигуни Haozhi Electromechanical постачають Unitree.

· Двигун  CyberGear від Xiaomi  не покладається на зовнішніх постачальників двигунів, але демонтаж показує, що він інтегрує магнітний кодер ams OSRAM і головний мікроконтроллер GigaDevice. Тим часом Inovance Technology також постачає Xiaomi.

·  Zhiyuan  має низку постачальників, глибоко пов’язаних із нею. Wolong Electric Drive не лише увійшов у ланцюжок постачання Zhiyuan через подвійну прив’язку «промисловість + капітал», але й опосередковано володіє акціями Zhiyuan. Інші вітчизняні лідери, що постачають сервосистеми та безкаркасні моментні двигуни, включають Inovance Technology, STEP Electric і Veichi Electric.

Загалом  у сфері безкаркасного моментного двигуна спостерігається прискорення локалізації . На ринку високого класу міжнародні бренди, такі як Kollmorgen і MOOG, все ще займають високі технологічні позиції, але з точки зору масового виробництва, контролю за витратами та індивідуальних послуг вітчизняні гравці, такі як Inovance, Wolong і STEP, стрімко зростають.

IV. Вимоги до 'м'язів' вищого рівня: кодери та високоточні з'єднання

Двигуни вирішують проблему вихідної потужності, але для досягнення досить точного позиціонування з’єднання, тонкого зворотного зв’язку за силою та плавного керування рухом потрібен інший ключовий компонент —  кодер.

Кодер діє як 'нервова система' робота, відповідальна за зворотний зв'язок у реальному часі щодо інформації про положення, швидкість і кут. У гуманоїдних роботах рішення  з подвійним кодером  стало основним: один кодер встановлюється на стороні двигуна, інший на стороні виходу, і кутова різниця між ними порівнюється для калібрування крутного моменту та положення. У важких суглобах (таких як тазостегновий і колінний) кодер визначає, наскільки точно робот може контролювати ходу та силу; у тонких ручних операціях точність кодера є критичною змінною, яка вимірюється в міліметрах.

V. SDM: нова зірка в безкаркасних крутних двигунах домашніх роботів і магнітних енкодерах

На тлі прискорення локалізації компанія з Ханчжоу — SDM — поступово входить у ядро ​​індустрії гуманоїдних роботів зі своєю двоколісною матрицею продуктів 'робот безкаркасні двигуни крутного моменту + магнітні кодери'.

Диференційовані переваги SDM у безкаркасних моментних двигунах в основному відображені в трьох аспектах:

1. Повністю власноруч розроблена конструкція двигуна . Безкаркасні моментні двигуни SDM підтримують високу швидкість відгуку та замкнуте керування крутним моментом у реальному часі, використовуючи сплави авіаційного класу та магніти з високою магнітною енергією, що значно покращує щільність крутного моменту та стійкість до ударів. Орієнтуючись на диференційовані потреби різних суглобів роботів (стегно/коліно/плече), SDM випустила кілька лінійок двигунів з максимальним крутним моментом, що охоплює від 50 Нм до понад 200 Нм, гнучко пристосовуючись до застосувань, починаючи від легких комерційних послуг до промислових важких навантажень.

2. Основна технологія магнітних кодерів . Власнорозроблені SDM багатооборотні абсолютні магнітні кодери та однооборотні магнітні кодери відповідають міжнародним основним рішенням щодо точності, стабільності та здатності запобігати перешкодам. Використовуючи високоточні магніторезистивні датчики та технологію багатополюсного магнітного кільця, магнітні кодери SDM досягають позиційної роздільної здатності, кращої за 18 біт, при цьому значно оптимізуючи антивібраційні та високотемпературні характеристики. Ця інтегрована функція 'двигун + кодер' дозволяє виробникам повних роботів досягти  єдиного вибору рішення для спільного приводу , що значно покращує ефективність розробки та інтеграцію системи.

3. Коріння в промисловому кластері 'Hangzhou Six Little Dragons' . SDM знаходиться в Ханчжоу та регіоні дельти річки Янцзи, де зосереджені найбільші в Китаї ресурси компонентів роботів, включаючи редуктори, підшипники, датчики та інші ключові частини. Користуючись перевагами постійного просування політики розвитку індустрії гуманоїдних роботів провінції Чжецзян, SDM поступово переходить від однокомпонентних поставок до готових спільних модульних рішень.

У міру того як людиноподібні роботи переходять від лабораторної стадії до  «ери масового виробництва» , конкуренція між постачальниками двигунів і кодерів, що працюють на початковому етапі, переходить від «рентабельності» до двосторонньої боротьби «продуктивність + надійність». SDM, використовуючи переваги свого місцевого промислового ланцюга в Ханчжоу та власні можливості двигуна та магнітного кодера, стає незамінною силою в «джерелі енергії» гуманоїдних роботів вітчизняного виробництва.