Động cơ mô-men xoắn không khung cung cấp năng lượng cho robot hình người như thế nào

Bạn có thể đã xem những đoạn video ngắn về robot hình người—thực hiện động tác lộn ngược trong phòng thí nghiệm, vận chuyển các bộ phận trong nhà máy ô tô hoặc thậm chí trò chuyện tự nhiên với con người. Đằng sau những hành động có vẻ 'giống con người' này là một yếu tố hỗ trợ cốt lõi: hệ thống khớp. Nếu thuật toán là bộ não của robot và các cảm biến là các giác quan của nó thì Động cơ mô-men xoắn không khung của Robot  là cơ bắp của nó—xác định tốc độ nó có thể chạy, mức độ nặng nó có thể nâng và mức độ ổn định mà nó có thể đi bộ. Hôm nay, chúng ta sẽ bắt đầu từ một số sản phẩm robot hình người phổ biến để mổ xẻ xem công nghệ 'cơ bắp' này vượt trội ở đâu và nó hỗ trợ quá trình chuyển đổi công nghiệp như thế nào.

I. Tại sao Robot hình người không thể tách rời khỏi Động cơ mô-men xoắn không khung của Robot?

Hãy làm quen với nhân vật chính của chúng ta. Động cơ mô-men xoắn không khung là sự tồn tại độc nhất—nó không có vỏ, không trục, không vòng bi. Bằng cách loại bỏ tất cả các thành phần ngoại vi 'đóng gói', nó  chỉ giữ lại lõi stato và rôto , được nhúng trực tiếp vào cấu trúc khớp của robot. Lợi ích rất đơn giản:  âm lượng nhỏ hơn, mô-men xoắn cao hơn . Ở robot hình người, các khớp mô-men xoắn lớn như hông, đầu gối và vai đòi hỏi mật độ năng lượng và độ nén cực cao; động cơ truyền thống thường chiếm quá nhiều không gian, trong khi động cơ mô-men xoắn không khung có thể được tích hợp bên trong khớp để đạt được thiết kế 'khớp động cơ', giúp cấu trúc tổng thể nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Dữ liệu cũng khẳng định tầm quan trọng của nó. Lấy Tesla Optimus làm ví dụ:  mỗi một trong số 28 bộ truyền động của hãng đều sử dụng động cơ mô-men xoắn không khung , làm nổi bật vai trò cốt lõi của sản phẩm này trong hoạt động truyền động chung.

II. Phân tích cấu hình sản phẩm phổ thông: Khớp khác nhau, 'Cơ bắp' khác nhau

Nếu chúng ta so sánh động cơ với cơ bắp, thì yêu cầu đối với các bộ phận cơ thể khác nhau sẽ rất khác nhau—các khớp lớn như vai và hông cần sức mạnh bùng nổ, cổ tay và bàn tay khéo léo cần kiểm soát chính xác và đầu gối cần chịu tải trong khi duy trì sự ổn định. Các nhà sản xuất, dựa trên việc định vị sản phẩm và cân nhắc về chi phí, đã áp dụng các giải pháp kết hợp động cơ khác nhau.

Tesla Optimus: 'Cấu hình đầy đủ' của chuẩn kỹ thuật

Tesla Optimus hiện có giải pháp truyền động hoàn thiện và minh bạch nhất về mặt kỹ thuật trong ngành. Các khớp của nó được chia thành ba loại:

·  Thiết bị truyền động quay (14 chiếc) : Chủ yếu sử dụng ở các khớp quay góc lớn như vai, hông, cổ tay, thắt lưng. Giải pháp là 'động cơ mô-men xoắn không khung + bộ giảm tốc điều hòa + cảm biến mô-men xoắn + bộ mã hóa kép', cung cấp ba thông số mô-men xoắn:  20Nm, 110Nm, 180Nm.

·  Bộ truyền động tuyến tính (14 chiếc) : Phân bố ở các khớp có góc xoay hạn chế nhưng yêu cầu lực đẩy cao (ví dụ như khuỷu tay, đầu gối, mắt cá chân). Giải pháp là 'động cơ mô-men xoắn không khung + vít con lăn hành tinh', với thông số lực đẩy là  500N, 3900N và 8000N.

·  Bộ truyền động tay khéo léo (12 chiếc/cả hai tay) : Sử dụng kết hợp mô tơ cốc rỗng + hộp số hành tinh nhiều tầng thu nhỏ + bánh răng trục vít. Mỗi tay có 11 bậc tự do và có thể nâng vật nặng 9kg.

Nhìn chung, Optimus sử dụng bộ truyền động mô-men xoắn cao 180Nm cho các khớp chịu tải nặng như hông và vai, đồng thời giải pháp mô-men xoắn trung bình/thấp cho các bộ phận chịu tải vừa phải như khuỷu tay và cổ tay, tạo thành một 'độ dốc cơ' hợp lý. Từ góc độ chi phí,  động cơ mô-men xoắn không khung chiếm khoảng 14,8% tổng chi phí của robot , khiến nó trở thành bộ phận quan trọng thứ hai sau vít con lăn hành tinh.

Unitree H1/G1: 'Phe Tự Phát Triển' Hiệu suất Chi phí Cao

Cách tiếp cận của Unitree khác biệt đáng kể so với Tesla—họ thích  cấu trúc truyền động gần như trực tiếp sử dụng động cơ có mật độ mô-men xoắn cao + bánh răng hành tinh có tỷ số thấp , đảm bảo công suất đầu ra trong khi giảm chi phí.

H1  được định vị là robot hình người cỡ lớn cấp công nghiệp, được trang bị động cơ M107 tự phát triển có thể tạo ra mô-men xoắn cực đại  360N·m  (khớp hông  220N·m , khớp mắt cá chân  45N·m ), với mật độ công suất được công bố gấp 1,5 lần so với các đối thủ cạnh tranh. Phân bố khớp: 14 khớp chi dưới (mô-men xoắn dao động 45–220N·m), 14 khớp chi trên (mô-men xoắn ~75N·m) và 2 khớp thân.

G1  hướng tới kịch bản người tiêu dùng gia đình: cao 1,32m, nặng 35kg. Phiên bản tiêu chuẩn có 23 DOF, trong khi phiên bản EDU cung cấp 23–43 DOF. Khớp chân dưới của nó sử dụng mô-đun tích hợp bốn trong một 'động cơ + bộ giảm tốc hành tinh hai giai đoạn + bộ mã hóa + trình điều khiển', với mô-men xoắn khớp gối tối đa là  90N·m  và tải trọng tối đa của cánh tay là 2kg. Đáng chú ý, Unitree đã đạt được tỷ lệ nội địa hóa trên 90%, với động cơ, bộ giảm tốc, bộ điều khiển, bộ mã hóa và các thành phần cốt lõi khác đều tự phát triển, cho phép phiên bản cơ sở của G1 có giá thấp nhất là 85.000 RMB.

Xiaomi CyberGear: 'Actuary' tích hợp thu nhỏ

CyberGear của Xiaomi đi theo một lộ trình hoàn toàn khác—nó gói một mô tơ servo, bộ giảm sóng hài, bộ mã hóa kép và trình điều khiển vào một thân máy nhỏ bé chỉ nặng  317 gam , đạt được 'kích thước nhỏ, tích hợp lớn'.

Thông số kỹ thuật: động cơ CyberGear có mô-men xoắn cực đại chỉ  3N·m  nhưng có thể phản hồi nhanh tới  20 mili giây . Nó phù hợp với các tình huống nhẹ như cánh tay robot để bàn và khớp robot nhỏ. Động cơ sử dụng vỏ nhôm anod hóa màu đen để tản nhiệt tốt hơn, tích hợp hệ thống phát hiện nhiệt độ và thuật toán bảo vệ tự phát triển, đồng thời đạt tiêu chuẩn với đầu nối XT30 và thiết kế tháo lắp nhanh. Nó được bán trên cửa hàng trực tuyến của Xiaomi với giá chỉ  499 RMB , khiến nó trở thành 'người gác cổng giá' cho các mô-đun khớp robot cấp đầu vào.

Mặc dù mô-men xoắn cực đại 3N·m của nó thấp hơn nhiều so với các giải pháp mô-men xoắn lớn của Optimus và Unitree, xét đến trọng lượng chỉ 317 gam và thiết kế 'nhả nhanh + tích hợp' của nó, nhưng nó vẫn quá đủ cho các nhu cầu tiêu dùng (robot nhỏ gia đình, rô-bốt giáo dục). Nó tuân theo chiến lược 'đủ tốt'—cho phép các nhà sản xuất vừa và nhỏ cũng tham gia vào lĩnh vực chế tạo robot.

Chuỗi cuộc thám hiểm của Robot Zhiyuan: Theo đuổi 'Sức mạnh bùng nổ tối thượng'

Dòng xe Zhiyuan Expedition đặc biệt mạnh mẽ về hiệu suất động cơ. Robot Expedition A2 Max mang lại mô-men xoắn khớp cực đại là  450N·m , hiện là một trong những số liệu mô-men xoắn khớp cao nhất được công bố rộng rãi. Động cơ PowerFlow do hãng tự phát triển áp dụng lộ trình công nghệ truyền động gần như trực tiếp—giữa truyền động trực tiếp và động cơ truyền thống—tạo ra mô-men xoắn cực đại vượt quá 350N·m trong khi chỉ nặng 1,6kg, đồng thời nó cũng tích hợp hệ thống làm mát bằng chất lỏng, cân bằng độ nhạy kiểm soát lực và khả năng tải liên tục. Hiện tại, Zhiyuan đã thành lập một cơ sở công nghiệp ở Thành Đô và các sản phẩm như Expedition A3, A2 và Lingxi X2 đã được sản xuất hàng loạt.

Để so sánh trực quan, các thông số chính của các mô hình phổ thông trên được tóm tắt trong bảng dưới đây:

Từ bảng trên, có thể thấy rõ rằng động cơ mô-men xoắn không khung của rô-bốt gần như đã trở thành tiêu chuẩn trong các tình huống tải nặng như khớp hông, đầu gối và vai, trong khi động cơ cốc rỗng chính xác hơn được sử dụng ở cuối tay—sự khác biệt duy nhất nằm ở sự  kết hợp giữa loại động cơ và thông số hiệu suất . Hướng đi là nhất quán.

III. 'Bản đồ' giữa động cơ và robot hoàn chỉnh

Vậy nhà sản xuất động cơ thượng nguồn nào đang hỗ trợ các sản phẩm robot hình người nổi tiếng này? Khi hoạt động sản xuất hàng loạt tăng lên, một số nhà cung cấp trong nước và quốc tế đang ràng buộc chặt chẽ với các nhà sản xuất robot hoàn chỉnh, chiếm giữ các vị trí chủ chốt.

·  Chuỗi cung ứng của Tesla : Inovance Technology giữ vị trí dẫn đầu về khớp tích hợp điều khiển truyền động và các sản phẩm điều khiển chuyển động của Leadshine cũng đã lọt vào chuỗi cung ứng của Tesla. Ngoài ra, động cơ mô-men xoắn không khung của Wolong Electric Drive đã gia nhập thành công chuỗi cung ứng của các robot phổ thông trong nước như Unitree và Zhiyuan, gián tiếp liên kết với Tesla, với thị phần nội địa khoảng 25%.

·  Unitree  là công ty có tỷ lệ nội địa hóa cực cao; động cơ, bo mạch truyền động và thuật toán điều khiển chuyển động của nó phần lớn là do tự phát triển. Từ góc độ chuỗi cung ứng, các bộ giảm tốc điều hòa của Leaderdrive và động cơ mô-men xoắn không khung của Haozhi Electromechanical, cùng những loại khác, cung cấp cho Unitree.

· Động cơ  CyberGear của Xiaomi  không phụ thuộc vào các nhà cung cấp động cơ bên ngoài, nhưng các bản phân tích cho thấy nó tích hợp bộ mã hóa từ tính của ams OSRAM và MCU điều khiển chính của GigaDevice. Trong khi đó, Inovance Technology cũng cung cấp cho Xiaomi.

·  Zhiyuan  có một số nhà cung cấp gắn bó chặt chẽ với nó. Wolong Electric Drive không chỉ tham gia vào chuỗi cung ứng của Zhiyuan thông qua ràng buộc kép 'ngành + vốn' mà còn gián tiếp nắm giữ cổ phần của Zhiyuan. Các nhà lãnh đạo trong nước khác cung cấp hệ thống servo và động cơ mô-men xoắn không khung bao gồm Inovance Technology, STEP Electric và Veichi Electric.

Nhìn chung,  lĩnh vực động cơ mô-men xoắn không khung đang chứng kiến ​​​​sự gia tăng nội địa hóa . Trên thị trường cao cấp, các thương hiệu quốc tế như Kollmorgen và MOOG vẫn chiếm lĩnh vị thế công nghệ cao, nhưng xét về mặt sản xuất hàng loạt, kiểm soát chi phí và dịch vụ tùy chỉnh, các thương hiệu trong nước như Inovance, Wolong và STEP đang tăng lên nhanh chóng.

IV. Yêu cầu 'Cơ bắp' Cấp cao hơn: Bộ mã hóa và Khớp nối có độ chính xác cao

Động cơ giải quyết vấn đề về công suất đầu ra, nhưng để đạt được vị trí khớp đủ chính xác, phản hồi lực tốt và điều khiển chuyển động trơn tru thì cần có một bộ phận quan trọng khác—bộ  mã hóa..

Bộ mã hóa hoạt động như 'hệ thần kinh' của robot, chịu trách nhiệm phản hồi theo thời gian thực về thông tin vị trí, tốc độ và góc. Ở robot hình người, giải pháp  bộ mã hóa kép  đã trở thành xu hướng chủ đạo: một bộ mã hóa được lắp ở phía động cơ, bộ mã hóa còn lại ở phía đầu ra và sự khác biệt về góc giữa chúng được so sánh với mô-men xoắn và vị trí hiệu chỉnh. Ở các khớp chịu tải nặng (chẳng hạn như khớp háng và đầu gối), bộ mã hóa xác định mức độ chính xác mà robot có thể kiểm soát dáng đi và lực; trong các thao tác thủ công, độ chính xác của bộ mã hóa là một biến quan trọng được đo bằng milimét.

V. SDM: Ngôi sao mới nổi trong lĩnh vực Động cơ mô-men xoắn không khung và Bộ mã hóa từ tính cho robot nội địa

Trong bối cảnh tăng tốc nội địa hóa, một công ty đến từ Hàng Châu— SDM —đang dần bước vào cốt lõi của chuỗi công nghiệp robot hình người với ma trận sản phẩm hai bánh gồm 'động cơ mô-men xoắn không khung robot + bộ mã hóa từ tính'.

Ưu điểm khác biệt của SDM trong động cơ mô-men xoắn không khung chủ yếu được phản ánh ở ba khía cạnh:

1. Khả năng thiết kế động cơ tự phát triển đầy đủ . Động cơ mô-men xoắn không khung của SDM hỗ trợ đáp ứng tốc độ cao và điều khiển vòng kín mô-men xoắn theo thời gian thực, sử dụng vật liệu hợp kim cấp hàng không và nam châm sản phẩm năng lượng từ tính cao, cải thiện đáng kể mật độ mô-men xoắn và khả năng chống va đập. Nhắm vào nhu cầu khác nhau của các khớp robot khác nhau (hông/đầu gối/vai), SDM đã cho ra mắt nhiều dòng sản phẩm động cơ có mô-men xoắn cực đại từ 50Nm đến hơn 200Nm, thích ứng linh hoạt với các ứng dụng từ dịch vụ thương mại nhẹ đến tải trọng công nghiệp nặng.

2. Công nghệ lõi trong bộ mã hóa từ tính . Bộ mã hóa từ tính tuyệt đối nhiều vòng và bộ mã hóa từ tính một vòng do SDM tự phát triển phù hợp với các giải pháp chính thống quốc tế về độ chính xác, độ ổn định và khả năng chống nhiễu. Sử dụng cảm biến từ điện trở có độ chính xác cao và công nghệ vòng từ đa cực, bộ mã hóa từ tính của SDM đạt được độ phân giải vị trí tốt hơn 18 bit, đồng thời tối ưu hóa đáng kể các đặc tính chống rung và nhiệt độ cao/thấp. Khả năng tích hợp 'động cơ + bộ mã hóa' này cho phép các nhà sản xuất robot hoàn chỉnh đạt được  lựa chọn giải pháp truyền động chung một cửa , cải thiện đáng kể hiệu quả phát triển và tích hợp hệ thống.

3. Bắt nguồn từ cụm công nghiệp 'Hàng Châu Sáu Con Rồng Nhỏ' . SDM được đặt tại Hàng Châu và khu vực Đồng bằng sông Dương Tử, nơi tập trung nguồn tài nguyên linh kiện robot dày đặc nhất của Trung Quốc, bao gồm các bộ giảm tốc, vòng bi, cảm biến và các bộ phận quan trọng khác. Hưởng lợi từ việc liên tục thúc đẩy các chính sách phát triển ngành công nghiệp robot hình người của Tỉnh Chiết Giang, SDM đang dần mở rộng từ việc cung cấp một thành phần sang các giải pháp mô-đun chung hoàn chỉnh.

Khi robot hình người chuyển từ giai đoạn phòng thí nghiệm sang  'kỷ nguyên sản xuất hàng loạt' , sự cạnh tranh giữa các nhà cung cấp động cơ và bộ mã hóa thượng nguồn đang nâng cấp từ 'hiệu quả về chi phí' lên cuộc chiến kép về 'hiệu suất + độ tin cậy'. SDM, tận dụng lợi thế của chuỗi công nghiệp Hàng Châu tại địa phương cũng như khả năng mã hóa từ và động cơ tự phát triển, đang trở thành một lực lượng không thể thiếu trong 'nguồn năng lượng' của robot hình người được sản xuất trong nước.