Varför Humanoid Robots öppnar ett nytt blått hav för kärnlösa motortillämpningar

 

Humanoida robotar, som enastående representanter för generella robotar och idealiska bärare av "förkroppsligad intelligens", drar fördel av den snabba utvecklingen av allmän artificiell intelligens, och å andra sidan, genom att bli bryggan mellan AI och den verkliga världen med "förkroppsligad intelligens", som gradvis utvecklas till terminalplattformen för nästa generation av allmän artificiell intelligens. I robotuppgifter tar stora AI-modeller nyckelroller i resonemang och beslutsfattande, och omvandlar komplexa instruktioner till exekverbara steg för robotar genom att analysera kommandon i naturliga språk. Dessutom förbättrar tillägget av multimodala AI-modeller avsevärt noggrannheten och effektiviteten i resonemang och beslutsfattande, vilket ger viktigt stöd för humanoida robotar att utvecklas mot generalisering.

 

 

Den snabba utvecklingen av robotindustrin är beroende av innovationer inom nyckelkomponentteknologier och stabiliteten i deras leverans. I humanoida robotar betraktas reduceraren, servosystemet och styrenheten som de tre kärnkomponenterna, som tillsammans står för över 70 % av den totala kostnaden. Dessutom, som en kärnkomponent, kan värdet på motorn inte förbises. I humanoida robotar som Optimus står motorkostnaden för cirka 25 % av det totala komponentvärdet.

 

Om man antar att den globala leveransvolymen av humanoida robotar kommer att nå 5 miljoner enheter under det kommande decenniet, kommer efterfrågan på kärnlösa motorer (utan järnkärnor) att se en massiv marknadstillväxt under denna period. Baserat på enhetspriser kan marknadsökningen för kärnlösa motorer nå 350 miljarder RMB, medan den inkrementella marknaden för kärnlösa motorer förväntas överstiga 78 miljarder RMB. Tillsammans kommer dessa två att bilda en stor marknadsyta på 428 miljarder RMB.

 

 

Till skillnad från industrirobotar som används i fasta arbetsmiljöer, tjänar humanoida robotar främst mänskliga vardagsscenarier. Dessa robotar behöver inte bara perception, beslutsfattande och handlingsförmåga utan behöver också simulera mänskliga beteendemönster för att interagera med miljön och användarna på ett mer naturligt sätt. Därför påverkar motorer, som kärnkomponenter i ledställdon, robotens flexibilitet, precision och stabilitet direkt.

 

Bland olika drivtekniker uppvisar elmotordrivning betydande fördelar jämfört med hydraulisk drivning. Den elektriska motordrivningslösningen drar nytta av mogen rörelsekontrollteknik, som ger realtidsåterkoppling av rörelsestatus via högprecisionskodare för att säkerställa exakt kontroll. Samtidigt är kostnaden för elmotordrivsystem lägre jämfört med hydrauliska system, med mindre underhållsbehov. Denna kostnadseffektiva egenskap gör elmotordrift till ett av de vanligaste valen för utveckling av humanoida robotar.

 

Bland dem har kärnlösa motorer, med sina lätta, höga effektivitet och låga tröghetsegenskaper, blivit nyckelkomponenter för att förbättra prestanda hos en humanoid robot.Kärnlösa motorer kan ge högre effekttäthet och högre svarshastigheter i små volymer, vilket gör det möjligt för robotar att uppvisa överlägsen prestanda i ledstyrning med flera frihetsgrader. Dessutom har kärnlösa motorer lägre energiförbrukning, vilket hjälper robotar att uppnå längre batterilivslängd.

 

1.1 Humanoida robotar som integreras i vardagen och visar upp nationell teknisk styrka

Humanoida robotar har gradvis blivit pålitliga assistenter i det dagliga mänskliga livet, som kan hjälpa till med en mängd komplexa uppgifter. Till skillnad från industrirobotar, som vanligtvis arbetar i fasta miljöer, är humanoida robotar utformade för att integreras i mänskliga dagliga omgivningar. Dessa robotar har inte bara kärnfunktioner som perception, beslutsfattande och handlingar utan har också mänskliga rörelseegenskaper och vänliga utseendedesigner, vilket gör dem lättare att acceptera av människor och skapar en känsla av förtrogenhet. Genom att flexibelt anpassa sig till olika miljöer visar humanoida robotar en enorm tillämpningspotential inom områden som hem, tjänster och sjukvård.

 

Som avancerade intelligenta enheter betraktas humanoida robotar som symboler för nationell teknisk styrka. Deras utveckling kräver att man övervinner tekniska barriärer inom flera discipliner, inklusive maskinteknik, elektroteknik, materialvetenskap, avkänningsteknik, kontrollsystem och artificiell intelligens. Med människoliknande utseendeegenskaper, tvåfotade gångmöjligheter och högt koordinerade rörelsekontrollteknologier kan humanoida robotar utföra fysiska uppgifter och kommunicera med människor genom språk eller ansiktsuttryck. Jämfört med traditionella robotar uppvisar humanoida robotar betydande fördelar i interaktion mellan människa och maskin, miljöanpassning och mångsidighet i arbetsuppgifter.

 

 

1.2 Utvecklingen av humanoida robotar: från koncept till industrialisering

Konceptet med robotar har funnits i över ett sekel, och forskning om humanoida robotar började i mitten av-20th århundradet, och upplevde en lång utvecklingsprocess från laboratorieprototyper till de tidiga stadierna av industrialiseringen. Den tidigaste användningen av termen "robot" kommer från den tjeckiske författaren Karel Čapeks pjäs RUR (Rossums universella robotar), vilket betyder maskinslavar som tjänar mänskligheten. Massproduktionen av industrirobotar började på 1960-talet, med robotarmen "UNIMATE" som lanserades av det amerikanska företaget Unimation, vilket öppnade eran av kommersiella industrirobotar.

 

Forskningen och utvecklingen av humanoida robotar började i Japan och gick gradvis in i stadierna av systematisering och hög dynamik:

 

Tidig utforskningsstadium (runt 1970-talet): 1973 utvecklade professor Ichiro Kato vid Waseda University i Japan världens första humanoida robot, WABOT-1, och dess WL-5 tvåfota gångmekanism lade grunden för humanoid robotar.

 

Technology Integration Stage (1980-talet-1990): 1986 startade Honda forskning om den humanoida roboten ASIMO, och 2000 släpptes den första generationens ASIMO-modell, vilket markerade inträdet för humanoida robotar i ett mycket integrerat tekniskt stadium.

 

Dynamic Performance Breakthrough Stage (2000-2020): 2016 släppte Boston Dynamics i USA den tvåfotade roboten Atlas, som med sin kraftfulla balanseringsförmåga och prestanda över hinder nådde nya höjder i dynamisk rörelse och uppgiftsutförande i farliga miljöer.

 

Tidig industrialiseringsstadium (2020-nuvarande): 2022 lanserade Tesla den humanoida robotprototypen Optimus, som visar upp högintegrerad artificiell intelligens och motordrivningsteknik på Tesla AI Day. 2023-versionen av Optimus är kapabel till objektklassificering och exakt balansering, vilket signalerar att humanoida robotar gradvis går mot praktisk tillämpning.

 

1.3 Djup integration av humanoida robotar och motorteknik

Den kontinuerliga utvecklingen av humanoida robotar är oskiljaktig från stödet från motorteknik. Som kärnkomponenten i robotleddrifter bestämmer motorer inte bara robotens rörelseprestanda utan påverkar också dess flexibilitet och hållbarhet. Med sin höga precision, låga energiförbrukning och tillförlitlighet har motordrifter gradvis blivit den mest använda kraftlösningen för humanoida robotar. Samtidigt ger kärnlösa motorer, med fördelar som lättvikt, hög effektivitet och låg tröghet, avgörande tekniskt stöd för den snabba utvecklingen av humanoida robotar.

 

I framtiden, med ytterligare teknologiska genombrott, kommer humanoida robotar att bli mer utbredda i olika livsscenarier, vilket injicerar ny vitalitet i den globala ekonomiska och sociala utvecklingen. Detta gör motormarknaden, särskilt marknaden för kärnlösa motorer, till en ny och mycket efterlängtad blå ocean.

 

1.4 Humanoid robotstruktur: Analys av nyckelkomponenter

Nyckelstrukturen för humanoida robotar kan delas in i tre huvudmoduler: ställdon, styrenheter och sensorer. Huvudkomponenter som motorer, reducerare och sensorer bestämmer robotens prestanda. Nedan följer en detaljerad analys av dessa komponenter:

 

1.4.1 Motor

Motorn är kärnan i utförande av mänskliga robotar, inklusive servomotorer, stegmotorer, vridmomentmotorer och sfäriska motorer, bland andra. Bland dem anses vridmomentmotorer vara idealiska för humanoida robotleder med låghastighets- och högt vridmomentkrav på grund av deras förmåga att ge högt vridmoment vid medelhöga och låga hastigheter. Deras forsknings- och produktionssvårigheter är dock relativt höga, vilket kräver genombrott i tekniska flaskhalsar.

 

1.4.2 Reducerare

Övertonsreducerare är allmänt kända för sin kompakta struktur, höga utväxlingsförhållande och överlägsna precision, vilket gör dem till ett vanligt val för robotledkomponenter. Men deras hållbarhet och livslängd har fortfarande utrymme för förbättring.

 

1.4.3 Sensor

Sensorer spelar en avgörande roll i robotar, särskilt vridmomentsensorer, som är en viktig del av fogdesign. Dessa sensorer, i kombination med motorer och reducerare, bildar skarven och ger exakt rörelsekontroll och kraftåterkoppling.

 

1.4.4 Drivningsmetod för övre extremiteter

De övre extremiteterna använder mestadels kulskruvdesigner, som omvandlar kulornas fram- och återgående rörelse till linjär rörelse av skruven. Jämfört med rem- eller kedjedrift har kulskruvar mindre friktion, lägre drift- och underhållskostnader och högre precision.

 

1.4.5 Drivningsmetod för nedre extremiteter

Planetariska rullskruvar, kända för sin motståndskraft mot yttre kraftpåverkan och långa livslängd, har blivit huvudvalet för underbensdrifter, speciellt lämpliga för att hantera komplexa gångkontrollbehov.

 

1.4.6 Handled

Handleder använder vanligtvis kärnlösa motorer. Dessa motorer har en enkel design, lätta och är idealiska drivkomponenter för fingerrörelser, vilket möjliggör finare kontroll.

 

Dessutom inkluderar lagervalen för linjära och roterande leder vinkelkontaktlager, korsade rullager och djupa spårkullager. Dessa komponenter säkerställer tillsammans robotens lätta vikt, precision och tillförlitlighet.

 

 

Intelligenta fördelar med motordrift

Jämfört med hydrauliska drivenheter uppvisar motordrivningar särskilt enastående intelligent prestanda vid rörelsekontroll. Till exempel använder Teslas humanoida robot servomotorteknologi med hög vridmomentdensitet, med sin intelligenta rörelsekontroll som vida överträffar traditionella hydraulsystem. Denna design tillåter inte bara realtidsåterkoppling av rörelsestatus för att säkerställa kontrollprecision utan håller också kostnaderna relativt låga, vilket gör den lämplig för storskaliga applikationer.

 

Prestandakrav för servomotorer

Som kärnan i robotaktuatorer måste servomotorer uppfylla följande prestandakrav:

• Snabb respons: Servomotorer måste starta och stoppa snabbt för att anpassa sig till högdynamiska miljöer.
• Högt startmoment-till-tröghetsförhållande: Servomotorer bör ge högt startmoment samtidigt som de bibehåller låg rotationströghet.
• Kontinuerlig kontroll och linjära egenskaper: Motorhastigheten måste justeras kontinuerligt med ändringar i styrsignalen för att säkerställa exakt utförande.
• Kompakt design: Servomotorer bör vara små i storlek och lätta för att passa in i robotens kompakta rumsliga layout.
• Hållbarhet och överbelastningsförmåga: Servomotorer måste tåla frekventa rotationer framåt och bakåt och accelerations-/retardationsoperationer och tåla flera gånger den nominella belastningen under korta perioder.

Dessa egenskaper gör servomotorer oumbärliga inom robotteknik, vilket lägger grunden för högre intelligens och stabilitet i robotar.

 

Fortsätt läsa: Hjärtat av robotrörelse - motorernas avgörande roll i precision - Del 2