Когда человекоподобные роботы станут коммерчески доступными и почему их цена так трудно снижается?

При огромных инвестициях в индустрию человекоподобных роботов, они явно движутся к массовому производству. Однако фундаментальный вопрос остается: почему их цена все еще так трудно снижается?
Даже Китай, часто называемый фабрикой мира, не смог произвести действительно дешевых человекоподобных роботов.

Например, Unitree H1 стоит около 650 000 юаней, а Unitree G1, который лишен дорогих ловких рук (и поэтому не может строго считаться полноценным человекоподобным роботом) и значительно сокращает степени свободы, все еще стоит 99 000 юаней.

Основная причина заключается в одном неизбежном требовании: высокая степень свободы.
Высокая степень свободы (DOF) необходима для человекоподобных роботов, и это напрямую приводит к тому, что модули суставов составляют стабильно высокую долю от общей стоимости системы.

Почему человекоподобные роботы такие дорогие?

В человекоподобных роботах суставы составляют примерно 60%–70% от общей стоимости.

Взяв Tesla Optimus в качестве примера:
Типичный человекоподобный робот имеет 28 приводов, равномерно разделенных между линейными и вращательными приводами.

Вращательные приводы в основном состоят из:
бескорпусного серводвигателя + гармонического редуктора + драйвера двигателя + муфты + датчика силы + энкодера

Линейные приводы, подобные человеческим мышцам, в основном состоят из:
бескорпусного серводвигателя + планетарного винта / трапецеидального винта + драйвера двигателя + датчика силы + энкодера

Все 28 суставов Tesla Optimus используют бескорпусные моментные двигатели в качестве основного источника энергии.

Среди них:

14 вращательных суставов используют бескорпусный моментный двигатель + гармонический редуктор

14 линейных суставов используют бескорпусный моментный двигатель + планетарный винт

Базовая версия Unitree G1 оснащена 23 бескорпусными двигателями, каждый из которых стоит примерно 190–285 долларов США, что приводит к общей стоимости двигателей суставов около 4 300–6 900 долларов США.

Почему суставы так важны в человекоподобных роботах?

Суставы роботов являются ключевыми элементами, обеспечивающими человекоподобные движения.
Только модули суставов с ультравысокими передаточными числами, чрезвычайно высокой плотностью момента и почти нулевым люфтом — а именно гармоничные модули суставов — могут обеспечить действительно человекоподобные, естественные движения.

Хотя модули суставов значительно влияют на общую стоимость, на текущем этапе технологий гармоничные модули суставов остаются единственным решением, обеспечивающим оптимальный баланс между размером, весом, точностью и моментом. Это делает их незаменимыми.

Почему бескорпусные моментные двигатели так важны в суставах человекоподобных роботов?

Индустрия человекоподобных роботов почти исключительно использует бескорпусные двигатели в суставах.
Бескорпусный моментный двигатель — это тип синхронного двигателя с постоянными магнитами, который сохраняет только ядро, генерирующее момент и скорость, традиционного двигателя — без вала, подшипников, корпуса или крышек.

Бескорпусный двигатель состоит только из двух частей:

Ротор: внутреннее вращающееся стальное кольцо с постоянными магнитами, установленное непосредственно на вал машины

Статор: внешний компонент с ламинированной сталью и медными обмотками, плотно установленный внутри механического корпуса для генерации электромагнитной силы

В отличие от обычных серводвигателей, которые оцениваются в основном по выходной мощности, бескорпусные моментные двигатели оцениваются по выходному моменту.

Приводимый в действие драйвером, драйвер управляет трехфазными токами UVW для генерации магнитного поля, которое приводит в движение ротор с постоянными магнитами. Обратная связь может быть обеспечена через датчики Холла или внешние энкодеры, позволяя драйверу сравнивать фактическую обратную связь с целевыми значениями и точно регулировать положение ротора для достижения сервоуправления.

Ключевое преимущество бескорпусных двигателей заключается в их высокой плотности момента и мощности, а также отличной эффективности по объему и весу.
Увеличивая заполнение пазов статора (встраивая больше медных обмоток) и оптимизируя конструкцию (легкость, тонкие профили), бескорпусные двигатели обеспечивают мощный момент в ограниченном пространстве — что делает их идеальными для человекоподобных роботов, где критичны размер, вес и динамическая производительность.

Их высокоплотные характеристики включают:Более высокую выходную мощность в том же объеме,Меньший размер при том же уровне мощности,Более низкий температурный подъем

Благодаря интегрированной конструкции и оптимизированным процессам заливки, энергоэффективность и надежность также значительно улучшаются.

Почему редукторы так важны в суставах человекоподобных роботов?

При сравнении гармонических редукторов, RV-редукторов и планетарных редукторов, гармонические редукторы в настоящее время являются оптимальным решением для суставов верхних конечностей человекоподобных роботов.

В гармонических передачах:30%–50% всех зубьев одновременно находятся в зацеплении,Ошибки усредняются по множеству зубьев, обеспечивая взаимную компенсацию,Точность передачи чрезвычайно высока, с люфтом, контролируемым в пределах 1 угловой минуты,При том же классе точности зубчатых колес, ошибка передачи примерно в четыре раза меньше, чем в традиционных системах цилиндрических зубчатых колес.

Незначительно регулируя радиус волнового генератора для увеличения деформации гибкого колеса, люфт можно уменьшить почти до нуля или даже полностью устранить — что делает гармонические передачи особенно подходящими для частого реверсивного движения.

Как работают гармонические редукторы?

Гармоническая передача основана на взаимодействии между волновым генератором и гибким колесом.
При вращении волнового генератора его эллиптический профиль вызывает периодическую упругую деформацию гибкого колеса. Поскольку гибкое колесо и круговое колесо отличаются по количеству зубьев (обычно на два зуба), положение зацепления непрерывно смещается.

На каждые 180 градусов вращения волнового генератора, положение зацепления гибкого колеса перемещается на один шаг зуба по окружности. Это накопленное относительное смещение создает разницу в скорости между гибким колесом и круговым колесом.

В результате, когда волновой генератор завершает один полный оборот, гибкое колесо вращается только
(разница в зубах / зубья кругового колеса) × 360 градусов,
достигая очень высокого передаточного числа.

Гармонический редуктор является критически важным компонентом гармонического модуля сустава.
Двигатель и гармонический редуктор должны быть правильно согласованы по мощности — ни слишком маленькими, ни слишком большими. При проектировании суставов параметры редуктора (момент, скорость) должны быть определены в первую очередь, а затем выбран соответствующий двигатель.

Высокая цена человекоподобных роботов вызвана не премией бренда, а сложностью инженерных решений и трудностью точного производства.

Каждый сустав в человекоподобном роботе должен одновременно достигать:Высокой точности,Легкого веса,Высокого выходного момента,Долгосрочной надежности.

Только когда каждый сустав соответствует этим строгим требованиям, весь робот может работать плавно, безопасно и естественно. Это основная причина, по которой стоимость высокопроизводительных человекоподобных роботов остается трудно снижаемой.