Роль двигателей в человекоподобных роботах: ключевые технологии и области применения.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока

Бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют безжелезную конструкцию ротора, что обеспечивает высокую эффективность, высокую скорость, длительный срок службы и низкое трение. Благодаря устранению вихревых токов и потерь на гистерезис, эти двигатели обеспечивают высокую эффективность. двигатели в робототехнике работают более плавно и обеспечивают превосходное рассеивание тепла.

Основные характеристики:

Ротор без железа: В нем используется чашеобразная конструкция обмотки, исключающая вихревые токи и потери на гистерезис, что обеспечивает КПД более 80%.

Высокая скорость и низкая инерция: способен развивать скорость более 10 000 об/мин, реагируя в 3-5 раз быстрее, чем традиционные двигатели.

Высокая удельная мощность: компактные размеры (всего 6 мм в диаметре) и легкая конструкция делают их идеальными для применения в условиях ограниченного пространства.

Приложения:

Ловкие руки: в человекоподобном роботе Tesla Optimus используются бесколлекторные двигатели, применяемые в человекоподобных роботах , в каждом суставе пальцев, что обеспечивает точный захват благодаря скоординированному многомоторному управлению. Большой палец использует двухмоторный привод как для сгибания, так и для боковых движений, в то время как остальные четыре пальца имеют каждый свой отдельный двигатель, что позволяет деликатно обращаться с хрупкими предметами, такими как яйца.

Бескаркасные моментные двигатели

Бескаркасные моментные двигатели компактны, легки и обладают низкой инерцией, что делает их идеальными для применений, требующих высокого крутящего момента в ограниченном пространстве. Ротор устанавливается непосредственно на механический вал робота, а статор интегрирован в конструкцию робота.

Основные характеристики:

Компактная конструкция: безрамная конструкция уменьшает объем двигателя на 40% и вес на 30%.

Высокий крутящий момент: пиковый крутящий момент может достигать 3500 Н·м, а гармонические редукторы обеспечивают передаточное отношение более 1:1000.

Высокая термостойкость: используются высокотемпературные изоляционные материалы, обеспечивающие непрерывную работу при температурах до 180°C.

Приложения:

Поворотные приводы: Робот Tesla Optimus использует 14 бескаркасных моментных двигателей в плечах и запястьях в сочетании с гармоническими редукторами, чтобы выдерживать экстремальные крутящие моменты в 30 кг·м.

Сервомоторы

Сервомоторы обеспечивают высокоточное управление движением, что делает их идеальными для динамических суставов, таких как плечевые и локтевые.

Приложения:

Boston Dynamics Atlas: Использует 28 сервомоторов в сочетании с гидравлической системой, что позволяет выполнять сложные маневры, такие как сальто назад.

UBTECH Walker X: Оснащен сервомотором, имитирующим движения человекоподобного робота, с крутящим моментом 80 Н·м, обеспечивающим устойчивую ходьбу по неровной местности.

Шаговые двигатели

Шаговые двигатели обычно используются в системах с низкой нагрузкой и низкой динамикой.

Приложения:

Вращение головы: В легких человекоподобных роботах, таких как робот Pepper, для плавного горизонтального вращения головы используются шаговые двигатели.

Регулировка модуля технического зрения: используется в экспериментальных подвесах для камер для точной микронастройки.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока (BLDC) обеспечивают высокую скорость вращения (10 000–20 000 об/мин) и низкие требования к техническому обслуживанию, но имеют ограниченную плотность крутящего момента (30–50 Н·м/кг) и низкую точность управления скоростью.

Приложения:

Роботы на колёсах: Xiaomi CyberDog использует бесколлекторные двигатели постоянного тока для привода колёсных ступиц.

Вспомогательное питание: Некоторые человекоподобные роботы используют бесщеточные двигатели постоянного тока для вращения талии и размахивания руками.

Линейные двигатели

Линейные двигатели обеспечивают высокоскоростное и высокоускоренное движение, но требуют точных направляющих механизмов и являются дорогостоящими.

Приложения:

Гепард из Массачусетского технологического института: использует линейные двигатели в задних лапах для достижения скорости 30 км/ч, ускорения 2,5 м/с² и задержки реакции менее 1 мс.

В двигателях с осевым потоком траектория потока параллельна оси ротора, что снижает инерцию ротора на 50% и обеспечивает удельную мощность до 150 кВт/кг.

Приложения:

ETH Zurich: Разработаны биомиметические ноги, приводимые в движение осевыми двигателями с плотностью крутящего момента 200 Н·м/кг.

Робот Agility Robotics Cassie: Использует осевые двигатели для динамической ходьбы.

В связи с растущим спросом на человекоподобных роботов, отечественные производители активно развивают эту область. человекоподобный робот-мотор технологии, позволяющие конкурировать с мировыми лидерами.

Компания Green Harmonic поставляет редукторы гармоник для прибора Tesla Optimus, обеспечивающие точность до 1 угловой минуты и срок службы более 20 000 часов.

Компания Moons' Electric: серийно выпускает 16-миллиметровые бесколлекторные двигатели с удельным крутящим моментом, сопоставимым с двигателями Maxon, широко используемые в медицинских роботах.

Компания Leadshine Technology разработала безрамные моментные электродвигатели третьего поколения с технологией герметизации, обеспечивающие пыле- и водостойкость по стандарту IP67.

Технология двигателей играет решающую роль в разработке человекоподобных роботов, напрямую влияя на их маневренность, точность и функциональность. От высокоскоростных бесколлекторных двигателей до высокомоментных бескаркасных двигателей — каждый тип выполняет свою специализированную роль в достижении движений, подобных человеческим. По мере дальнейшего технологического прогресса отечественные производители сокращают отставание от мировых конкурентов, расширяя границы человекоподобной робототехники.