宇樹機(jī)器人深度解析:驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)篇
機(jī)器人產(chǎn)業(yè)圖譜(來源:中信建投)
無框電機(jī)結(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用場景
無框電機(jī)結(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用場景
無框電機(jī)主要供應(yīng)商及市場格局
空心杯電機(jī)結(jié)構(gòu)及市場規(guī)模
先從人形機(jī)器人的電機(jī)原理,分布開始與大家開始講解!
◆宇樹機(jī)器人電機(jī)分布◆
下圖是人形機(jī)器人的電機(jī),分布,共計19個關(guān)機(jī)電機(jī),單腿關(guān)節(jié)為 5 自由度,單手臂為 4 自由度,再與腰部,頭的電機(jī) 自由組合,可以組成人體的多個自由度動作。
圖片來源:東方財富研究所、宇樹科技官網(wǎng)
該機(jī)器人結(jié)構(gòu)大致可以分為上軀、左臂、右臂、左腿和右腿五個部分,每個部分都分布有不同的關(guān)節(jié)電機(jī),用于實現(xiàn)各個方向的運(yùn)動和靈活的操作。
■上軀部分
12# 右手俯仰電機(jī):12+16個電機(jī)用于實現(xiàn)上臂的上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
16# 左手俯仰電機(jī):12+16兩個電機(jī)用于實現(xiàn)上臂的上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
13# 右手滾動電機(jī):用于右手臂的左右滾動調(diào)整。
14# 右手偏航電機(jī):用于右手的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)(偏航)。
17# 左手滾動電機(jī):用于左手臂的左右滾動調(diào)整。
18# 左手偏航電機(jī):用于左手的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)(偏航)。
6# 軀干偏航電機(jī):用于控制軀干的旋轉(zhuǎn),幫助機(jī)器人實現(xiàn)扭動動作。
■左臂部分
5# 左腿膝電機(jī):用于左腿膝蓋的彎曲和伸直。
4# 左腿俯仰電機(jī):用于左腿的上下俯仰調(diào)整。
3# 左腿滾動電機(jī):用于左腿的左右滾動調(diào)整。
■右臂部分
15# 右手肘電機(jī):用于右手肘的彎曲和伸直。
19# 左手肘電機(jī):用于左手肘的彎曲和伸直。
■左腿部分
7# 左腿偏航電機(jī):用于右腿的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)(偏航)。
5# 左腿膝電機(jī):用于左腿膝蓋的彎曲和伸直。
10# 左腿踝電機(jī):用于右腿踝關(guān)節(jié)的調(diào)整。
3# 左腿踝電機(jī):用于左腿踝關(guān)節(jié)的調(diào)整。(對應(yīng)右腿的踝部電機(jī))
■右腿部分
8# 右腿偏航電機(jī):用于右腿的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)(偏航)。
2# 右腿膝電機(jī):用于右腿膝蓋的彎曲和伸直。
11# 右腿踝電機(jī):用于右腿踝關(guān)節(jié)的調(diào)整。
10# 左腿踝電機(jī):用于左腿踝關(guān)節(jié)的調(diào)整。(對應(yīng)右腿的踝部電機(jī))
◆宇樹機(jī)器人電機(jī)參數(shù)◆
關(guān)節(jié)采用了 Unitree 自研 M107 電機(jī),具備出色的性能和特點(diǎn)。該電機(jī)的最大扭矩為 360N.m,
髖關(guān)節(jié)電機(jī)扭矩 220Nm,踝關(guān)節(jié) 45Nm,手臂關(guān)節(jié) 75Nm。
H1 人形機(jī)器人 19 個自由度,行走速度 1.5m/s,潛在運(yùn)動能力 5m/s
最大拉力(在 3.5cm 力臂等效條件下)為 10000N,采用了中空軸線的設(shè)計,使得電機(jī)在結(jié)構(gòu)上更加輕量化、緊湊化。
M107 電機(jī)還配備了雙編碼器,提供更準(zhǔn)確的位置和速度反饋,以滿足高精度控制的需求。
M107的電機(jī)核心零部件:伺服電機(jī)、減速器、控制器(均為自研自產(chǎn))
其具體參數(shù)與特斯拉對比如下圖所示:
根據(jù)圖中給出的參數(shù),M107電機(jī)相比Tesla-1和Tesla-2電機(jī)有以下優(yōu)勢:綜上所述,M107電機(jī)在提供高拉力、重量輕、高性能密度、以及具有中空軸線和雙編碼器等方面具有顯著優(yōu)勢,適用于需要高精度和高性能的應(yīng)用場景。
◆人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)行業(yè)分析◆
下文總結(jié)當(dāng)前所有人形電機(jī)的參數(shù),進(jìn)行對比分析,如下所示:
■特斯拉 Optimus 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器
設(shè)計方案:電機(jī) + 諧波減速器 + 位置/力矩傳感器 + 離合器
型號:
小型:扭矩 20Nm,重量 0.55kg
中型:扭矩 11Nm,重量 1.62kg
組件:角接觸球滾珠軸承、機(jī)械離合器、諧波減速器、交叉滾子軸承、輸入/輸出位置傳感器(編碼器)、永磁體(電機(jī))、非接觸力矩傳感器
特點(diǎn):剛性 + 離合器的設(shè)計方案,具備剛性執(zhí)行器簡單、高精度的特點(diǎn),動力傳動平穩(wěn)
■小鵬 PX5 人形機(jī)器人執(zhí)行器
小鵬PX5人形機(jī)器人(來源:小鵬官網(wǎng))
設(shè)計方案:諧波減速器 + 行星減速器
關(guān)節(jié)特點(diǎn):耐用性和可靠性高,平均無故障時間超過數(shù)千小時
控制模式:高精度力控模式,觸地感知和越障適應(yīng)能力強(qiáng)
機(jī)械臂:7 自由度,重復(fù)定位精度 0.05mm,單臂最大負(fù)載 3kg,自重 5kg,負(fù)載自重比超 0.6,最大末端線速度 1m/s
■優(yōu)必選旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器
優(yōu)必選Walker S1工業(yè)機(jī)器人(來源:優(yōu)必選官網(wǎng))
方案:大型(諧波減速器和行星減速器兩種方案)、中小型
應(yīng)用:Walker、機(jī)械臂、Alpha 系列、Cruzr、Jimu 系列、ADIBOT
大型執(zhí)行器:高密度無框力矩電機(jī)、雙位置編碼器、行星或諧波減速器、高性能處理控制器,最大扭矩 ≥200Nm
中小型執(zhí)行器:電控板集成控制算法、導(dǎo)光件顯示驅(qū)動器狀態(tài)、齒輪組動力傳輸、電機(jī)產(chǎn)生動力、舵盤連接輸出
■小米 Cyber Gear 執(zhí)行器
小米Cyberone機(jī)器人(來源:小米官網(wǎng))
設(shè)計方案:高性能伺服電機(jī) + 行星減速器 + 驅(qū)動器 + 單編絕對值編碼器
應(yīng)用:Cyber Dog 機(jī)器狗
特點(diǎn):集成設(shè)計,優(yōu)化減速器和電磁設(shè)計自研散熱系統(tǒng),扭矩密度 37.85Nm/kg,功率密度 511.04W/kg,定轉(zhuǎn)子優(yōu)質(zhì)選材,仿真算法去除 20% 重量冗余,模內(nèi)注塑內(nèi)齒圈,槽滿率 55%
控制精度:±0.2Nm@<3Nm,±0.4Nm@<8Nm,±5%@<=12N.m;FOC 控制,0-90% 峰值扭矩響應(yīng)時間 20ms
■智元 PowerFlow 關(guān)節(jié)電機(jī)
智元遠(yuǎn)征A1機(jī)器人(來源:智元官網(wǎng))
設(shè)計方案:準(zhǔn)直驅(qū)關(guān)節(jié)方案,包含行星減速器、共軛同軸雙編碼器
應(yīng)用:智元遠(yuǎn)征 A1 具身智能機(jī)器人
特點(diǎn):低齒槽轉(zhuǎn)矩設(shè)計,10 速比以內(nèi)的高力矩透明度行星減速器,一體液冷循環(huán)散熱系統(tǒng),自研矢量控制驅(qū)動器,峰值扭矩超 350NM,重量 1.6KG
■傅利葉智能 FSA 高性能一體化執(zhí)行器
傅利葉智能GR-1通用人形機(jī)器人(來源:傅利葉官網(wǎng))
設(shè)計方案:集成電機(jī) + 驅(qū)動器 + 減速器 + 編碼器
應(yīng)用:GR-1 通用人形機(jī)器人
特點(diǎn):最大關(guān)節(jié)模組峰值扭矩可達(dá) 300NM,自研一體式執(zhí)行器
■技術(shù)點(diǎn)分析
技術(shù)多樣性:各家公司采用的執(zhí)行器設(shè)計方案各不相同,從單一的諧波減速器到組合使用行星減速器,再到準(zhǔn)直驅(qū)關(guān)節(jié)方案,體現(xiàn)了技術(shù)在人形機(jī)器人領(lǐng)域的多樣性和創(chuàng)新性。
性能優(yōu)化:多數(shù)公司注重扭矩密度、功率密度和重量的優(yōu)化,通過高性能電機(jī)、優(yōu)化減速器和散熱系統(tǒng)來提升執(zhí)行器的整體性能。
集成化趨勢:多家公司采用一體化設(shè)計,將電機(jī)、驅(qū)動器、減速器和編碼器集成在一起,以提高系統(tǒng)的緊湊性和可靠性。
自研能力:多數(shù)公司展示了強(qiáng)大的自研能力,不僅在設(shè)計上有所創(chuàng)新,還在核心零部件上實現(xiàn)了自主研發(fā)和生產(chǎn)。
高精度控制:許多執(zhí)行器采用了高精度傳感器和先進(jìn)的控制算法,以實現(xiàn)精確的位置和力矩控制,這對于人形機(jī)器人的運(yùn)動精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。
◆總 結(jié)◆
人形機(jī)器人執(zhí)行器的發(fā)展呈現(xiàn)出技術(shù)多樣性、性能優(yōu)化、集成化趨勢、自研能力強(qiáng)和高精度控制等特點(diǎn)。
特斯拉、小鵬、優(yōu)必選、小米、智元、傅利葉智能和宇樹等公司都在執(zhí)行器設(shè)計上取得了顯著進(jìn)展,為人形機(jī)器人的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。
這些執(zhí)行器不僅具備高扭矩密度和功率密度,還實現(xiàn)了輕量化、高精度控制和一體化設(shè)計,為人形機(jī)器人的運(yùn)動性能、穩(wěn)定性和可靠性提供了保障。
未來,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新,人形機(jī)器人執(zhí)行器將繼續(xù)朝著更高性能、更智能化和更可靠的方向發(fā)展。
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