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灵巧手成为机器人竞争下半场,但空心杯电机要失宠了?

Felix分析 来源:电子发烧友 作者:吴子鹏 2024-10-30 01:09 次阅读

电子发烧友网报道(文/吴子鹏)当前,在人形机器人的发布会现场,机器人手部展示已经成为重点,尤其是手部的准确性和自由度展示。近日,特斯拉CEO埃隆·马斯克在透露下一代人形机器人Optimus(擎天柱)细节时也特别谈到了灵巧手。他表示,下一代Optimus的手部将有22个自由度,前一代版本拥有11个自由度,“它看起来非常像人类的手,可以弹钢琴,甚至可以弹吉他。”


从10+自由度到20+自由度,是机器人灵巧手下一步升级的主流趋势,可以让机械臂和机器人在科研、通用泛化、工业和服务场景有更加广泛的应用,也能够进一步替代传统人类的工作。

作为灵巧手的核心零部件,电机驱动在机器人这一波升级中将迎来巨大的市场机遇,因为手部自由度的增加也就意味着电机驱动系统数量的增加,因此灵巧手对于电机用量的带动是非常明显的,将会进一步推动电机技术发展。

第二代Optimus灵巧手放弃空心杯电机?

在Optimus官方账号发布第二代Optimus展示视频不久,有分析师表示,特斯拉Optimus第二代人形机器人相比第一代,灵巧手的电机数量翻倍,腱绳长度增长10倍,但第二代灵巧手用空心杯电机的必要性下降,空心杯电机虽体积小、启动速度快、转速高,但力量不够大,而特斯拉要做力量更大的高负载灵巧手,普通带铁芯的直流无刷电机BLDC)也可满足需求。

目前,灵巧手动力源可分为电机驱动、气压驱动(气动)、液压驱动与形状记忆合金驱动。其中,电机驱动的优势是驱动力大、控制精度高、响应速度快、模块化设计、易于更换和维护,此外电机驱动有利于控制芯片实现模块化控制,因此目前电机驱动是灵巧手设计的主流方式。

在上一波灵巧手设计上,空心杯电机是厂商的主流选择。空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电动机,其电枢绕组为空心杯线圈,形状类似水杯,因此被称为“空心杯电机”。

作为微特电机的一种,空心杯电机重量和转动惯量大幅降低,从而减少定/转子自身的机械能损耗。由于定转子结构变化而使电机的运转特性得到极大改善,节能表现也更加突出,还具备铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。此外,由于体积大幅缩小,空心杯电机的能量密度比其他电机大得多,与同等功率的铁芯电机相比,重量可减轻一半。得益于这些优势,空心杯电机被认为是目前市场上性能最为卓越的电机解决方案之一,成为人形机器人灵巧手的理想选择。

在上一代Optimus人形机器人上,空心杯关节由空心杯电机+多级行星减速器+蜗轮蜗杆+位置传感器(双编)+驱动器+金属腱绳构成。其中,空心杯电机是其灵巧手中的核心零部件,Optimus单只灵巧手主要有6个空心杯关节(空心杯驱动器/执行器)驱动,大拇指三个自由度,相比其余手指多了一个内收外展的自由度,由两个执行器驱动,其余手指均为两个自由度,分别由一个执行器驱动。

从供应来看,目前空心杯电机的供应主要还是依赖国际厂商,市场的主要份额也基本集中在MAXOON和Faulhaber等国际头部空心杯厂商。天风证券此前在研报中指出,无刷空心杯电机海外以MAXON做得较好,国内鸣志电器、鼎智科技、恒帅股份可做,预计特斯拉量产后,单个人形机器人空心杯电机价值量=600元*12个手部关节算=0.7万元。

综上所述,得益于体积小、转速高、响应快、精度高等优势,空心杯电机在人形机器人灵巧手方面的应用依然前景大好。

BLDC会成为灵巧手的新宠?

虽然空心杯电机的优势非常多,不过在特斯拉看来空心杯电机的力量不够大,因此BLDC是更好的选择。

虽然有铁芯,不过BLDC仍然具有很多突出的优势。比如,BLDC电机具有高效率的优势,其采用了‌电子控制器,可以更精确地控制电流和转矩,从而提高电机的效率;具有高可靠性的优势,由于没有刷子,BLDC电机的维护要求较低,寿命更长;具有高速度范围的优势,BLDC电机可以在广泛的转速范围内运行;具有‌‌动态响应高的优势,由于定子中的低惯性和承载绕组,BLDC电机的动态响应更高;具有体积小的优势,且重量也很轻。

在人形机器人领域,无框型BLDC应用广泛,无框电机去除了多余的组件,工程师可直接将外壳、轴承、轴、联轴器及其他组件集成到极为紧凑的应用设计中。因此,理论上无框电机也可以用于灵巧手设计,比如科尔摩根指出,在紧凑型执行器的应用中,无框电机支持紧凑强大的执行器设计,无论是直接驱动负载还是通过紧凑的谐波、行星或摆线减速机,都能实现充分紧密的运动控制集成。

不过,就像上面谈到的,空心杯电机对于有铁芯电机的优势是非常明显的,即便是无框型BLDC,想要达到空心杯电机的设计效果,还需要很多方面的优化。同时,为了得到更好的控制效果,基于通用MCU的BLDC控制恐怕难以满足灵巧手的需求,专用控制芯片预计将是更好的方案。在专用控制芯片里,设计人员可以根据应用,灵活集成PWM控制器电流感应、位置传感接口和保护电路等外围器件。

因此,BLDC是否会成为灵巧手的新宠,还要看新一代Optimus人形机器人在灵巧手方面的表现。

结语

空心杯电机具有体积小、转速高、响应快、精度高等优势,因此在上一代人形机器人的灵巧手打造上,空心杯电机是主流方案,并得到了行业的一致好评。不过,现在特斯拉认为空心杯电机力量不足,因此想要将BLDC作为灵巧手的主要电机,成效如何,我们拭目以待。

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