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人形机器人零部件市场的新机遇来临?这家企业抢跑

国际金属加工网 2023年03月23日

在不久之前,特斯拉机器人团队公布了其人形机器人设计研发的最新进展,视频中特斯拉将先进的造车理念融入机器人制造,从设想到建模,再到加工成为一个可以工作的机器人,尝试以智能高效的研发速度,重塑机械艺术。

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在这个视频中,有相当大一部分镜头都落在了Optimus的执行器上。特斯拉通过正向自主设计,重塑了这种带有电机和齿轮组的驱动系统,并实现执行器结构优化和封装,进而在后续的仿真测试和演练中,得出最合适的运动学参数,加快了研发进程。

(图为特斯拉人型直线关节电机)

这其实打破了一个既有的人形机器人认知。即人形机器人与传统机器人很大的不同点在于,其很难通过简单的零部件集成实现,如果只是单纯采购目前市面上较大的零部件,不仅所有系统所需的集成工作量呈指数型增长,还受限于部件的体积、自重,难以完成简洁紧凑的封装设计。这时候就需要人形机器人企业寻找到更合适的零部件,进行更进一步的完整系统垂直设计,从而能够完全地按照设计需求对机器人进行改善,达成快速交付和优化。

这就对于我国的人形机器人零部件领域提出了更高的要求。

近日,机器人大讲堂关注到了一家名为【因克斯智能科技】的新兴足式机器人关节电机领域技术创新者,其扎根于小型双足人形机器人领域,推出了两款极具竞争力的关节模组,或许有望推动人形机器人迎来市场的爆发期。

(图为因克斯智能科技EC-A8112-P1-18)

▍小领域,大未来

2023年以来,人形机器人的热度得到了显著提升。3月1日,工业和信息化部部长金壮龙在国新办新闻发布会上明确表示,工信部将研究制定未来产业发展行动计划,加快布局人形机器人等前沿领域,这引发业内新一轮对于人形机器人的热议。有分析认为,人形机器人作为机器人领域的通用型机器人,与电动汽车一样均属于变革性产业,其产品创新应用正处于起步阶段,在未来的持续产品形态创新和商业化上仍有非常大的空间。

然而,无论是马斯克的Optimus机器人还是优必选的Walker机器人,都表明人形机器人作为一个零部件集成度非常高的实体,其落地进程与技术进步密切相关。这意味着当前要实现人形机器人产业的高质量发展,必然首先需要努力实现关键核心技术突破。

运动关节模组就是人形机器人的核心部件之一,从特斯拉、小米等企业公布的原型机概念图可以发现,人形机器人大多都需要较多的运动关节模组才能实现较为灵敏的运动学要求,因为满足可行走、拿取,甚至拧螺丝、揭幕布等精细操作,往往要求更高的控制精度和响应速度传动系统,这对于运动关节模组的自重、体积、功率密度提出了更进一步的要求。

人形机器人概念逐渐升温后,投资机构纷纷加码了潜在产业链上的多个受益标的,双环传动、绿的谐波、拓普集团等机器人零部件厂商的估值进一步抬升。但实际问题是,这些零部件生产企业所制造的核心零部件,很难说真正适用于人形机器人。

一直以来,人形机器人的研究在很多高校实验室和企业都在进行,但据了解,在研发早期,大多时候他们都是使用伺服电机+谐波或者摆线减速器来搭建自己的机器人。这导致做出来的机器人除了成本昂贵以外,还肉见可见得迟钝且笨重,这背后就意味着关节性能跟不上、控制复杂等问题。

国内一直以来其实都有企业进行人形机器人部件相关研究,例如最早机器人大讲堂报道过INNFOS的NE-30以及后续多家协作机器人正加紧开发的一体化关节,其实都有望进一步应用在人形机器人领域。

而如今,因克斯智能科技所研发推出的两款关节模组,无疑更是让人眼前一亮。

(图为因克斯智能科技EC-A4310-P2-36)

▍提升科研价值

因克斯智能科技所推出的两款关节模组具有很明显的特征,峰值扭矩密度大、重量轻。

我们从因克斯智能科技官网公布的参数来看,一款名为EC-A8112-P1-18的产品峰值扭矩90Nm,重量840g,另外一款名为EC-A4310-P2-36的产品峰值扭矩36Nm,重量仅为377g。

(图为因克斯智能科技两款产品参数)

对于人形机器人的研发来说,一直以来受到硬件和调试困扰,具备峰值扭矩和重量这两个特征优势的关节模组,对于人形机器人的研发非常明显。

一方面,就成本而言,从一个更小型、更轻量的机器人入手,采取统一的关节模组设计而来的机器人,综合采购成本会有一定程度的降低,可以让科研人员使用更加便捷,加速研发进程,省去将不同产品磨合在一起的时间,整体稳定性也会更加明显,这使得在成本和调试时间上无疑更具优势。

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(视频展示了峰值扭矩90Nm测试情况)

另一方面,由于这两款产品的峰值扭矩/重量都很高,对足式机器人而言,峰值扭矩/重量越大,意味着机器人的承载能力、行走能力都会得到提高。这有望进一步减轻人形机器人的体积和重量,让最终整机产品更具有优势,同时设计上也容易朝着更简洁方向优化。

除了这两个关键特征,机器人大讲堂还发现,因克斯智能科技的两款产品目前都配备双编码器。双编码器的优势不言而喻,该方案在协作机器人上应用较多,在四足机器人上价值同样明显。

在此前,市面上大部分四足关节是不具备双编码器,这导致掉电输出端的零点会丢失,因此在一些实验室,四足机器人开机的时候往往需要将腿摆放到特定位置,每次开机需要人工干预,而有了双编码器,断电后重启也能反馈输出端的位置,开机不需要机器人的关节摆动到特定位置。

(图为因克斯智能科技产品剖面图)

▍产品诞生的背后

人形机器人零部件的研发并非一蹴而就,许多问题涉及到复杂的多学科交叉。例如为了提高机器人的机动性、控制的效果,人形机器人有的一些关节转速需要达到120rpm以上,又有时候需要衰减到20rpm,这就需要机器人关节模组的研发,除了需要功率密度,其实还需要进一步考虑到常用扭矩下的效率、发热,需要的最高转速等等因素。

据机器人大讲堂了解,在研发两款关节模组时,因克斯智能科技就考虑到了具体应用到人形机器人场景下的多个难点痛点问题。据因克斯智能科技介绍,打造这两款的初衷不同,其中一款主要是基于客户需求,需要让30Kg四足机器人(其中机器人本体重18kg,负载12kg)能够长时间工作,其主要优势在于电机不会过热损坏,同时也能满足更多其他机器人产品的需求。另外一款则主要是想应用于企业搭建轻量化的机械臂,从而能够搭载在四足机器人、农业采摘机器人、足式机器人上。

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(视频展示了持续扭矩30Nm测试情况)

由于四足机器人在行走过程中,其实对电机的负载是间断性的冲击载荷,这就很难在理论和仿真上计算出电机合适的设计参数。为了达到客户的实际要求,因克斯智能科技通过高强度测试积累了大量的四足机器人行走数据,然后进行必要的热力学仿真,并准确地对主要发热关节电机进行了优化处理,实现了其在正常踏步工况下触地时,关节负载力矩能小于其峰值力矩的1/5,从而才能将电机最高平衡温度应该在100度以内,实现了四足机器人长时间稳定工作。

在此基础上,因克斯智能科技的研发人员由经过反复的仿真设计与打样测试,平衡众多设计参数,耗时半年,最终才得到了EC-A8112-P1-18这款峰值扭矩高达90Nm,重量仅有840g,同时最高输出转速152rpm的产品。

(EC-A8112-P1-18官网宣传截图)

EC-A4310-P2-36的诞生初衷也同样来自于需求。在此之前,因克斯智能科技的研发人员发现,市面上绝大多数足式机器人的关节模组都几乎采用无刷电机。究其原因,则是因为无刷电机的kv值较高,可以提高机器人的响应速度,然而这就导致机器人关节很难进行低速控制。在工业场景中,许多厂商忽视了该痛点,但人形机器人的应用场景,尤其是与人交互的应用场景,却不得不面对这种大力与小力之间快速且合理切换的问题。

(EC-A4310-P2-36官网宣传截图)

因克斯智能科技的研发人员通过大量的实验发现,要想实现例如空载转速3000rpm的无刷电机控制到20rpm且转速平稳,除了电机本身要做齿槽转矩优化以外,控制算法上也需要做相应的优化。

为此,EC-A4310-P2-36不仅通过正向研发设计,最终硬件能力上实现了额定扭矩高达12Nm,峰值扭矩可以高达36Nm,重量却仅有377g。在算法上,在试过PID、滑膜控制、ADRC等算法后,因克斯智能科技的研发人员发现这些都很难满足要求,于是经过团队的不断努力,又自主研发出了高速无刷电机低速控制算法,可以实现0到峰值转速的95%定速控制,且转速波动非常平稳。

(图为A4310高低速控制测试演示)

该种算法配合带双编码器的,不仅控制模式上可实现伺服控制、力位混控、力矩控制等随时无缝切换,还可以做到负载自适应,运动平稳。机械臂的一个应用场景为例,采取该算法的机械臂,可以重量更轻却负载能力更大、速度更快,同时其还既可以进行搬石头等粗操作,也可以进行精细的操作。

(图为A4310精度控制测试演示)

根据两款产品的不同,机器人大讲堂认为,EC-A8112-P1-18或许主要可以适用在30kg以下四足的三个关节、小人型机器人(20kg以内)的大腿关节、膝关节上。而EC-A4310-P2-36则可适用于桌面机械臂、小人型机器人(20kg以内)的髋关节、踝关节、上半身关节等。

(图为人型机器人及关节模组使用位置示意图)

(图为采取因克斯智能科技产品搭建的轻量化机械臂)

▍结语与未来

无论是工信部专门出台了人形机器人的政策,还是资本市场对于人形机器人领域的推动,人形机器人在国家战略层面的推动下,已经可以预见将会迎来一个快速发展期,人形机器人的落地或许比我们想象中的要快。

而一个很明确的逻辑就是,这必然带动上游零部件企业快速成长。因为人类有超过200+个自由度,其中手部就有27个自由度,但人类快走的功耗只有500W。而当前人形机器人大多才只有有20个关节模组,功耗也非常高。

目前,人形机器人的设计研究,还很大程度上依然取决于设计目标中定义的具体任务和功能,但降低功耗的同时又具有类人的平衡/运动能力、高度的灵活性且智能化程度极高,或许已经成为一个明确的软硬件开发方向。这其实就与因克斯智能科技的产品研发方向不谋而合。

如果因克斯智能科技能够紧跟人形发展浪潮,不断优化和突破用于人形机器人的关节模组,我们相信,随着人形机器人的未来市场空间不断扩大,未来2—5年人形机器人数亿美元的市场潜力释放并暴涨到几百亿美元,那么以每个关节模组数千元人民币的价格计算,整个关节模组市场潜力无疑远超预估,因克斯智能科技也将快速获得突破十亿元的市场空间。

由此可以判断,这赛道具备强技术实力的领军企业,值得资本与企业投资开发。

(Jack 机器人大讲堂)

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