换道超车,新能源企业积极布局人形机器人赛道.pdf

一、新能源精密加工企业同源技术拓展,积极布局机器人产业链
人形机器人蓬勃发展,政策支持、产品技术进步、产业链公司积极投入、需求空间广阔共同推动机器人产业链快速前进。新能源精密加工企业通过同源技术拓展,积极布局机器人产业链,开拓新的业务增长空间。人形机器人控制精度要求高,包括旋转关节、直线关节、灵巧手等执行部件,进而对结构中零部件的精度要求同步提高,其中减速器、无框力矩电机、空心杯电机、丝杠又是重要组成零件,叠加机器人零件对空间、重量敏感,对零部件提出了全方位要求。新能源精密加工企业,在现有新能源业务中,部分零部件同样适配机器人产品,新能源精密加工企业积极进行同源技术拓展,寻求新的业务增长空间。
(一)旋转关节、直线关节、灵巧手实现运动功能
人形机器人一般采用关节形式进行驱动,关节模组的一般部件包括:减速器、伺服驱动器和控制器、伺服电机、伺服编码器、传感器和其他机械部件。驱动器和控制器可以实现驱动和控制的功能;电机常用无框力矩电机;编码器绝对式和相对式编码器,绝对式编码器放置在关节输出端采集关节角度,相对式编码器放置在电机末端,采集电机的速度;制动器使旋转关节可以实现紧急制动;减速器最常用谐波减速器,此外还有RV减速器、行星齿轮减速器等;传感器可以使关节的控制方面更加精确;其他机械部件包括螺钉、轴承、机械加工件。
直线关节不需要制动器,但需要另加行星滚柱丝杆。直线关节具有以下优势:空间利用率高,相比传统旋转执行器分布于关节附近,线性执行器可以纵向布局,最大限度利用腿部内部空间,布置更大更长的高功率电机,提供更大的推动力,如Optimus的一台执行器可以吊起一台钢琴;降低腕关节的尺寸,捉高路径的灵活性,降低前臂对视觉构建及视觉位置反馈的干扰,提升控制精度;线性执行器的螺杆传动机构通过合理设计可以具备自锁能力,即下半身不动时可以自动锁定姿态,不耗能,形成一个低功耗且稳定的底部支架。如果采用传统抱闸制动电机方案,制动器占用额外重量且提供的制动力矩也较小。灵巧手是人形机器人硬件部位中成本占比较大、边际变化相对更加重要、应用落地影响更明显的部件。按照驱动方式可以分为电机驱动式、舵机式、气动驱动式、形状记忆合金驱动式和人工肌肉驱动式;按照传动方式可以分为齿轮传动式和腱绳传动式。
特斯拉更新Optimus灵巧手方案。特斯拉2024年10月11日,特斯拉展示了Gen 3灵巧手模型,自由度从Gen2的11个提升至22个,其中灵巧手的食指、中指、无名指分别具有4个自由度,拇指以及小指分别具有5个自由度。与第二代灵巧手相比,第三代灵巧手在每个手指环节增加了远端关节和中间关节自由度,近端关节增加了外展和内收自由度,在小指处增加了一个转轴,使得第三代灵巧手小指拥有更高的灵活度,有利于自适应抓取和进一步手内操作潜力的发掘。
(二)无框力矩电机和空心杯电机是主要动力传输零件旋转关节、直线关节预计使用无框力矩电机。无框力矩电机是去掉轴、轴承、外壳、反馈或端盖的伺服电机,只包含定子和转子。无框力矩电机让机器结构设计不再受制于电机壳体的束缚,利用机器的自身轴承支撑转子,中空形式便于将电机和线束内置于机器设计中,具有刚度高、效率高、静音、稳定性高、低维护性等优点。但是,无框力矩电机需要一体化设计,根据具体的机械设计尺寸来确定无框力矩电机的外形尺寸和扭矩/转速性能。
灵巧手预计使用空心杯电机。空心杯电机没有其他支撑结构,由导线绕制而成的线圈通过连接板和换向器、主轴链接到一起,共同组成了转子,线圈在磁铁和外壳之间的缝隙中旋转,从而带动整个转子旋转。这种结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗,由于转子重量大幅降低,所以转动惯性减小,相比传统铁芯电机,大扭矩急加速急减速性能突出。因此空心杯电机具有体积小、效率高、功率密度高、可控性高、噪音小、散热效果好等很多优点。

 

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