Warum humanoide Roboter einen neuen blauen Ozean für kernlose Motoranwendungen eröffnen

 

Humanoide Roboter als herausragende Vertreter der Allzweckroboter und ideale Träger „verkörperter Intelligenz" profitieren einerseits von der rasanten Entwicklung der allgemeinen künstlichen Intelligenz und werden andererseits damit zur Brücke zwischen KI und der realen Welt „verkörperte Intelligenz", die sich nach und nach zur Terminalplattform für die nächste Generation allgemeiner künstlicher Intelligenz entwickelt. Bei Roboteraufgaben übernehmen KI-Großmodelle eine Schlüsselrolle bei der Argumentation und Entscheidungsfindung, indem sie durch die Analyse natürlichsprachlicher Befehle komplexe Anweisungen in ausführbare Schritte für Roboter umwandeln. Darüber hinaus verbessert die Hinzufügung multimodaler KI-Großmodelle die Genauigkeit und Effizienz des Denkens und der Entscheidungsfindung erheblich und bietet humanoiden Robotern eine wichtige Unterstützung bei der Weiterentwicklung in Richtung Generalisierung.

 

 

Die rasante Entwicklung der Robotikindustrie hängt von Innovationen bei Schlüsselkomponententechnologien und der Stabilität ihrer Versorgung ab. Bei humanoiden Robotern gelten das Untersetzungsgetriebe, das Servosystem und die Steuerung als die drei Kernkomponenten, die zusammen über 70 % der Gesamtkosten ausmachen. Darüber hinaus ist der Wert des Motors als Kernkomponente nicht zu übersehen. Bei humanoiden Robotern wie Optimus machen die Motorkosten etwa 25 % des gesamten Komponentenwerts aus.

 

Geht man davon aus, dass das weltweite Liefervolumen humanoider Roboter im nächsten Jahrzehnt 5 Millionen Einheiten erreichen wird, wird die Nachfrage nach kernlosen Motoren (ohne Eisenkerne) in diesem Zeitraum ein massives Marktwachstum verzeichnen. Basierend auf den Stückpreisen könnte der Marktzuwachs für eisenlose Motoren 350 Milliarden RMB erreichen, während der zusätzliche Markt für kernlose Motoren voraussichtlich 78 Milliarden RMB übersteigen wird. Zusammen werden diese beiden einen riesigen Markt von 428 Milliarden RMB bilden.

 

 

Im Gegensatz zu Industrierobotern, die in festen Arbeitsumgebungen eingesetzt werden, dienen humanoide Roboter in erster Linie menschlichen Alltagsszenarien. Diese Roboter benötigen nicht nur Wahrnehmungs-, Entscheidungs- und Handlungsfähigkeiten, sondern müssen auch menschliche Verhaltensmuster simulieren, um auf natürlichere Weise mit der Umwelt und den Benutzern interagieren zu können. Daher haben Motoren als Kernkomponenten von Gelenkaktuatoren direkten Einfluss auf die Flexibilität, Präzision und Stabilität des Roboters.

 

Unter den verschiedenen Antriebstechnologien weist der elektromotorische Antrieb erhebliche Vorteile gegenüber dem hydraulischen Antrieb auf. Die Antriebslösung für Elektromotoren profitiert von ausgereifter Bewegungssteuerungstechnologie und bietet Echtzeit-Feedback des Bewegungsstatus über hochpräzise Encoder, um eine genaue Steuerung zu gewährleisten. Gleichzeitig sind die Kosten für elektromotorische Antriebssysteme im Vergleich zu hydraulischen Systemen geringer und der Wartungsaufwand ist geringer. Diese kostengünstige Eigenschaft macht den Elektromotorantrieb zu einer der gängigen Optionen für die Entwicklung humanoider Roboter.

 

Unter ihnen sind kernlose Motoren aufgrund ihres geringen Gewichts, ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer geringen Trägheit zu Schlüsselkomponenten für die Verbesserung der Leistung humanoider Roboter geworden.Kernlose Motoren können eine höhere Leistungsdichte und höhere Reaktionsgeschwindigkeiten in kleinen Volumina bieten, sodass Roboter eine überlegene Leistung bei der Gelenksteuerung mit mehreren Freiheitsgraden zeigen können. Darüber hinaus haben kernlose Motoren einen geringeren Energieverbrauch, wodurch Roboter eine längere Batterielebensdauer erreichen.

 

1.1 Humanoide Roboter integrieren sich in das tägliche Leben und demonstrieren nationale technologische Stärke

Humanoide Roboter haben sich im Laufe der Zeit zu zuverlässigen Helfern im täglichen Leben des Menschen entwickelt und sind in der Lage, bei einer Vielzahl komplexer Aufgaben behilflich zu sein. Im Gegensatz zu Industrierobotern, die normalerweise in festen Umgebungen arbeiten, sind humanoide Roboter so konzipiert, dass sie sich in die tägliche Umgebung des Menschen integrieren. Diese Roboter verfügen nicht nur über Kernfähigkeiten wie Wahrnehmung, Entscheidungsfindung und Handlungen, sondern verfügen auch über menschenähnliche Bewegungseigenschaften und ein freundliches Erscheinungsbild, wodurch sie von Menschen leichter akzeptiert werden und ein Gefühl der Vertrautheit entstehen. Durch die flexible Anpassung an unterschiedliche Umgebungen weisen humanoide Roboter ein enormes Anwendungspotenzial in Bereichen wie Zuhause, Dienstleistungen und Gesundheitswesen auf.

 

Als fortschrittliche intelligente Geräte gelten humanoide Roboter als Symbole nationaler technologischer Stärke. Ihre Entwicklung erfordert die Überwindung technologischer Barrieren in mehreren Disziplinen, darunter Maschinenbau, Elektrotechnik, Materialwissenschaften, Sensorik, Steuerungssysteme und künstliche Intelligenz. Mit menschenähnlichen Erscheinungsmerkmalen, zweibeinigen Gehfähigkeiten und hochkoordinierten Bewegungssteuerungstechnologien können humanoide Roboter physische Aufgaben ausführen und über Sprache oder Mimik mit Menschen kommunizieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Robotern weisen humanoide Roboter erhebliche Vorteile bei der Mensch-Maschine-Interaktion, der Anpassung an die Umgebung und der Aufgabenvielfalt auf.

 

 

1.2 Die Entwicklung humanoider Roboter: Vom Konzept bis zur Industrialisierung

Das Konzept von Robotern existiert seit über einem Jahrhundert, und die Forschung an humanoiden Robotern begann Mitte des {0}. Jahrhunderts und erlebte einen langen Entwicklungsprozess von Laborprototypen bis zu den frühen Stadien der Industrialisierung. Die früheste Verwendung des Begriffs „Roboter" stammt aus dem Stück RUR (Rossums Universalroboter) des tschechischen Schriftstellers Karel Čapek und bedeutet Maschinensklaven, die der Menschheit dienen. Die Massenproduktion von Industrierobotern begann in den 1960er Jahren mit der Einführung des Roboterarms „UNIMATE" des amerikanischen Unternehmens Unimation, der die Ära kommerzieller Industrieroboter einleitete.

 

Die Forschung und Entwicklung humanoider Roboter begann in Japan und erreichte nach und nach die Stufen der Systematisierung und Hochdynamik:

 

Frühes Forschungsstadium (ca. 1970er Jahre): 1973 entwickelte Professor Ichiro Kato von der Waseda-Universität in Japan den ersten humanoiden Roboter der Welt, WABOT-1, und sein zweibeiniger Gehmechanismus WL-5 legte den Grundstein für den Humanoiden Roboter.

 

Technologieintegrationsphase (1980er-Jahre): 1986 begann Honda mit der Forschung am humanoiden Roboter ASIMO, und im Jahr 2000 wurde das ASIMO-Modell der ersten Generation veröffentlicht, was den Eintritt humanoider Roboter in eine hochintegrierte Technologiephase markierte.

 

Dynamic Performance Breakthrough Stage (2000-2020): Im Jahr 2016 brachte Boston Dynamics aus den USA den zweibeinigen Roboter Atlas auf den Markt, der mit seiner leistungsstarken Balancefähigkeit und Leistung beim Überwinden von Hindernissen neue Höhen in der dynamischen Bewegung und Aufgabenausführung erreichte gefährliche Umgebungen.

 

Frühes Industrialisierungsstadium (2020-heute): Im Jahr 2022 brachte Tesla den humanoiden Roboter-Prototyp Optimus auf den Markt und präsentierte auf dem Tesla AI Day hochintegrierte künstliche Intelligenz und Motorantriebstechnologie. Die 2023-Version von Optimus ist in der Lage, Objekte zu klassifizieren und präzise auszubalancieren, was signalisiert, dass humanoide Roboter sich allmählich der praktischen Anwendung nähern.

 

1.3 Tiefe Integration humanoider Roboter und Motortechnologie

Die kontinuierliche Weiterentwicklung humanoider Roboter ist untrennbar mit der Unterstützung motorischer Technologie verbunden. Als Kernkomponente der Gelenkantriebe von Robotern bestimmen Motoren nicht nur die Bewegungsleistung des Roboters, sondern beeinflussen auch seine Flexibilität und Haltbarkeit. Aufgrund ihrer hohen Präzision, ihres geringen Energieverbrauchs und ihrer Zuverlässigkeit haben sich Motorantriebe nach und nach zur am häufigsten verwendeten Antriebslösung für humanoide Roboter entwickelt. Mittlerweile stellen kernlose Motoren mit Vorteilen wie geringem Gewicht, hohem Wirkungsgrad und geringer Trägheit eine entscheidende technologische Unterstützung für die schnelle Entwicklung humanoider Roboter dar.

 

Mit weiteren Durchbrüchen in der Technologie werden humanoide Roboter in Zukunft in verschiedenen Lebensszenarien häufiger eingesetzt und der globalen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung neue Dynamik verleihen. Dies macht den Motorenmarkt, insbesondere den Markt für kernlose Motoren, zu einem neuen und mit Spannung erwarteten blauen Ozean.

 

1.4 Humanoide Roboterstruktur: Analyse der Schlüsselkomponenten

Die Schlüsselstruktur humanoider Roboter lässt sich in drei Hauptmodule unterteilen: Aktoren, Controller und Sensoren. Wichtige Komponenten wie Motoren, Untersetzungsgetriebe und Sensoren bestimmen die Leistung des Roboters. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Analyse dieser Komponenten:

 

1.4.1 Motor

Der Motor ist das Herzstück der Bewegungsausführung humanoider Roboter und umfasst unter anderem Servomotoren, Schrittmotoren, Torquemotoren und Kugelmotoren. Unter ihnen gelten Torquemotoren aufgrund ihrer Fähigkeit, ein hohes Drehmoment bei mittleren und niedrigen Geschwindigkeiten bereitzustellen, als ideal für Gelenke humanoider Roboter mit Anforderungen an niedrige Drehzahlen und hohes Drehmoment. Ihre Forschungs- und Produktionsschwierigkeiten sind jedoch relativ hoch und erfordern Durchbrüche bei technologischen Engpässen.

 

1.4.2 Reduzierer

Oberschwingungsreduzierer sind weithin für ihre kompakte Bauweise, ihr hohes Übersetzungsverhältnis und ihre überragende Präzision bekannt, was sie zu einer häufigen Wahl für Robotergelenkkomponenten macht. Ihre Haltbarkeit und Lebensdauer ist jedoch noch verbesserungswürdig.

 

1.4.3 Sensor

Sensoren spielen bei Robotern eine entscheidende Rolle, insbesondere Drehmomentsensoren, die ein wesentlicher Bestandteil der Gelenkkonstruktion sind. Diese Sensoren bilden in Kombination mit Motoren und Untersetzungsgetrieben die Gelenkbaugruppe und sorgen für eine präzise Bewegungssteuerung und Kraftrückmeldung.

 

1.4.4 Antriebsmethode für die oberen Gliedmaßen

Die oberen Gliedmaßen verwenden meist Kugelumlaufspindelkonstruktionen, die die Hin- und Herbewegung der Kugeln in eine lineare Bewegung der Spindel umwandeln. Im Vergleich zu Riemen- oder Kettenantrieben weisen Kugelumlaufspindeln eine geringere Reibung, geringere Betriebs- und Wartungskosten und eine höhere Präzision auf.

 

1.4.5 Antriebsmethode für die unteren Gliedmaßen

Planetenrollengewindetriebe, die für ihre Widerstandsfähigkeit gegen äußere Krafteinwirkungen und ihre lange Lebensdauer bekannt sind, sind zur bevorzugten Wahl für Antriebe der unteren Extremitäten geworden und eignen sich besonders für die Bewältigung komplexer Anforderungen an die Gangkontrolle.

 

1.4.6 Handgelenk

Bei Handgelenken kommen üblicherweise kernlose Motoren zum Einsatz. Diese Motoren haben ein einfaches Design, ein geringes Gewicht und sind ideale Antriebskomponenten für Fingerbewegungen, die eine feinere Steuerung ermöglichen.

 

Darüber hinaus umfasst die Lagerauswahl für Linear- und Drehgelenke Schrägkugellager, Kreuzrollenlager und Rillenkugellager. Diese Komponenten sorgen zusammen für das geringe Gewicht, die Präzision und die Zuverlässigkeit des Roboters.

 

 

Intelligente Vorteile des Motorantriebs

Motorische Antriebe zeichnen sich im Vergleich zu hydraulischen Antrieben vor allem durch ihre intelligente Leistungsfähigkeit bei der Bewegungsführung aus. Beispielsweise nutzt der humanoide Roboter von Tesla eine Servomotortechnologie mit hoher Drehmomentdichte, deren intelligente Bewegungssteuerung herkömmliche Hydrauliksysteme bei weitem übertrifft. Dieses Design ermöglicht nicht nur Echtzeit-Feedback des Bewegungsstatus, um die Steuerungspräzision sicherzustellen, sondern hält auch die Kosten relativ niedrig, wodurch es für groß angelegte Anwendungen geeignet ist.

 

Leistungsanforderungen für Servomotoren

Als Herzstück der Roboteraktuatoren müssen Servomotoren die folgenden Leistungsanforderungen erfüllen:

• Schnelle Reaktionsfähigkeit: Servomotoren müssen schnell starten und stoppen, um sich an hochdynamische Umgebungen anzupassen.
• Hohes Anlaufdrehmoment-Trägheits-Verhältnis: Servomotoren sollten ein hohes Anlaufdrehmoment bei gleichzeitig geringer Rotationsträgheit bieten.
• Kontinuierliche Steuerung und lineare Eigenschaften: Die Motorgeschwindigkeit muss sich kontinuierlich an Änderungen im Steuersignal anpassen, um eine präzise Ausführung zu gewährleisten.
• Kompaktes Design: Servomotoren sollten klein und leicht sein, um in die kompakte räumliche Anordnung des Roboters zu passen.
• Haltbarkeit und Überlastfähigkeit: Servomotoren müssen häufigen Vorwärts- und Rückwärtsdrehungen sowie Beschleunigungs-/Verzögerungsvorgängen standhalten und kurzzeitig ein Vielfaches der Nennlast aushalten.

Diese Eigenschaften machen Servomotoren unverzichtbar im Bereich der Robotik und legen den Grundstein für höhere Intelligenz und Stabilität von Robotern.

 

Weiterlesen: Das Herzstück der Roboterbewegung – die entscheidende Rolle von Motoren für die Präzision – Teil 2