人形机器人产业化,国产伺服系统有望迎来 加速增长

文:编辑部2024年第1期

  2024 年以来,人形机器人早已炙手可热。最近一个月时间,特斯拉三次发布人形机器人擎天柱 (Optimus) 性能更新迭代视频;沉 寂许久的波斯顿动力放出一段人形机器人 Atlas 拾起并搬运汽车零部件的视频;Figure 发布 OpenAI 大模型加持的机器人 Figure 01 演 示视频,能听人话且可同时执行两种任务。

  人形机器人主要伺服方案

  人形机器人火热的核心逻辑,其实是离不开 AI 软件和硬件 的发展,而大模型的进步更是让这个市场的想象空间变大,成 为推动行业长远发展的重要因素。机器人技术是感知、决策、 行动和交互技术的结合,可以分为控制部分、传感部分和机械 部分,又可细分为六个子系统,分别是人机交互系统、控制系统、 驱动系统、机械结构系统、感知系统、机器人 - 环境交互系统。

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  驱动系统又称伺服系统,是一种以机械位置或角度作为控 制对象的自动控制系统 ; 例如,通过结合计算机视觉和语音识 别技术,伺服系统可以更准确地识别人类的动作和语言,从而 更好地模拟人类的行为和交流。伺服系统还可以与其他智能系统进行链接,形成更智能化的人形机器人。例如,将伺服系统 与自主导航系统相结合,可以使机器人更好地自主导航和避障 ; 将伺服系统与情感识别系统相结合,可以使机器人更好地理解 和回应人类的情感。

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  人形机器人的性能和精确度需要不断提高,以实现更真实、 更灵活的动作和行为。与常见工业机器人 2-6 的自由度相比, 人形机器人通常有 30-40 自由度,单台伺服电机需求量大幅增 加,人形机器人产业化有望推升伺服系统需求。当前各人机产 品在关节驱动器零部件选用细节上略有差异,主要与驱动器方 案的选择有关,理论上每个关节对应一个伺服系统,各家人形 的伺服方案出于应用场景与制造成本之间权衡的结果,又各自 有较大的不同。特斯拉 Optimus 人形机器人拥有 40 个自由度, 优必选人形机器人 walke X 含有 41 个高性能伺服驱动关节,达闼机器人 Cloud Ginger 2.0 采用 41 个柔性智能关节,傅利 叶通用人形机器人 GR-1 全身更是多达 51 个自由度。

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  国产伺服有望迎来加速发展

  伺服系统是使系统终端执行结构根据控制指令实现包括位 移、转速和力矩等多维度动作的设备总称,主要包括伺服驱动器、 伺服电机两部分。伺服驱动器接受上位机发送的信号,转换为 功率信号 ( 即能够控制电机的电流 ) 驱动电机工作,编码器作 为核心传感器将电机实时位置传送回驱动器,驱动器及时修正 信号指令,确保电机位置、转向、转速满足预定要求。

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  据睿工业数据显示,2023-2026 年,人形机器人软硬件、 集成等技术仍不成熟,该阶段仍以小批量测试为主,众多厂商 进入,但实际出货量不超过千台; 2027-2030,人形机器人技 术初步成熟化,将率先在工业装配、特种行业 ( 消防等 )、医疗、养老等行业得到应用,出货量将快速提升,乐观估计,到 2030 年全球人形机器人出货量将接近 20 万台,市场规模超千亿元。

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  从入局人形机器人赛道玩家来看,以波士顿动力、 Engineered Arts、 优 必 选 为 代 表 的 传 统 玩 家,Figure AI、 Sanctuary AI、Apptronik、智元机器人、宇树科技为代表的初 创公司,特斯拉、宝马、奔驰、小鹏等汽车公司,以及小米、 科大讯飞、百度等互联网大厂内外资、新旧力量、跨界巨头等 多方势力竞争将重塑人形机器人市场格局。

  2023 年人形机器人入局玩家较少,但预测 2024 年厂商将 破百家;到 2030 年,全行业玩厂商破千家,预计未来将看到 更多来自国内的厂商。在人形机器人商业化加速的背景下,凭 借技术上的突破、性价比等优势, 国产伺服系统等驱动厂商有 望深度参与人形机器人市场。

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  清能德创伺服驱动方案

  作为中国机器人伺服驱动领先者,清能德创积极参与人形 机器人创新中心(首家聚焦于人形机器人核心技术和产品研发 以及应用生态建设的创新中心)的组建,并已推出应用于四足 机器人和双足机器人的高功率密度高性能伺服产品。

  清能德创表示,后期将进一步针对人形机器人所需的高爆 发、高性能和高功率密度伺服驱动进行系列技术研发和功能优 化,推出一系列满足人形机器人不同关节要求的高性能伺服驱 动解决方案,并积极参与建立国内外相关标准,为人形机器人 共性技术突破提供有力基础支撑。

  据了解,清能德创驱动器所采用 GaN 驱动技术,初步规 划了三个型号,可基本满足人形机器人腰、髋、膝、肩等关节 的性能要求。

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  此外,清能德创 RJM 机器人关节具有精准(双绝对值编码器、 高精度全闭环控制)、灵活(灵活开放、支持组装多种形式) 、 易用(快速安装、方便接线、轻松调试)、有力(中空无框力 矩电机、动力更强劲)等四方面优势。

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  雷赛智能研发三大人形机器人新品

  近年人形机器人快速发展中,遇到共性技术应用问题包括 以下三方面,一是如何平稳行走以及快速行走是非常重要的指 标,如何做到快速行走又平稳,无框电机在此环节起到核心作用, 普通电机难以实现高平稳高能效运行。

  二是手眼协调操作,机器人如何做到轻松拿起鸡蛋并且双 手传递鸡蛋,灵巧手里面的空心杯电机作为重要的环节,其一 致性和高响应性将决定精确执行伸缩动作;三是人形机器人的 执行机构多达 40 余个,其中每个行走动作都需要 10 余个执行 器协同完成,如何实现多机联动是对控制器和驱动器重大挑战;

  雷赛智能 FM1 系列无框电机主打短小轻薄,动力强劲,在 产品设计上具有高密度、稳运行、低温升、高可靠性、七种尺寸、 高适配性、易集成、定制可选等 8 方面的优势与特色。据了解, 今年 3 月雷赛智能 FM 无框电机已实现成功量产,采用全自动 产线,产线具备高产能、高精度、高质量, 高智能化的四高特色, 实现无人生产,每分钟可产电机 1 台,年产能达 30 万台。

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  此外,雷赛智能推出标准型 EC 系列、高转速 ECH 系列、 大转矩 ECT 系列空心杯电机,具备高效率、高响应、高转矩、 高可靠、低温升、低振动、低噪声、小体积等特点。

  在人形伺服驱动器方面,具备名片大小(50-750W 的规格, 76*50*33.5)、接口丰富(支持抱闸、双模拟量、双编码器) 、 方便易用(内径通孔设计、做好功能封装) 、更柔顺(支持 2 路力矩传感器、用于力控) 、更精准(支持 2 路绝对值编码器, 实现全闭环控制,消除机械误差) 、更安全(支持 2 路 STO 输 入)、强匹配(圆形驱动器、与无框电机强匹配) 、可定制等 核心产品特性。

  结语

  国内企业目前伺服系统应用主要集中在工业自动化领域, 未来随着人形出货量增长,更多的系统将用于人形机器人领域, 为产业链带来更多的市场增量。

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