Por qué los robots humanoides abren un nuevo océano azul para aplicaciones de motores sin núcleo

 

Los robots humanoides, como destacados representantes de los robots de uso general y portadores ideales de la "inteligencia encarnada", se benefician, por un lado, del rápido desarrollo de la inteligencia artificial general y, por otro, al convertirse en el puente entre la IA y el mundo real con "inteligencia incorporada", que evoluciona gradualmente hasta convertirse en la plataforma terminal para la próxima generación de inteligencia artificial general. En las tareas de los robots, los grandes modelos de IA asumen funciones clave en el razonamiento y la toma de decisiones, convirtiendo instrucciones complejas en pasos ejecutables para robots mediante el análisis de comandos del lenguaje natural. Además, la adición de grandes modelos de IA multimodal mejora significativamente la precisión y eficiencia del razonamiento y la toma de decisiones, proporcionando un apoyo importante para que los robots humanoides avancen hacia la generalización.

 

 

El rápido desarrollo de la industria de la robótica se basa en innovaciones en tecnologías de componentes clave y la estabilidad de su suministro. En los robots humanoides, el reductor, el servosistema y el controlador se consideran los tres componentes principales y juntos representan más del 70% del costo total. Además, como componente central, no se puede pasar por alto el valor del motor. En robots humanoides como Optimus, el coste del motor representa aproximadamente el 25% del valor total de los componentes.

 

Suponiendo que el volumen de envío global de robots humanoides alcance los 5 millones de unidades en la próxima década, la demanda de motores sin núcleo (sin núcleos de hierro) experimentará un crecimiento masivo del mercado durante este período. Según los precios unitarios, el incremento del mercado de motores sin núcleo puede alcanzar los 350 mil millones de RMB, mientras que se espera que el mercado incremental de motores sin núcleo supere los 78 mil millones de RMB. Juntos, estos dos formarán un vasto espacio de mercado de 428 mil millones de RMB.

 

 

A diferencia de los robots industriales utilizados en entornos de trabajo fijos, los robots humanoides sirven principalmente en escenarios de la vida diaria humana. Estos robots no sólo necesitan capacidades de percepción, toma de decisiones y acción, sino que también necesitan simular patrones de comportamiento humano para interactuar con el entorno y los usuarios de una manera más natural. Por lo tanto, los motores, como componentes centrales de los actuadores articulares, afectan directamente la flexibilidad, precisión y estabilidad del robot.

 

Entre las diversas tecnologías de accionamiento, el accionamiento por motor eléctrico presenta ventajas significativas sobre el accionamiento hidráulico. La solución de accionamiento de motor eléctrico se beneficia de una tecnología madura de control de movimiento, que proporciona retroalimentación en tiempo real del estado del movimiento a través de codificadores de alta precisión para garantizar un control preciso. Al mismo tiempo, el coste de los sistemas de accionamiento de motores eléctricos es menor en comparación con los sistemas hidráulicos y requiere menos mantenimiento. Esta característica rentable hace que el motor eléctrico sea una de las opciones principales para el desarrollo de robots humanoides.

 

Entre ellos, los motores sin núcleo, con sus características de peso ligero, alta eficiencia y baja inercia, se han convertido en componentes clave para mejorar el rendimiento de los robots humanoides.Los motores sin núcleo pueden proporcionar una mayor densidad de potencia y mayores velocidades de respuesta en volúmenes pequeños, lo que permite a los robots exhibir un rendimiento superior en el control de articulaciones con múltiples grados de libertad. Además, los motores sin núcleo tienen un menor consumo de energía, lo que ayuda a los robots a lograr una mayor duración de la batería.

 

1.1 Robots humanoides que se integran en la vida diaria y muestran la fortaleza tecnológica nacional

Los robots humanoides se han convertido gradualmente en asistentes fiables en la vida humana diaria, capaces de ayudar en una variedad de tareas complejas. A diferencia de los robots industriales, que normalmente trabajan en entornos fijos, los robots humanoides están diseñados para integrarse en el entorno cotidiano de los humanos. Estos robots no solo poseen capacidades básicas como percepción, toma de decisiones y acciones, sino que también tienen características de movimiento similares a las de los humanos y diseños de apariencia amigables, lo que los hace más fácilmente aceptados por los humanos y crea una sensación de familiaridad. Al adaptarse de manera flexible a diferentes entornos, los robots humanoides muestran un enorme potencial de aplicación en áreas como el hogar, los servicios y la atención médica.

 

Como dispositivos inteligentes avanzados, los robots humanoides se consideran símbolos de la fortaleza tecnológica nacional. Su desarrollo requiere superar barreras tecnológicas en múltiples disciplinas, incluida la ingeniería mecánica, la ingeniería eléctrica, la ciencia de los materiales, la tecnología de detección, los sistemas de control y la inteligencia artificial. Con características de apariencia humana, capacidades para caminar bípedo y tecnologías de control de movimiento altamente coordinadas, los robots humanoides pueden realizar tareas físicas y comunicarse con los humanos a través del lenguaje o expresiones faciales. En comparación con los robots tradicionales, los robots humanoides presentan ventajas significativas en la interacción hombre-máquina, la adaptación al entorno y la versatilidad de tareas.

 

 

1.2 El desarrollo de robots humanoides: del concepto a la industrialización

El concepto de robot existe desde hace más de un siglo, y la investigación sobre robots humanoides comenzó a mediados del {0}}siglo XX, experimentando un largo proceso de desarrollo desde los prototipos de laboratorio hasta las primeras etapas de la industrialización. El primer uso del término "robot" proviene de la obra de teatro RUR (Robots universales de Rossum) del escritor checo Karel Čapek, que significa máquinas esclavas que sirven a la humanidad. La producción en masa de robots industriales comenzó en la década de 1960, con el brazo robótico "UNIMATE" lanzado por la empresa estadounidense Unimation, que abrió la era de los robots industriales comerciales.

 

La investigación y desarrollo de robots humanoides se inició en Japón y paulatinamente entró en etapas de sistematización y alta dinámica:

 

Etapa de exploración temprana (alrededor de la década de 1970): en 1973, el profesor Ichiro Kato de la Universidad de Waseda en Japón desarrolló el primer robot humanoide del mundo, WABOT-1, y su mecanismo de marcha bípedo WL-5 sentó las bases para el desarrollo humanoide. robots.

 

Etapa de integración tecnológica (década de 1980-1990): en 1986, Honda inició una investigación sobre el robot humanoide ASIMO y, en 2000, se lanzó el modelo ASIMO de primera generación, lo que marcó la entrada de los robots humanoides en una etapa tecnológica altamente integrada.

 

Etapa de avance del rendimiento dinámico (2000-2020): en 2016, Boston Dynamics de Estados Unidos lanzó el robot bípedo Atlas, que, con su poderosa capacidad de equilibrio y rendimiento para cruzar obstáculos, alcanzó nuevas alturas en movimiento dinámico y ejecución de tareas en entornos peligrosos.

 

Etapa de industrialización temprana (2020-presente): en 2022, Tesla lanzó el prototipo de robot humanoide Optimus, que muestra inteligencia artificial altamente integrada y tecnología de propulsión motora en el Tesla AI Day. La versión 2023 de Optimus es capaz de clasificar objetos y equilibrarlos con precisión, lo que indica que los robots humanoides están avanzando gradualmente hacia aplicaciones prácticas.

 

1.3 Integración profunda de robots humanoides y tecnología de motores

La continua evolución de los robots humanoides es inseparable del apoyo de la tecnología motora. Como componente central de las articulaciones de los robots, los motores no sólo determinan el rendimiento del movimiento del robot, sino que también afectan su flexibilidad y durabilidad. Con su alta precisión, bajo consumo de energía y confiabilidad, los motores se han convertido gradualmente en la solución energética más utilizada para robots humanoides. Mientras tanto, los motores sin núcleo, con ventajas como peso ligero, alta eficiencia y baja inercia, están proporcionando un apoyo tecnológico crucial para el rápido desarrollo de robots humanoides.

 

En el futuro, con nuevos avances tecnológicos, los robots humanoides se utilizarán más ampliamente en diversos escenarios de la vida, inyectando nueva vitalidad al desarrollo económico y social global. Esto convierte al mercado del motor, especialmente al de los motores sin núcleo, en un nuevo y muy esperado océano azul.

 

1.4 Estructura del robot humanoide: análisis de componentes clave

La estructura clave de los robots humanoides se puede dividir en tres módulos principales: actuadores, controladores y sensores. Los componentes principales como motores, reductores y sensores determinan el rendimiento del robot. A continuación se muestra un análisis detallado de estos componentes:

 

1.4.1 Motor

El motor es el núcleo de la ejecución del movimiento del robot humanoide, incluidos servomotores, motores paso a paso, motores de torsión y motores esféricos, entre otros. Entre ellos, los motores de torsión se consideran ideales para articulaciones de robots humanoides con demandas de baja velocidad y alto torque debido a su capacidad para proporcionar un alto torque a velocidades medias y bajas. Sin embargo, su dificultad de investigación y producción es relativamente alta, lo que requiere avances en los cuellos de botella tecnológicos.

 

1.4.2 Reductor

Los reductores armónicos son ampliamente reconocidos por su estructura compacta, alta relación de transmisión y precisión superior, lo que los convierte en una opción común para los componentes de juntas de robots. Sin embargo, su durabilidad y vida útil aún pueden mejorarse.

 

1.4.3 Sensores

Los sensores desempeñan un papel fundamental en los robots, en particular los sensores de par, que son una parte esencial del diseño de las articulaciones. Estos sensores, en combinación con motores y reductores, forman el conjunto de articulación y proporcionan un control de movimiento preciso y retroalimentación de fuerza.

 

1.4.4 Método de impulso de las extremidades superiores

Las extremidades superiores utilizan principalmente diseños de husillos de bolas, que convierten el movimiento alternativo de las bolas en movimiento lineal del husillo. En comparación con las transmisiones por correa o cadena, los husillos de bolas tienen menos fricción, menores costos de operación y mantenimiento y mayor precisión.

 

1.4.5 Método de impulso de las extremidades inferiores

Los tornillos de rodillos planetarios, conocidos por su resistencia al impacto de fuerzas externas y su larga vida útil, se han convertido en la principal opción para los motores de las extremidades inferiores, especialmente adecuados para manejar necesidades complejas de control de la marcha.

 

1.4.6 Articulación manual

Las articulaciones manuales suelen utilizar motores sin núcleo. Estos motores tienen un diseño simple, livianos y son componentes de accionamiento ideales para el movimiento de los dedos, lo que permite un control más preciso.

 

Además, las opciones de rodamientos para juntas lineales y giratorias incluyen rodamientos de contacto angular, rodamientos de rodillos cruzados y rodamientos rígidos de bolas. Estos componentes juntos garantizan la ligereza, la precisión y la confiabilidad del robot.

 

 

Ventajas inteligentes del accionamiento por motor

En comparación con los accionamientos hidráulicos, los accionamientos por motor destacan especialmente por sus prestaciones inteligentes en el control de movimiento. Por ejemplo, el robot humanoide de Tesla adopta tecnología de servomotor de alta densidad de par, y su control de movimiento inteligente supera con creces los sistemas hidráulicos tradicionales. Este diseño no sólo permite la retroalimentación en tiempo real del estado del movimiento para garantizar la precisión del control, sino que también mantiene los costos relativamente bajos, lo que lo hace adecuado para aplicaciones a gran escala.

 

Requisitos de rendimiento para servomotores

Como núcleo de los actuadores de robots, los servomotores deben cumplir los siguientes requisitos de rendimiento:

• Capacidad de respuesta rápida: los servomotores deben arrancar y detenerse rápidamente para adaptarse a entornos altamente dinámicos.
• Alta relación par de arranque/inercia: los servomotores deben proporcionar un par de arranque alto manteniendo una inercia rotacional baja.
• Control continuo y características lineales: la velocidad del motor debe ajustarse continuamente con cambios en la señal de control para garantizar una ejecución precisa.
• Diseño compacto: Los servomotores deben ser de tamaño pequeño y livianos para encajar en el diseño espacial compacto del robot.
• Durabilidad y capacidad de sobrecarga: Los servomotores deben soportar rotaciones frecuentes hacia adelante y hacia atrás y operaciones de aceleración/desaceleración, y soportar varias veces la carga nominal durante períodos cortos.

Estas características hacen que los servomotores sean indispensables en el campo de la robótica, sentando las bases para una mayor inteligencia y estabilidad en los robots.

 

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