Warum Ist Es So Schwierig, Den Preis Von Hochleistungs-Humanoiden Robotern Zu Senken?And Warum Sind Harmonic Joint Modules Immer Noch Unersetzlich?

Wann werden humanoide Roboter kommerzialisiert, und warum ist ihr Preis so schwer zu senken?

Da massive Kapitalmengen in die Branche der humanoiden Robotik fließen, bewegen sich humanoide Roboter eindeutig in Richtung einer groß angelegten Massenproduktion. Dennoch bleibt eine grundlegende Frage: Warum ist ihr Preis immer noch so schwer zu senken?
Sogar China—oft als die Fabrik der Welt bezeichnet—war bislang nicht in der Lage, wirklich kostengünstige humanoide Roboter herzustellen.

Zum Beispiel liegt der Preis des Unitree H1 bei etwa RMB 650,000, während der Unitree G1, bei dem die teuren geschickten Hände entfernt wurden (und der daher streng genommen nicht als vollständiger humanoider Roboter betrachtet werden kann) und dessen Freiheitsgrade deutlich reduziert wurden, immer noch RMB 99,000 kostet.

Der Hauptgrund liegt in einer unvermeidlichen Anforderung: hohe Freiheitsgrade.
Ein hoher DOF ist für humanoide Roboter unerlässlich, und dies führt direkt dazu, dass Gelenkmodule dauerhaft einen hohen Anteil am Gesamtwert des Systems ausmachen.

Was macht humanoide Roboter so teuer?

Bei humanoiden Robotern machen Gelenke etwa 60%—70% der Gesamtkosten aus.

Am repräsentativen Beispiel von Tesla Optimus:
Ein typischer humanoider Roboter verfügt über 28 Aktuatoren, gleichmäßig aufgeteilt in lineare Aktuatoren und Rotationsaktuatoren.

Rotationsaktuatoren bestehen hauptsächlich aus:
rahmenloser Servomotor + Harmonic-Getriebe + Motortreiber + Kupplung + Kraftsensor + Encoder

Lineare Aktuatoren, ähnlich menschlichen Muskeln, bestehen hauptsächlich aus:
rahmenloser Servomotor + Planetenrollengewindetrieb / Trapezgewindetrieb + Motortreiber + Kraftsensor + Encoder

Alle 28 Gelenke von Tesla Optimus verwenden rahmenlose Drehmomentmotoren als primäre Energiequelle.

Davon:

14 Rotationsgelenke verwenden rahmenlosen Drehmomentmotor + Harmonic-Getriebe

14 lineare Gelenke verwenden rahmenlosen Drehmomentmotor + Planetenrollengewindetrieb

Die Basisversion des Unitree G1 ist mit 23 rahmenlosen Motoren ausgestattet, die jeweils etwa USD 190—285 kosten, was zu Gesamtkosten für Gelenkmotoren von rund USD 4,300—6,900 führt.

Warum sind Gelenke bei humanoiden Robotern so entscheidend?

Robotergelenke sind die zentralen Ermöglicher humanoider Bewegungen.
Nur Gelenkmodule mit ultrahohem Untersetzungsverhältnis, extrem hoher Drehmomentdichte und nahezu Nullspiel—nämlich harmonische Gelenkmodule—können wirklich humanoide, natürliche Bewegungen ermöglichen.

Obwohl Gelenkmodule erheblich zu den Gesamtkosten beitragen, bleiben harmonische Gelenkmodule beim aktuellen Stand der Technik die einzige Lösung, die das optimale Gleichgewicht zwischen Größe, Gewicht, Präzision und Drehmoment erreicht. Das macht sie unersetzlich.

Warum sind rahmenlose Drehmomentmotoren in Gelenken humanoider Roboter so wichtig?

Die Branche der humanoiden Robotik verwendet in Gelenken fast ausschließlich rahmenlose Motoren.
Ein rahmenloser Drehmomentmotor ist eine Art permanenterregter Synchronmotor, der nur den drehmoment- und drehzahlerzeugenden Kern eines herkömmlichen Motors beibehält—ohne Welle, Lager, Gehäuse oder Endkappen.

Ein rahmenloser Motor besteht nur aus zwei Teilen:

Rotor: ein innenliegender rotierender Stahlring mit Permanentmagneten, direkt auf der Maschinenwelle montiert

Stator: eine äußere Komponente mit laminiertem Stahl und Kupferwicklungen, fest im mechanischen Gehäuse montiert, um elektromagnetische Kraft zu erzeugen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Servomotoren, die hauptsächlich anhand der Ausgangsleistung bewertet werden, werden rahmenlose Drehmomentmotoren anhand des Ausgangsdrehmoments bewertet.

Angetrieben von einer Antriebseinheit steuert der Treiber die UVW-Dreiphasenströme, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das den Permanentmagnetrotor antreibt. Rückmeldungen können über Hall-Sensoren oder externe Encoder erfolgen, sodass der Antrieb die tatsächliche Rückmeldung mit Sollwerten vergleichen und die Rotorposition präzise anpassen kann, um eine Servosteuerung zu erreichen.

Der entscheidende Vorteil rahmenloser Motoren liegt in ihrer hohen Drehmoment- und Leistungsdichte sowie ihrer hervorragenden Volumen- und Gewichtseffizienz.
Durch die Erhöhung des Nutfüllgrads des Stators (Einbettung von mehr Kupferwicklungen) und die Optimierung des strukturellen Designs (Leichtbau, dünne Profile) liefern rahmenlose Motoren ein starkes Drehmoment auf begrenztem Raum—was sie ideal für humanoide Roboter macht, bei denen Größe, Gewicht und dynamische Leistung entscheidend sind.

Zu ihren Hochdichteeigenschaften gehören:Höhere Leistungsabgabe innerhalb desselben Volumens,Kleinere Größe bei gleichem Leistungsniveau,Geringerer Temperaturanstieg

Dank integriertem Design und optimierten Vergussprozessen werden auch Energieeffizienz und Zuverlässigkeit erheblich verbessert.

Warum sind Untersetzungsgetriebe in Gelenken humanoider Roboter so wichtig?

Beim Vergleich von Harmonic-Getrieben, RV-Getrieben und Planetengetrieben sind Harmonic-Getriebe derzeit die optimale Lösung für Oberarmgelenke humanoider Roboter.

Bei Harmonic-Getrieben:30%—50% der Gesamtzahl der Zähne greifen gleichzeitig ein,Fehler werden über mehrere Zähne gemittelt und sorgen für gegenseitige Kompensation,Die Übertragungsgenauigkeit ist extrem hoch, wobei das Spiel innerhalb von 1 arc-minute kontrollierbar ist,Bei gleicher Zahnradgenauigkeitsklasse beträgt der Übertragungsfehler ungefähr ein Viertel desjenigen herkömmlicher zylindrischer Getriebesysteme.

Durch geringfügige Anpassung des Radius des Wellengenerators zur Erhöhung der Verformung des Flexsplines kann das Spiel auf nahezu Null reduziert oder sogar vollständig eliminiert werden—wodurch Harmonic-Getriebe besonders für häufige Umkehrbewegungen geeignet sind.

Wie funktionieren Harmonic-Drive-Untersetzungsgetriebe?

Die harmonische Kraftübertragung basiert auf der Wechselwirkung zwischen dem Wellengenerator und dem flexiblen Zahnrad.
Während sich der Wellengenerator dreht, verursacht sein elliptisches Profil eine periodische elastische Verformung des Flexsplines. Da sich Flexspline und Circular Spline in der Zahnzahl unterscheiden (typischerweise um zwei Zähne), verschiebt sich die Eingriffsposition kontinuierlich.

Bei jeder 180-Grad-Drehung des Wellengenerators verschiebt sich die Eingriffsposition des Flexsplines entlang des Umfangs um eine Zahnteilung. Diese akkumulierte relative Verschiebung erzeugt einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen Flexspline und Circular Spline.

Dadurch dreht sich der Flexspline, wenn der Wellengenerator eine volle Umdrehung vollendet, nur um
(Zahndifferenz / Zähne des Circular Spline) × 360 degrees,
wodurch ein sehr hohes Untersetzungsverhältnis erreicht wird.

Das Harmonic-Getriebe ist eine entscheidende Komponente des harmonischen Gelenkmoduls.
Motor und Harmonic-Getriebe müssen leistungsmäßig richtig aufeinander abgestimmt sein—weder unterdimensioniert noch überdimensioniert. Bei der Gelenkauslegung müssen die Parameter des Getriebes (Drehmoment, Drehzahl) zuerst bestimmt werden, und anschließend wird der Motor entsprechend ausgewählt.

Der hohe Preis humanoider Roboter wird nicht durch Markenaufschläge verursacht, sondern durch die technische Komplexität und die Schwierigkeit der Präzisionsfertigung.

Jedes Gelenk in einem humanoiden Roboter muss gleichzeitig Folgendes erreichen:Hohe Präzision,Leichtbau,Hohe Drehmomentabgabe,Langfristige Zuverlässigkeit.

Nur wenn jedes Gelenk diese strengen Anforderungen erfüllt, kann der gesamte Roboter reibungslos, sicher und natürlich arbeiten.Dies ist der grundlegende Grund, warum die Kosten leistungsstarker humanoider Roboter weiterhin schwer zu senken sind.