1. Распределение и стоимость человекоподобных роботов
1. Разборка человекоподобного робота
На первом Tesla AI Day в августе 2021 года Tesla представила концептуальный рисунок своего первого гуманоидного робота «Optimus». Рост гуманоидного робота составляет 5 футов 8 дюймов, вес — 125 фунтов, грузоподъемность — 45 фунтов, а тяговая способность — 150 фунтов. Он будет управляться с помощью интеллектуальных алгоритмов, аналогичных тем, что используются в электромобилях. Прототип будет запущен в феврале 2022 года, а новое поколение почти полного гуманоидного робота будет представлено в AI Day 30 сентября 2022 года. Он будет представлен на Всемирной конференции по искусственному интеллекту в июле 2023 года.
Последнее поколение Optimus, выпущенное Tesla, имеет 28 суставов (14 вращательных приводов + 14 линейных приводов) в механической части тела, а 2 ловкие руки имеют в общей сложности 12 суставов (6 приводов * 2). Ловкие руки гуманоидного робота Tesla разработаны для имитации человеческих рук и обладают адаптивными возможностями захвата. Структура руки имеет пять пальцев и несколько суставов. Большой палец использует два двигателя для управления сгибанием и боковым качанием, а остальные четыре пальца имеют по одному двигателю на каждом. Он имеет в общей сложности 6 приводов, 11 степеней свободы, нагрузку 20 фунтов, способность адаптироваться к углу захвата, способность использовать инструменты и способность точно захватывать небольшие предметы. 28 приводов на гуманоидном роботе Tesla распределены на плечах (6), локтях (2), запястьях (6), туловище (2), бедрах (6), коленях (2 шт.), лодыжках (4 шт.).
Решение вращающегося сочленения Tesla Optimus: бескорпусный двигатель + гармонический редуктор + датчик крутящего момента + датчик положения + подшипники (радиально-упорные шарикоподшипники + перекрестные цилиндрические роликоподшипники) + энкодер. Одновременно Tesla продемонстрировала свой ассортимент продукции актуаторов, который включает три вращающихся редуктора с разными крутящими моментами, соответственно 20 Нм/110 Нм/180 Нм. Распределение по всему телу: 6 на плечах, 2 на запястьях, 4 на бедрах и 2 на туловище.
Решение линейного сочленения Tesla Optimus: бескорпусный двигатель + планетарный роликовый винт + датчик крутящего момента + датчик положения + подшипник. Tesla одновременно продемонстрировала свой ассортимент продукции актуаторов, который включает три линейных актуатора с различными крутящими моментами, с крутящими моментами 500 Н/3900 Н/8000 Н. Распределение по всему телу: 2 локтя, 4 запястья, 2 бедра, 2 колена и 4 лодыжки.
2. Распределение значений основных частей человекоподобных роботов
Что касается Tesla Optimus, то ценность гуманоидного робота в основном распределена в системе FSD, чипе AI, приводе и скелете конечности ловкой руки: чип FSD/AI: основная конкурентоспособность Tesla, стоимость одной машины составляет около 50,000 юаней, а стоимость составляет примерно 26,5%; Поворотный привод: сборочные изделия будут поставляться третьими сторонами, включая гармонические редукторы (или новые гармонические редукторы), бескаркасные моментные двигатели, датчики крутящего момента, энкодеры, подшипники и другие основные части, стоимость составляет около 23%; линейный привод: сборочные изделия будут поставляться третьей стороной, включая планетарный роликовый винт, бескаркасный моментный двигатель, датчик крутящего момента, энкодер, подшипник и другие основные части, стоимость составляет около 28%; ловкая рука: включая бессердечный двигатель, планетарный редуктор, датчик, шариковый винт и т. д., что составляет примерно 7% от стоимости; скелет конечности: механические структурные детали, что составляет примерно 13% от стоимости. Среди не сборочных деталей, поставляемых третьими лицами, большую долю составляют бескорпусные моментные двигатели (14,84%), планетарные роликовые винты (14,84%), волновые редукторы (7,42%), датчики крутящего момента (7,42%), энкодеры (4,45%), бессердечниковые двигатели (3,82%). 2. Анализ основных звеньев гуманоидных роботов
1. Уменьшитель: Технические барьеры высоки, внутреннее замещение ускоряется
Редукторы роботов в основном делятся на две категории: редукторы RV и гармонические редукторы. Гармонический редуктор имеет преимущества большого одноступенчатого передаточного отношения, малого размера, малой массы и высокой точности движения. Он может нормально работать в замкнутых пространствах и условиях средней радиации и больше подходит для полей точного торможения с легкой нагрузкой, таких как гуманоидные роботы и т. д. По сравнению с гармоническими редукторами редукторы RV имеют преимущества большого диапазона передаточных отношений, относительно стабильной точности, высокой усталостной прочности и т. д., а также более высокую жесткость и несущую способность по крутящему моменту. Они в основном подходят для деталей с большой нагрузкой, таких как руки роботов и основания машин.
Трудности гармонических редукторов в основном заключаются в конструкции зубьев, материалах, оборудовании для обработки, технологии и последовательности. Технические трудности, в частности, включают: Конструкция формы зубьев: поскольку принцип передачи гармонического редуктора заключается в зацеплении двух шестерен, а гибкое колесо постоянно деформируется, высота, ширина, форма и другие конструкции шестерен оказывают большее влияние на характеристики замедления. Влияние. Материал: гибкое колесо непрерывно деформируется и передает крутящий момент, что создает большие проблемы для последовательности, нагрузки, точности и усталостной долговечности материала. Обычные металлы и сплавы с трудом соответствуют требованиям. Оборудование для обработки: гибкое колесо очень тонкое, толщиной около 100 мкм. Требования к обработке и резке высоки. Высокоточные шлифовальные станки с ЧПУ и зубофрезерные станки необходимо импортировать, а японские высокоточные станки имеют ограничения в моей стране. Технология обработки: обработка и резка гибких шлицев очень требовательны, и некоторые процессы по-прежнему зависят от накопления опыта сотрудниками. Последовательность: В крупномасштабном массовом производстве очень сложно снизить уровень дефектов и поддерживать постоянство продукта. По сравнению с гармоническими редукторами редукторы RV имеют более сложную структуру и предъявляют более строгие требования к точности и технологии обработки. Технические трудности заключаются в следующем: Точность обработки: Структура сложна. В реальных рабочих условиях редуктор RV необходимо многократно и точно позиционировать, что эквивалентно непрерывному запуску и торможению для поддержания точности без затухания. Если точность низкая, это приведет к износу продукта. Технология обработки: Тесное взаимодействие различных процессов, включая термическую обработку поверхности зубьев, точность обработки, симметрию деталей, технологию группировки и точность сборки. Окончательные допуски сборки этих процессов приведут к износу и сроку службы продукта. Последовательность: Как прецизионные компоненты, для одного продукта несложно достичь высокой производительности, но для крупномасштабных массовых продуктов это большая проблема — соответствовать стандартным характеристикам.
Ожидается, что монополия на импорт редукторов будет разрушена, и начнется внутреннее замещение. Мировой рынок редукторов для роботов отличается высокой концентрацией, большую часть доли рынка занимают японские производители. В 2021 году Nabtesco заняла 53% доли рынка редукторов для автофургонов в Китае, а Hamon Naco заняла 35,5% доли рынка гармонических редукторов в Китае. Однако в настоящее время Китай рассматривает прорывы в ключевых основных технологиях роботов как важный проект, и отечественные производители преодолели некоторые проблемы в ключевых основных компонентах, таких как редукторы, контроллеры и сервосистемы. Объем экспорта китайских редукторов для автофургонов в целом демонстрирует тенденцию к росту, в то время как объем импорта в целом демонстрирует тенденцию к снижению. Появилась тенденция локализации редукторов для автофургонов. В последние годы отечественные производители гармонических редукторов постепенно вошли в цепочку поставок клиентов, находящихся ниже по течению, и доля рынка китайских брендов увеличивается с каждым годом. Цена за единицу импортных прецизионных редукторов, таких как продукция японской компании Hamonoko, обычно составляет от 3,000 до 4,000 юаней. Цена за единицу отечественных прецизионных редукторов составляет от 30% до 50% от цены, что имеет ценовое преимущество.
2. Ходовой винт: Технические барьеры очень высоки, и есть много возможностей для отечественной замены.
Винт является идеальным продуктом для преобразования вращательного движения в линейное движение или преобразования линейного движения во вращательное движение. Обычные винтовые продукты включают скользящие винты, шариковые винты, планетарные роликовые винты и т. д. Шариковый винт является широко используемым элементом трансмиссии в промышленном прецизионном оборудовании. Его основная структура состоит из трех частей: шариковый винт, шариковая гайка и шарик. Основной принцип передачи заключается в преобразовании вращательного движения в линейное движение и преобразовании трения скольжения в трение качения. Когда винт вращается относительно гайки, вращающаяся поверхность винта толкает гайку для перемещения в осевом направлении посредством циклического качения шариков, превращая вращение в линейное движение; качение шариков заставляет трение скольжения между винтом и гайкой изменяться на трение скольжения между шариками, винтом и гайкой. Трение качения между ними превращает скольжение в качение, значительно повышая эффективность передачи. Планетарные роликовые винты являются высокоточной ветвью нового поколения резьбовых винтов с высокой комплексной производительностью и широкими перспективами применения. Планетарный роликовый винт создает линейное контактное трение качения через зацепляющиеся ролики, что значительно увеличивает контактную поверхность и поверхность напряжения во время процесса передачи винта. По сравнению с предыдущими шариковыми винтами, используемыми для точной передачи, эффективность передачи существенно не теряется. В то же время он обладает характеристиками высокой скорости, высокой нагрузки, высокой жесткости, большого диапазона шага, меньшего размера, низкого уровня шума и более простого обслуживания и разборки. Он использовался в глобальных высокоточных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, вооружение и оборудование, а также ядерная энергетика. Он также имеет обширные потребности в применении в гражданских сценариях, таких как станки, автомобильные системы ABS и нефтехимическая промышленность.
Шариковый винт: Шариковый винт был изобретен в 1874 году. В 1930-х годах компания General Motors в США впервые применила шарико-винтовые компоненты в рулевых устройствах автомобилей. В 1940-х годах шарико-винтовые пары были впервые использованы на станках с ЧПУ. , и стали идеальным элементом подачи для станков с ЧПУ; с развитием станков и средств автоматизации исследования и производство шарико-винтовых пар получили развитие. В 1950-х годах в промышленно развитых странах начали появляться многие производители шарико-винтовых пар, такие как британская ROTAX, японская NSK и т. д. Разработка шарико-винтовых пар для станков с ЧПУ в нашей стране началась в 1950-х годах. В 1964 году моя страна самостоятельно спроектировала и разработала первый комплект шарико-винтовых пар. С тех пор, как страна запустила соответствующие проекты в 2009 году, отечественные компании, такие как Hanjiang Machine Tool и Shandong Bote Seiko и другие, достигли многих отличных результатов, но в настоящее время моей стране все еще есть возможности для улучшения высокопроизводительной продукции по сравнению с передовыми мировыми компаниями. На внутреннем рынке рынок шариковых винтов среднего и высокого класса в основном занимают немецкие и японские компании, такие как THK, международные компании, такие как NSK и Rexroth, могут занимать 90% доли рынка на рынке высокого класса, в то время как компании материкового Китая в основном активны на рынке среднего класса, составляя около 30% доли рынка. Основная причина заключается в том, что предприятия нашей страны имеют небольшие масштабы, поздно начали свою деятельность и не могут достичь высокого уровня точности в качестве продукции.
Планетарный роликовый винт: В 1942 году швед Карл Бруно Страндгрен впервые подал заявку на патент на рециркуляционный планетарный роликовый винт. В 1954 году он подал заявку на патент на стандартный и обратный планетарный роликовый винт. В 1986 году Уильям Дж. Роантри изобрел дифференциальный планетарный роликовый винт, а затем Оливер Саари изобрел планетарный роликовый винт с подшипниковым кольцом. В 1970 году швейцарская компания Rollvis начала разрабатывать планетарные роликовые винты. Шведская SKF также разработала планетарные роликовые винты. Moog в Соединенных Штатах, Ortlieb в Германии и Power Jacks в Великобритании имеют свои собственные зрелые планетарные роликовые винты. Продукция; Exlar в Соединенных Штатах и Rexroth в Германии используют планетарные роликовые винты в своих соответствующих электромеханических приводах. В 2022 году японские и европейские компании по производству роликовых винтов будут занимать до 90% китайского рынка. По данным Guanyan Report Network, четыре крупнейших производителя на рынке планетарных роликовинтовых передач в моей стране в 2022 году — Rollvis (Швейцария), GSA (Швейцария), Ewellix (Швеция) и Rexroth (Германия) с долями рынка 27%, 26%, 13%, 12%. Поскольку китайские предприятия поздно вышли на рынок этой отрасли, их конкурентоспособность значительно отстает от предприятий зарубежных промышленно развитых стран.