Das „Fleisch“ der Demontageroboter, die Massenproduktion und die Lieferkette: Nach dem Salto muss er noch lernen, ein fallendes Blatt aufzufangen

Am 1. Juni ist die IPO-Anmeldung von Unitree Technology an der STAR-Börse erfolgreich von der Börsenprüfkommission der Shanghai Börse genehmigt worden. Kurz zuvor hat Unitree auch seinen ersten fahrbaren Transformationsroboter vorgestellt. Wie weit entfernt sind wir noch von der tatsächlichen Realisierung von Robotern?

Bei der chinesischen Neujahrsfeier im vergangenen Jahr tanzten und drehten Roboter noch Taschentücher. In diesem Jahr können sie bereits hochschwierige Sommersaults und Kung Fu ausführen. Heutzutage können sogar die von Mobiltelefonherstellern entwickelten Roboter Rekorde auf der Halbmarathonstrecke brechen. Warum hat sich die Robotertechnik in den letzten zwei Jahren so schnell weiterentwickelt?

Um die Entwicklung der Robotertechnik besser zu verstehen, haben wir einige führende Roboterunternehmen besucht und mit Branchenexperten gesprochen: Was sind die Schwierigkeiten bei der Herstellung von Robotern? Ist die Herstellungsschwelle für Roboter wirklich nicht hoch? Was ist eigentlich die Wettbewerbsvorteile von Roboternherstellern?

In diesem Artikel werden wir die einzelnen Komponenten eines Roboters detailliert analysieren. Ich bin sicher, dass Sie nach dem Lesen des gesamten Artikels in der Lage sein werden, einen Roboter selbst zusammenzubauen.

01 Gerüstmaterial: Das Gleichgewicht zwischen Leichtigkeit und Stossfestigkeit

Roboter bestehen aus einer Vielzahl von Hardwarekomponenten, die wir grob in vier Systeme einteilen können: das Gerüst, das die gesamte Struktur stützt, die Gelenke, die das Gerüst in Bewegung setzen, die Sensoren, die die Umgebung wahrnehmen, und das elektrische und Rechensystem, das den Körper steuert. Lassen Sie uns zunächst mit dem Gerüst beginnen.

Wenn ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 60 km/h auf einen Paukenschlag trifft, wird der Paukenschlag aufgrund der enormen Stosskraft weggeworfen und in Stücke zerbrochen. Für einen humanoiden Roboter ist es jedoch alltäglich, solch eine Stosskraft zu ertragen.

Wang Chuang

Partner/Senior-Vizepräsident/Präsident der Allgemeinen Geschäftsabteilung von Zhipu

Bei jedem Sommersault eines Roboters erfährt er eine Beschleunigung von mehreren Dutzend g, was möglicherweise höher ist als bei Autos und Raumfahrzeugen und vergleichbar mit der Beschleunigung eines Autos, das in eine Wand fährt.

Dies stellt eine Herausforderung an das Strukturmaterial des Roboters dar: Um sich zu bewegen, muss der Roboter ausreichend leicht sein, und um solch eine Stosskraft zu ertragen, muss das Material stark genug sein. Andernfalls könnten die Komponenten beim Sommersault herausfliegen. Daher ist die erste Herausforderung bei der Entwicklung von Robotern die Suche nach geeigneten Gerüstmaterialien.

Der erste vollformatige Roboter der Welt, WABOT-1, bestand hauptsächlich aus Stahl und wog etwa 160 Kilogramm. Wenn er springen würde, würde er wahrscheinlich ein Loch in den Boden schlagen, ganz zu schweigen von Sommersaults.

Später wurde Aluminiumlegierung zum Standard, von Honda's ASIMO, Boston Dynamics' frühen hydraulischen Atlas bis hin zum ersten Tesla Optimus. Die Dichte von Aluminiumlegierung ist nur ein Drittel von Stahl.

Heutzutage beginnt die Branche, nach weiteren Materialien zu suchen, wie Magnesiumlegierung, deren Dichte noch um ein Drittel geringer ist als die von Aluminium. In einigen Teilen werden auch Titanlegierungen mit höherer Stärke verwendet, wie z. B. an den Kniegelenken und Fersen, die häufig Stössen ausgesetzt sind.

Interessanterweise tragen diese harten Gerüste die Stösse für den Roboter, aber die Zulieferer scheinen nur eine "Arbeitseinkunft" zu verdienen.

Ehemaliger Einkaufsleiter eines Robotermanufakturs

Der Endverkaufspreis des Gerüsts, abzüglich des Metallgehalts und des Abfalls, ist tatsächlich sehr niedrig. Das Gerüst wird schließlich noch mit Metallkosten + Verarbeitungskosten verkauft. Der Großteil der Kosten liegt im Metall, und es ist nicht möglich, die Kosten zu senken. Die Verarbeitungskosten liegen immer noch in einem vernünftigen Bereich. Wenn die Stückzahl steigt, werden die Verarbeitungskosten immer niedriger, da es keine großen Schwierigkeiten gibt.

Abgesehen von diesen Kernkomponenten des Gerüsts können die äußeren Teile eines Roboters in zwei Kategorien eingeteilt werden:

Eine Kategorie sind dekorative Schutzteile, die hauptsächlich an der Brust, am Rücken und am Kopf verwendet werden. Die Materialien reichen von Kunststoff, künstlicher Leder-TPU bis hin zu Gewebe und dienen hauptsächlich dazu, den Verschleiß zu verringern und das Gefühl beim Berühren zu verbessern. Obwohl einige Roboter aus Metall erscheinen, bestehen sie tatsächlich aus Kunststoffgehäusen mit einer Metalllackierung.

Die andere Kategorie ist die künstliche Haut, die den Roboter wie ein echter Mensch aussehen lässt. Diese Haut muss nicht nur wie menschliche Haut anfühlen, sondern auch taktile Sensoren unter der Haut enthalten.

Ausserhalb des Gerüsts und der Haut sind es die Gelenke, die es dem Roboter ermöglichen, hochschwierige Bewegungen auszuführen. Dies ist auch der teuerste, technologisch am intensivsten und am stärksten narrativ geprägte Teil der gesamten Roboterhardware.

02 Zerlegung des Aktuators: Die Gelenke sind der teuerste und schwierigste Teil

Sicherlich haben Sie viele Videos von sich tanzenden und sommersaultenden Robotern gesehen. Dies geschieht, indem zunächst die Bewegungen eines Menschen erfasst werden, dann ein Modell trainiert wird und schließlich die Bewegungen auf die Gliedmaßen des Roboters übertragen werden.

Vor einigen Jahren waren wir noch über die Rückwärts-Sommersaults von Boston Dynamics' Atlas erstaunt, aber heute scheint es uns normal zu sein. Der Grund dafür liegt darin, dass sich die Gelenke von Robotern von hydraulischen Systemen zu Elektromotoren gewandelt haben.

Wang Chuang

Partner/Senior-Vizepräsident/Präsident der Allgemeinen Geschäftsabteilung von Zhipu

Früher konnten wir keine so leistungsstarken Gelenke herstellen. Damals waren die Gelenke insgesamt sehr schlecht, und es war schwierig, Sommersaults zu machen. In den letzten ein oder zwei Jahren hat sich die Gelenktechnologie jedoch enorm verbessert.

Die Gelenke werden in der Branche als Aktuatoren bezeichnet und werden hauptsächlich in Rotationsaktuatoren und Linearabtriebselemente unterteilt. Lassen Sie uns zunächst das Schultergelenk als Beispiel nehmen, um zu sehen, wie sie den Körper in Bewegung setzen.

Das Schultergelenk hat drei Freiheitsgrade: Vor- und Rückwärtsbewegung, Auf- und Abbewegung sowie Innen- und Außenrotation, die als Nick (pitch), Roll (roll) und Gieren (yaw) bezeichnet werden. Im Wesentlichen sind all diese Bewegungsarten Rotationen. Daher kann der Arm durch die Kombination von drei Rotationsaktuatoren in drei Richtungen (X, Y, Z) frei bewegt werden.

Beim Kniegelenk wird normalerweise nur ein Freiheitsgrad benötigt, daher kann ein Rotationsaktuator oder ein Linearabtriebselement verwendet werden. Das Linearabtriebselement ähnelt den menschlichen Muskeln und bewegt die oberen und unteren Knochen durch Strecken.

Um eine extreme Bewegung auszuführen, müssen mehrere Dutzend Aktuatoren im ganzen Körper eng zusammenarbeiten. Wenn an einer Stelle die Reaktion nicht schnell genug ist oder die Kraft etwas abweicht, kann der Roboter stürzen.

Was ist die Struktur dieser Aktuatoren? Sowohl Rotationsaktuatoren als auch Linearabtriebselemente haben ein Servosystem, das aus einem Motor, einem Encoder, einem Treiber und Sensoren besteht. Der größte Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass der Rotationsaktuator aus einem Servomotor und einem Getriebe besteht, während das Linearabtriebselement aus einem Servomotor und einer Gewindespindel besteht. Lassen Sie uns zunächst mit dem Getriebe beginnen.

Chapter 2.1 Rotationsaktuator und Getriebe

Vielleicht kennen Sie diese Vorrichtung: Wenn das erste Zahnrad 10 Umdrehungen macht, macht das zweite Zahnrad nur eine Umdrehung, und das dritte nur 0,1 Umdrehungen. Wenn es insgesamt 100 Zahnräder gibt, muss das erste Zahnrad um ein Googol (1 gefolgt von 100 Nullen) Umdrehungen machen, um das letzte Zahnrad um eine Umdrehung zu drehen. Die benötigte Energie würde die gesamte Energie des Universums übersteigen.

Dies ist ein großes Getriebe, das im Wesentlichen ein riesiger Hebel ist und Geschwindigkeit gegen Kraft opfert. Warum benötigen die Gelenke eines Roboters ein Getriebe?

Weil Elektromotoren von Natur aus "hohe Drehzahl, niedriges Drehmoment" haben: Die Drehzahl kann problemlos auf mehrere Tausend Umdrehungen pro Minute ansteigen, aber das ausgegebene Drehmoment ist relativ klein. Die Gelenke eines Roboters müssen jedoch präzise gesteuert werden. Es ist schwierig, den Motor nur um einige Grad zu drehen und gleichzeitig sehr schwere Gegenstände zu bewegen. Daher ist es erforderlich, die Drehzahl zu verringern und das Drehmoment zu erhöhen. Je größer das Übersetzungsverhältnis (d. h. das Zahnradverhältnis) ist, desto mehr wird die Geschwindigkeit verringert und desto höher ist das ausgegebene Drehmoment.

Die am häufigsten verwendeten Getriebe in der Branche sind Planetengetriebe, Harmonische Getriebe und RV-Getriebe. Lassen Sie uns dies anhand eines Modells erklären.

Zunächst das Planetengetriebe. Sein Name ist sehr anschaulich: Der Motor ist mit dem Zentralzahnrad verbunden und treibt drei Planetenräder an, die wiederum das äußere Zahnrad drehen