¿Cuándo se comercializarán los robots humanoides y por qué es tan difícil reducir su precio?

Con grandes cantidades de capital fluyendo hacia la industria de la robótica humanoide, los robots humanoides claramente se dirigen hacia la producción en masa a gran escala. Sin embargo, una pregunta fundamental persiste: ¿por qué su precio sigue siendo tan difícil de reducir?
Incluso China, a menudo llamada la fábrica del mundo, no ha podido producir robots humanoides verdaderamente económicos.

Por ejemplo, el Unitree H1 tiene un precio de alrededor de RMB 650,000, mientras que el Unitree G1, que elimina las costosas manos diestras (y por lo tanto no puede considerarse estrictamente un robot humanoide completo) y reduce significativamente los grados de libertad, aún cuesta RMB 99,000.

La razón fundamental radica en un requisito inevitable: un alto grado de libertad.
Un alto grado de libertad es esencial para los robots humanoides, y esto hace que los módulos de articulación representen una proporción consistentemente alta del valor total del sistema.

¿Qué hace que los robots humanoides sean tan caros?

En los robots humanoides, las articulaciones representan aproximadamente el 60%–70% del costo total.

Tomando como ejemplo representativo al Tesla Optimus:
Un robot humanoide típico cuenta con 28 actuadores, divididos equitativamente entre actuadores lineales y actuadores rotativos.

Los actuadores rotativos consisten principalmente en:
motor servo sin carcasa + reductor armónico + controlador de motor + embrague + sensor de fuerza + codificador

Los actuadores lineales, similares a los músculos humanos, consisten principalmente en:
motor servo sin carcasa + tornillo planetario de rodillos / tornillo trapezoidal + controlador de motor + sensor de fuerza + codificador

Las 28 articulaciones del Tesla Optimus utilizan motores de par sin carcasa como fuente principal de energía.

Entre ellas:

14 articulaciones rotativas adoptan motor de par sin carcasa + reductor armónico

14 articulaciones lineales adoptan motor de par sin carcasa + tornillo planetario de rodillos

La versión básica del Unitree G1 está equipada con 23 motores sin carcasa, cada uno con un precio aproximado de USD 190–285, lo que resulta en un costo total de motores de articulación de alrededor de USD 4,300–6,900.

¿Por qué son tan críticas las articulaciones en los robots humanoides?

Las articulaciones de los robots son los habilitadores centrales del movimiento humanoide.
Solo los módulos de articulación con relaciones de reducción ultra altas, densidad de par extremadamente alta y juego casi nulo, es decir, los módulos de articulación armónica, pueden permitir movimientos verdaderamente humanoides y naturales.

Aunque los módulos de articulación contribuyen significativamente al costo total, en la etapa actual de la tecnología, los módulos de articulación armónica siguen siendo la única solución que logra el equilibrio óptimo entre tamaño, peso, precisión y par. Esto los hace insustituibles.

¿Por qué son tan importantes los motores de par sin carcasa en las articulaciones de robots humanoides?

La industria de la robótica humanoide utiliza casi exclusivamente motores sin carcasa en las articulaciones.
Un motor de par sin carcasa es un tipo de motor síncrono de imán permanente que conserva solo el núcleo generador de par y velocidad de un motor tradicional, sin eje, rodamientos, carcasa o tapas finales.

Un motor sin carcasa consta de solo dos partes:

Rotor: un anillo de acero giratorio interno con imanes permanentes, montado directamente en el eje de la máquina

Estator: un componente externo con láminas de acero y devanados de cobre, montado firmemente dentro de la carcasa mecánica para generar fuerza electromagnética

A diferencia de los servomotores convencionales, que se evalúan principalmente por su potencia de salida, los motores de par sin carcasa se evalúan por su par de salida.

Alimentado por una unidad de accionamiento, el controlador regula las corrientes trifásicas UVW para generar un campo magnético que impulsa el rotor de imán permanente. La retroalimentación puede proporcionarse mediante sensores Hall o codificadores externos, lo que permite al accionamiento comparar la retroalimentación real con los valores objetivo y ajustar con precisión la posición del rotor para lograr un control servo.

La ventaja clave de los motores sin carcasa radica en su alto par y densidad de potencia, y su excelente eficiencia en volumen y peso.
Al aumentar el llenado de ranuras del estator (incrustando más devanados de cobre) y optimizar el diseño estructural (perfiles livianos y delgados), los motores sin carcasa proporcionan un par potente dentro de un espacio limitado, lo que los hace ideales para robots humanoides, donde el tamaño, el peso y el rendimiento dinámico son críticos.

Sus características de alta densidad incluyen: Mayor potencia de salida dentro del mismo volumen, Tamaño más pequeño para el mismo nivel de potencia, Menor aumento de temperatura

Gracias al diseño integrado y a los procesos de encapsulado optimizados, la eficiencia energética y la fiabilidad también mejoran significativamente.

¿Por qué son tan importantes los reductores de engranajes en las articulaciones de robots humanoides?

Al comparar reductores armónicos, reductores RV y reductores planetarios, los reductores armónicos son actualmente la solución óptima para las articulaciones de las extremidades superiores de robots humanoides.

En las transmisiones armónicas: 30%–50% de los dientes totales están engranados simultáneamente, Los errores se promedian entre múltiples dientes, proporcionando compensación mutua, La precisión de transmisión es extremadamente alta, con juego controlable dentro de 1 minuto de arco, Bajo el mismo grado de precisión de engranaje, el error de transmisión es aproximadamente un cuarto del de los sistemas de engranajes cilíndricos convencionales.

Al ajustar ligeramente el radio del generador de ondas para aumentar la deformación del engranaje flexible, el juego puede reducirse a casi cero, o incluso eliminarse por completo, lo que hace que las transmisiones armónicas sean especialmente adecuadas para movimientos de inversión frecuente.

¿Cómo funcionan los reductores de transmisión armónica?

La transmisión armónica se basa en la interacción entre el generador de ondas y el engranaje flexible.
A medida que el generador de ondas gira, su perfil elíptico causa una deformación elástica periódica del engranaje flexible. Debido a que el engranaje flexible y el engranaje circular difieren en el número de dientes (generalmente por dos dientes), la posición de engranaje cambia continuamente.

Por cada 180 grados de rotación del generador de ondas, la posición de engranaje del engranaje flexible se mueve un paso de diente a lo largo de la circunferencia. Este desplazamiento relativo acumulado crea una diferencia de velocidad entre el engranaje flexible y el engranaje circular.

Como resultado, cuando el generador de ondas completa una rotación completa, el engranaje flexible solo gira
(diferencia de dientes / dientes del engranaje circular) × 360 grados,
logrando una relación de reducción muy alta.

El reductor armónico es un componente crítico del módulo de articulación armónica.
El motor y el reductor armónico deben estar correctamente emparejados en potencia, ni subdimensionados ni sobredimensionados. En el diseño de articulaciones, primero se deben determinar los parámetros del reductor (par, velocidad), y luego se selecciona el motor en consecuencia.

El alto precio de los robots humanoides no es causado por primas de marca, sino por la complejidad de ingeniería y la dificultad de fabricación de precisión.

Cada articulación en un robot humanoide debe lograr simultáneamente: Alta precisión, Diseño liviano, Alta salida de par, Fiabilidad a largo plazo.

Solo cuando cada articulación cumple con estos requisitos estrictos puede todo el robot operar de manera suave, segura y natural. Esta es la razón fundamental por la cual el costo de los robots humanoides de alto rendimiento sigue siendo difícil de reducir.