1. Desglose y distribución de valores de los robots humanoides
1. Desmontaje del robot humanoide
En el primer Día de la Inteligencia Artificial de Tesla, celebrado en agosto de 2021, Tesla publicó un boceto conceptual de su primer robot humanoide, "Optimus". El robot humanoide mide 1,72 metros de alto, pesa 56 kilos y tiene una capacidad de carga de 20 kilos y una capacidad de peso muerto de 68 kilos, que se controlará mediante algoritmos inteligentes similares a los que se utilizan en los vehículos eléctricos. Se lanzará un prototipo en febrero de 2022 y se dará a conocer una nueva generación de robot humanoide casi completo en el Día de la Inteligencia Artificial, el 30 de septiembre de 2022. Se dará a conocer en la Conferencia Mundial de Inteligencia Artificial en julio de 2023.
La última generación de Optimus lanzada por Tesla tiene 28 articulaciones (14 actuadores rotatorios + 14 actuadores lineales) en la parte mecánica del cuerpo, y las 2 manos diestras tienen un total de 12 articulaciones (6 actuadores * 2). Las manos diestras del robot humanoide de Tesla están diseñadas para imitar las manos humanas y tienen capacidades de agarre adaptativas. La estructura de la mano tiene cinco dedos y múltiples articulaciones. El pulgar usa motores duales para impulsar la flexión y el balanceo lateral, y los otros cuatro dedos tienen un motor cada uno. Tiene un total de 6 actuadores, 11 grados de libertad, una carga de 20 libras, la capacidad de adaptarse al ángulo de agarre, la capacidad de usar herramientas y la capacidad de agarrar objetos pequeños con precisión. Los 28 actuadores del robot humanoide Tesla están distribuidos en los hombros (6), codos (2), muñecas (6), torso (2), caderas (6), rodillas (2 piezas), tobillo (4 piezas).
Solución de articulación rotativa de Tesla Optimus: motor sin marco + reductor armónico + sensor de par + sensor de posición + cojinetes (rodamientos de bolas de contacto angular + cojinetes de rodillos cilíndricos cruzados) + codificador. Tesla mostró simultáneamente su cartera de productos de actuadores, que incluye tres reductores rotativos con diferentes pares, respectivamente 20 Nm/110 Nm/180 Nm. Distribución en todo el cuerpo: 6 en los hombros, 2 en las muñecas, 4 en las caderas y 2 en el tronco.
Solución de articulación lineal Optimus de Tesla: motor sin marco + tornillo de rodillos planetarios + sensor de par + sensor de posición + rodamiento. Tesla demostró simultáneamente su cartera de productos de actuadores, que incluye tres actuadores lineales con diferentes pares, con pares de 500 N/3900 N/8000 N. Distribución en todo el cuerpo: 2 codos, 4 muñecas, 2 caderas, 2 rodillas y 4 tobillos.
2. Distribución del valor de las partes principales de los robots humanoides
En referencia a Tesla Optimus, el valor del robot humanoide se distribuye principalmente en el sistema FSD, el chip AI, el actuador y el esqueleto de la extremidad de la mano diestra: Chip FSD/AI: la competitividad central de Tesla, el valor de una sola máquina es de aproximadamente 50,000 yuanes, y el costo representa aproximadamente el 26,5%; Actuador rotatorio: los productos de ensamblaje serán suministrados por terceros, incluidos reductores armónicos (o nuevos reductores similares a armónicos), motores de torsión sin marco, sensores de torsión, codificadores, cojinetes y otras partes principales, el costo representa aproximadamente el 23%; actuador lineal: el producto de ensamblaje será suministrado por un tercero, incluido el tornillo de rodillo planetario, el motor de torsión sin marco, el sensor de torsión, el codificador, el cojinete y otras partes principales, el costo representa aproximadamente el 28%; mano diestra: incluye motor sin núcleo, caja de engranajes planetarios, sensor, tornillo de bolas, etc., lo que representa aproximadamente el 7% del costo; esqueleto de la extremidad: piezas estructurales mecánicas, que representan aproximadamente el 13% del costo. Entre las piezas no ensambladas suministradas por terceros, los motores de par sin bastidor (14,84%), los husillos de rodillos planetarios (14,84%), los reductores armónicos (7,42%), los sensores de par (7,42%), los codificadores (4,45%) y los motores sin núcleo (3,82%) representan una proporción mayor. 2. Análisis de los principales eslabones de los robots humanoides
1. Reductor: Las barreras técnicas son altas, la sustitución interna se está acelerando
Los reductores de robot se dividen principalmente en dos categorías: reductores RV y reductores armónicos. El reductor armónico tiene las ventajas de una gran relación de transmisión de una sola etapa, tamaño pequeño, baja masa y alta precisión de movimiento. Puede funcionar normalmente en espacios confinados y condiciones de radiación media, y es más adecuado para campos de desaceleración de precisión de carga ligera, como robots humanoides, etc. En comparación con los reductores armónicos, los reductores RV tienen las ventajas de un amplio rango de relación de transmisión, precisión relativamente estable, alta resistencia a la fatiga, etc., así como mayor rigidez y capacidad de carga de par. Son principalmente adecuados para piezas de carga pesada como brazos de robot y bases de máquinas.
Las dificultades de los reductores armónicos radican principalmente en el diseño de los dientes, los materiales, el equipo de procesamiento, la tecnología y la consistencia. Las dificultades técnicas incluyen específicamente: Diseño de la forma del diente: dado que el principio de transmisión del reductor armónico es el movimiento de engrane entre dos engranajes, y el flexspline se deforma constantemente, la altura, el ancho, la forma y otros diseños de los engranajes tienen un mayor impacto en el rendimiento de desaceleración. Influencia. Material: El flexspline se deforma continuamente y transmite par, lo que plantea grandes desafíos para la consistencia, la carga, la precisión y la vida útil por fatiga del material. Los metales y aleaciones comunes son difíciles de cumplir con los requisitos. Equipo de procesamiento: El flexspline es muy delgado, con un espesor de aproximadamente 100 μm. Los requisitos de procesamiento y corte son altos. Las rectificadoras CNC de alta precisión y las máquinas talladoras de engranajes deben importarse, y las máquinas herramienta japonesas de alta precisión tienen restricciones en mi país. Tecnología de procesamiento: el procesamiento y corte de estrías flexibles son muy exigentes y algunos procesos aún dependen de la acumulación de experiencia de los empleados. Consistencia: En la producción en masa a gran escala, es muy difícil reducir la tasa de defectos y mantener la consistencia del producto. En comparación con los reductores armónicos, los reductores RV tienen una estructura más compleja y tienen requisitos más estrictos para la precisión y la tecnología de procesamiento. Las dificultades técnicas son específicamente: Precisión de procesamiento: La estructura es compleja. En condiciones de trabajo reales, el reductor RV debe posicionarse repetidamente y con precisión, lo que equivale a un arranque y frenado continuos para mantener la precisión sin atenuación. Si la precisión es baja, provocará desgaste del producto. Tecnología de procesamiento: La estrecha cooperación de varios procesos, incluido el tratamiento térmico de la superficie del diente, la precisión de procesamiento, la simetría de la pieza, la tecnología de agrupamiento y la precisión de ensamblaje. Las tolerancias de ensamblaje final de estos procesos provocarán desgaste y vida útil del producto. Consistencia: Como componentes de precisión, no es difícil que un solo producto logre un alto rendimiento, pero es un gran desafío para los productos producidos en masa a gran escala cumplir con el rendimiento estándar.
Se espera que se rompa el monopolio de importación de reductores y que la sustitución nacional esté en marcha. El mercado mundial de reductores de robots está muy concentrado, y los fabricantes japoneses ocupan la mayor parte de la cuota de mercado. En 2021, Nabtesco ocupó el 53% de la cuota de mercado de reductores de RV de China y Hamon Naco ocupó el 35,5% de la cuota de mercado de reductores armónicos de China. Sin embargo, China ha considerado ahora los avances en las tecnologías centrales clave de los robots como un proyecto importante, y los fabricantes nacionales han superado algunos de los problemas en los componentes centrales clave, como reductores, controladores y servosistemas. El volumen de exportación de reductores de RV de China ha mostrado una tendencia general al alza, mientras que el volumen de importación ha mostrado en general una tendencia a la baja. Ha surgido la tendencia de localización de los reductores de RV. En los últimos años, los fabricantes nacionales de armónicos han entrado gradualmente en la cadena de suministro de los clientes posteriores, y la cuota de mercado de las marcas chinas ha aumentado año tras año. El precio unitario de los reductores de precisión importados, como los productos de la empresa japonesa Hamonoko, suele estar entre 3,5 y 4,7 yuanes. El precio unitario de los reductores de precisión nacionales es entre el 30% y el 50% del precio, lo que supone una ventaja de precio.
2. Tornillo de avance: Las barreras técnicas son muy altas y hay mucho espacio para la sustitución nacional.
El tornillo es un producto ideal para convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal, o convertir el movimiento lineal en movimiento rotatorio. Los productos de tornillo comunes incluyen tornillos deslizantes, tornillos de bolas, tornillos de rodillos planetarios, etc. El tornillo de bolas es un elemento de transmisión comúnmente utilizado en maquinaria de precisión industrial. Su estructura principal incluye tres partes: tornillo de bolas, tuerca de bolas y bola. El principio de transmisión central es convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal y convertir la fricción deslizante en fricción de rodadura. Cuando el tornillo gira con respecto a la tuerca, la superficie giratoria del tornillo empuja la tuerca para que se mueva axialmente a través del rodamiento cíclico de las bolas, convirtiendo la rotación en movimiento lineal; el rodamiento de las bolas hace que la fricción deslizante entre el tornillo y la tuerca se convierta en fricción deslizante entre las bolas, el tornillo y la tuerca. La fricción de rodadura entre ellos convierte el deslizamiento en rodadura, mejorando en gran medida la eficiencia de transmisión. Los tornillos de rodillos planetarios son una rama de alta precisión de la nueva generación de tornillos roscados, con un sólido rendimiento integral y amplias perspectivas de aplicación. El tornillo de rodillos planetarios genera fricción de rodadura de contacto lineal a través de rodillos engranados, lo que aumenta en gran medida la superficie de contacto y la superficie de tensión durante el proceso de transmisión del tornillo. En comparación con los husillos de bolas utilizados anteriormente para la transmisión de precisión, la eficiencia de transmisión no se pierde significativamente. Al mismo tiempo, tiene las características de alta velocidad, alta carga, alta rigidez, amplio rango de avance, tamaño más pequeño, menor ruido y mantenimiento y desmontaje más fáciles. Se ha utilizado en campos globales de alta precisión como la industria aeroespacial, armas y equipos y energía nuclear. También tiene amplias necesidades de aplicación en escenarios civiles como máquinas herramienta, sistemas ABS automotrices e industrias petroquímicas.
Tornillo de bolas: El tornillo de bolas fue inventado en 1874. En la década de 1930, General Motors de los Estados Unidos aplicó por primera vez componentes de tornillo de bolas en dispositivos de dirección de automóviles. En la década de 1940, los pares de tornillos de bolas se utilizaron por primera vez en máquinas herramienta CNC. , y se ha convertido en un elemento de alimentación ideal para máquinas herramienta CNC; con el desarrollo de máquinas herramienta y equipos de automatización, se ha promovido la investigación y producción de pares de tornillos de bolas. En la década de 1950, muchos fabricantes de tornillos de bolas comenzaron a aparecer en países industrialmente desarrollados, como la británica ROTAX, la japonesa NSK, etc. El desarrollo de pares de tornillos de bolas para máquinas herramienta CNC en nuestro país comenzó en la década de 1950. En 1964, mi país diseñó y desarrolló el primer conjunto de pares de tornillos de bolas por su cuenta. Desde que el país lanzó proyectos relacionados en 2009, empresas nacionales como Hanjiang Machine Tool y Shandong Bote Seiko y otras han logrado muchos resultados excelentes, pero en la actualidad, mi país todavía tiene margen de mejora en productos de alto rendimiento en comparación con las empresas avanzadas del mundo. En el mercado nacional, el mercado de husillos a bolas de gama media a alta está ocupado principalmente por empresas alemanas y japonesas, como THK, empresas internacionales como NSK y Rexroth pueden ocupar el 90% de la cuota de mercado en el mercado de gama alta, mientras que las empresas de China continental están principalmente activas en el mercado de gama media, representando alrededor del 30% de la cuota de mercado. La razón principal es que las empresas de nuestro país son de pequeña escala, comenzaron tarde y no pueden alcanzar un alto nivel de precisión en la calidad del producto.
Tornillo de rodillos planetarios: En 1942, el sueco Carl Bruno Strandgren solicitó por primera vez una patente para un tornillo de rodillos planetarios de recirculación. En 1954, solicitó una patente para un tornillo de rodillos planetarios estándar e inverso. En 1986, William J. Roantree inventó el tornillo de rodillos planetarios diferenciales y luego Oliver Saari inventó el tornillo de rodillos planetarios con anillo de rodamiento. En 1970, la empresa suiza Rollvis comenzó a desarrollar tornillos de rodillos planetarios. SKF de Suecia también desarrolló tornillos de rodillos planetarios. Moog en los Estados Unidos, Ortlieb en Alemania y Power Jacks en el Reino Unido tienen sus propios tornillos de rodillos planetarios maduros. Productos; Exlar de los Estados Unidos y Rexroth de Alemania utilizan tornillos de rodillos planetarios en sus respectivos actuadores electromecánicos. En 2022, las empresas de tornillos de rodillos japonesas y europeas representarán hasta el 90% del mercado chino. Según datos de Guanyan Report Network, los cuatro principales fabricantes en el mercado de suministro de tornillos de rodillos planetarios de mi país en 2022 son Rollvis (Suiza), GSA (Suiza), Ewellix (Suecia) y Rexroth (Alemania), con cuotas de mercado del 27 %, 26 %, 13 % y 12 %. Debido a que las empresas chinas comenzaron tarde en esta industria, su fuerza competitiva está muy por detrás de la de las empresas de países industrialmente desarrollados extranjeros.