1. Ripartizione e distribuzione del valore dei robot umanoidi
1. Smontaggio del robot umanoide
Al primo Tesla AI Day nell'agosto 2021, Tesla ha rilasciato un disegno concettuale del suo primo robot umanoide "Optimus". Il robot umanoide è alto 5 piedi e 8 pollici, pesa 125 libbre e ha una capacità di carico di 45 libbre e una capacità di stacco da terra di 150 libbre, che sarà controllata tramite algoritmi intelligenti simili a quelli utilizzati nei veicoli elettrici. Un prototipo sarà lanciato a febbraio 2022 e una nuova generazione di robot umanoide quasi completo sarà svelata in occasione dell'AI Day il 30 settembre 2022. Sarà svelato alla World Artificial Intelligence Conference a luglio 2023.
L'ultima generazione di Optimus rilasciata da Tesla ha 28 giunti (14 attuatori rotanti + 14 attuatori lineari) nella parte meccanica del corpo e le 2 mani agili hanno un totale di 12 giunti (6 attuatori * 2). Le mani agili del robot umanoide di Tesla sono progettate per imitare le mani umane e hanno capacità di presa adattive. La struttura della mano ha cinque dita e più giunti. Il pollice utilizza due motori per guidare la flessione e l'oscillazione laterale e le altre quattro dita hanno un motore ciascuna. Ha un totale di 6 attuatori, 11 gradi di libertà, un carico di 20 libbre, la capacità di adattarsi all'angolo di presa, la capacità di utilizzare utensili e la capacità di afferrare con precisione piccoli oggetti. I 28 attuatori sul robot umanoide Tesla sono distribuiti su spalle (6), gomiti (2), polsi (6), busto (2), fianchi (6), ginocchia (2 pezzi), caviglia (4 pezzi).
Soluzione di giunto rotante di Tesla Optimus: motore senza telaio + riduttore armonico + sensore di coppia + sensore di posizione + cuscinetti (cuscinetti a sfere a contatto obliquo + cuscinetti a rulli cilindrici incrociati) + encoder. Tesla ha presentato contemporaneamente il suo portafoglio di prodotti attuatori, che include tre riduttori rotanti con coppie diverse, rispettivamente 20Nm/110Nm/180Nm. Distribuzione su tutto il corpo: 6 sulle spalle, 2 sui polsi, 4 sui fianchi e 2 sul tronco.
Soluzione di giunto lineare Tesla Optimus: motore senza telaio + vite a rulli planetari + sensore di coppia + sensore di posizione + cuscinetto. Tesla ha dimostrato simultaneamente il suo portafoglio di prodotti attuatori, che include tre attuatori lineari con coppie diverse, con coppie di 500 N/3900 N/8000 N. Distribuzione dell'intero corpo: 2 gomiti, 4 polsi, 2 fianchi, 2 ginocchia e 4 caviglie.
2. Distribuzione del valore delle parti principali dei robot umanoidi
Facendo riferimento a Tesla Optimus, il valore del robot umanoide è distribuito principalmente nel sistema FSD, nel chip AI, nell'attuatore e nello scheletro dell'arto della mano destra: Chip FSD/AI: competitività di base di Tesla, il valore di una singola macchina è di circa 50,000 yuan e il costo rappresenta circa il 26,5%; Attuatore rotante: i prodotti di assemblaggio saranno forniti da terze parti, inclusi riduttori armonici (o nuovi riduttori simili ad armonici), motori di coppia senza telaio, sensori di coppia, encoder, cuscinetti e altre parti principali, il costo rappresenta circa il 23%; attuatore lineare: il prodotto di assemblaggio sarà fornito da terze parti, inclusi vite a rulli planetari, motore di coppia senza telaio, sensore di coppia, encoder, cuscinetto e altre parti principali, il costo rappresenta circa il 28%; mano destra: inclusi motore senza nucleo, riduttore epicicloidale, sensore, vite a sfere, ecc., che rappresentano circa il 7% del costo; scheletro dell'arto: parti strutturali meccaniche, che rappresentano circa il 13% del costo. Tra le parti non di assemblaggio fornite da terze parti, i motori coppia senza telaio (14,84%), le viti a rulli planetari (14,84%), i riduttori armonici (7,42%), i sensori di coppia (7,42%), gli encoder (4,45%), i motori coreless (3,82%) rappresentano una quota maggiore. 2. Analisi dei principali collegamenti dei robot umanoidi
1. Riduttore: le barriere tecniche sono elevate, la sostituzione interna sta accelerando
I riduttori per robot sono principalmente divisi in due categorie: riduttori RV e riduttori armonici. Il riduttore armonico ha i vantaggi di un ampio rapporto di trasmissione monostadio, dimensioni ridotte, massa ridotta ed elevata precisione di movimento. Può funzionare normalmente in spazi ristretti e condizioni di radiazione media ed è più adatto per campi di decelerazione di precisione a carico leggero, come robot umanoidi, ecc. Rispetto ai riduttori armonici, i riduttori RV hanno i vantaggi di un ampio intervallo di rapporti di trasmissione, precisione relativamente stabile, elevata resistenza alla fatica, ecc., nonché maggiore rigidità e capacità di carico di coppia. Sono principalmente adatti per parti a carico pesante come bracci robotici e basi di macchine. .
Le difficoltà dei riduttori armonici risiedono principalmente nella progettazione dei denti, nei materiali, nelle apparecchiature di lavorazione, nella tecnologia e nella consistenza. Le difficoltà tecniche includono specificamente: Progettazione della forma dei denti: poiché il principio di trasmissione del riduttore armonico è il movimento di accoppiamento tra due ingranaggi e il flexspline si deforma costantemente, l'altezza, la larghezza, la forma e altri design degli ingranaggi hanno un impatto maggiore sulle prestazioni di decelerazione. Influenza. Materiale: il flexspline si deforma e trasmette continuamente la coppia, il che pone grandi sfide alla consistenza, al carico, alla precisione e alla durata della fatica del materiale. I metalli e le leghe ordinari sono difficili da soddisfare i requisiti. Apparecchiature di lavorazione: il flexspline è molto sottile, con uno spessore di circa 100 μm. I requisiti di lavorazione e taglio sono elevati. Le rettificatrici CNC ad alta precisione e le macchine per la dentatura degli ingranaggi devono essere importate e le macchine utensili giapponesi ad alta precisione hanno restrizioni nel mio paese. Tecnologia di lavorazione: la lavorazione e il taglio degli spline flessibili sono molto impegnativi e alcuni processi si basano ancora sull'accumulo di esperienza dei dipendenti. Coerenza: nella produzione di massa su larga scala, è molto difficile ridurre il tasso di difettosità e mantenere la coerenza del prodotto. Rispetto ai riduttori armonici, i riduttori RV hanno una struttura più complessa e hanno requisiti più rigorosi per la precisione di lavorazione e la tecnologia. Le difficoltà tecniche sono specificamente: Precisione di lavorazione: la struttura è complessa. Nelle condizioni di lavoro effettive, il riduttore RV deve essere posizionato ripetutamente e accuratamente, il che equivale a un avviamento e una frenata continui per mantenere la precisione senza attenuazione. Se la precisione è bassa, causerà usura e rottura del prodotto. Tecnologia di lavorazione: la stretta cooperazione di vari processi, tra cui il trattamento termico della superficie dei denti, la precisione di lavorazione, la simmetria delle parti, la tecnologia di raggruppamento e la precisione di assemblaggio. Le tolleranze di assemblaggio finale di questi processi causeranno usura e durata del prodotto. Coerenza: come componenti di precisione, non è difficile per un singolo prodotto raggiungere prestazioni elevate, ma è una grande sfida per i prodotti prodotti in serie su larga scala soddisfare le prestazioni standard.
Si prevede che il monopolio delle importazioni di riduttori verrà interrotto e che la sostituzione interna sia in corso. Il mercato globale dei riduttori per robot è altamente concentrato, con i produttori giapponesi che occupano la maggior parte della quota di mercato. Nel 2021, Nabtesco occupava il 53% della quota di mercato dei riduttori RV in Cina e Hamon Naco occupava il 35,5% della quota di mercato dei riduttori armonici in Cina. Tuttavia, la Cina ha ora considerato le innovazioni nelle principali tecnologie di base dei robot come un progetto importante e i produttori nazionali hanno superato alcuni dei problemi nei componenti principali chiave come riduttori, controller e servosistemi. Il volume delle esportazioni dei riduttori RV in Cina ha mostrato una tendenza generale al rialzo, mentre il volume delle importazioni ha generalmente mostrato una tendenza al ribasso. È emersa la tendenza alla localizzazione dei riduttori RV. Negli ultimi anni, i produttori armonici nazionali sono gradualmente entrati nella catena di fornitura dei clienti a valle e la quota di mercato dei marchi cinesi è aumentata di anno in anno. Il prezzo unitario dei riduttori di precisione importati, come i prodotti della giapponese Hamonoko Company, è solitamente compreso tra 3,000 e 4,000 yuan. Il prezzo unitario dei riduttori di precisione nazionali è compreso tra il 30% e il 50% del prezzo, il che comporta un vantaggio di prezzo.
2. Vite conduttrice: le barriere tecniche sono molto elevate e c'è ampio margine di sostituzione nazionale.
La vite è un prodotto ideale per convertire il moto rotatorio in moto lineare o per convertire il moto lineare in moto rotatorio. I prodotti a vite comuni includono viti scorrevoli, viti a sfere, viti a rulli planetari, ecc. La vite a sfere è un elemento di trasmissione comunemente utilizzato nei macchinari di precisione industriali. La sua struttura principale comprende tre parti: vite a sfere, chiocciola a sfere e sfera. Il principio di trasmissione principale è convertire il moto rotatorio in moto lineare e convertire l'attrito radente in attrito volvente. Quando la vite ruota rispetto al dado, la superficie rotante della vite spinge il dado a muoversi assialmente attraverso il rotolamento ciclico delle sfere, trasformando la rotazione in moto lineare; il rotolamento delle sfere fa sì che l'attrito radente tra la vite e il dado si trasformi nell'attrito radente tra le sfere, la vite e il dado. L'attrito volvente tra di loro trasforma lo scorrimento in rotolamento, migliorando notevolmente l'efficienza della trasmissione. Le viti a rulli planetari sono un ramo ad alta precisione della nuova generazione di viti filettate, con prestazioni complete e ampie prospettive di applicazione. La vite a rulli planetari genera attrito volvente a contatto lineare attraverso rulli ingranati, il che aumenta notevolmente la superficie di contatto e la superficie di sollecitazione durante il processo di trasmissione della vite. Rispetto alle precedenti viti a sfere utilizzate per la trasmissione di precisione, l'efficienza della trasmissione non è significativamente persa. Allo stesso tempo, ha le caratteristiche di alta velocità, alto carico, alta rigidità, alta gamma di passo, dimensioni più piccole, rumore inferiore e manutenzione e smontaggio più facili. È stato utilizzato in campi globali di alta precisione come aerospaziale, armi e attrezzature ed energia nucleare. Ha anche ampie esigenze applicative in scenari civili come macchine utensili, sistemi ABS per autoveicoli e industrie petrolchimiche.
Vite a sfere: la vite a sfere è stata inventata nel 1874. Negli anni '30, la General Motors degli Stati Uniti ha applicato per la prima volta componenti a vite a sfere nei dispositivi di sterzo delle automobili. Negli anni '40, le coppie di viti a sfere sono state utilizzate per la prima volta su macchine utensili CNC. , ed è diventata un elemento di alimentazione ideale per macchine utensili CNC; con lo sviluppo di macchine utensili e apparecchiature di automazione, sono state promosse la ricerca e la produzione di coppie di viti a sfere. Negli anni '50, molti produttori di viti a sfere hanno iniziato ad apparire nei paesi industrialmente sviluppati, come la britannica ROTAX, la giapponese NSK, ecc. Lo sviluppo di coppie di viti a sfere per macchine utensili CNC nel nostro paese è iniziato negli anni '50. Nel 1964, il mio paese ha progettato e sviluppato autonomamente il primo set di coppie di viti a sfere. Da quando il paese ha lanciato progetti correlati nel 2009, aziende nazionali come Hanjiang Machine Tool e Shandong Bote Seiko e altre hanno ottenuto molti risultati eccellenti, ma al momento il mio paese ha ancora margini di miglioramento nei prodotti ad alte prestazioni rispetto alle aziende avanzate del mondo. Nel mercato interno, il mercato delle viti a sfere di fascia medio-alta è occupato principalmente da aziende tedesche e giapponesi, come THK, aziende internazionali come NSK e Rexroth possono occupare il 90% della quota di mercato nel mercato di fascia alta, mentre le aziende della Cina continentale sono principalmente attive nel mercato di fascia media, rappresentando circa il 30% della quota di mercato. Il motivo principale è che le aziende del nostro paese sono di piccole dimensioni, hanno iniziato tardi e non riescono a raggiungere un elevato livello di precisione nella qualità del prodotto.
Vite a rulli planetari: nel 1942, lo svedese Carl Bruno Strandgren presentò per la prima volta una domanda di brevetto per una vite a rulli planetari a ricircolo. Nel 1954, presentò domanda di brevetto per una vite a rulli planetari standard e inversa. Nel 1986, William J. Roantree inventò la vite a rulli planetari differenziale, e poi Oliver Saari inventò la vite a rulli planetari con anello di cuscinetto. Nel 1970, la svizzera Rollvis Company iniziò a sviluppare viti a rulli planetari. Anche la svedese SKF sviluppò viti a rulli planetari. Moog negli Stati Uniti, Ortlieb in Germania e Power Jacks nel Regno Unito hanno tutte le proprie viti a rulli planetari mature. Prodotti; Exlar negli Stati Uniti e Rexroth in Germania utilizzano entrambe viti a rulli planetari nei rispettivi attuatori elettromeccanici. Nel 2022, le aziende giapponesi ed europee di viti a rulli rappresenteranno fino al 90% del mercato cinese. Secondo i dati del Guanyan Report Network, i primi quattro produttori nel mercato delle viti a rulli planetari del mio Paese nel 2022 sono Rollvis (Svizzera), GSA (Svizzera), Ewellix (Svezia) e Rexroth (Germania), con quote di mercato del 27%, 26%, 13%, 12%. Poiché le imprese cinesi hanno iniziato tardi in questo settore, la loro forza competitiva è molto inferiore a quella delle imprese nei Paesi industrializzati stranieri.