ヒューマノイドロボットがコアレスモーターアプリケーションに新たなブルーオーシャンを開く理由
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導入
ヒューマノイドロボットは,汎用ロボットの優れた代表であり,「身体化された知能」の理想的なキャリアとして,一方では汎用人工知能の急速な発展から恩恵を受け,他方ではAIと現実世界の間の架け橋となることで, 「身体化知能」は,次世代の汎用人工知能の端末プラットフォームへと徐々に進化しています.ロボットタスクでは,AI の大型モデルが推論と意思決定において重要な役割を果たし,自然言語コマンドを分析することで複雑な命令をロボットが実行可能なステップに変換します.さらに,マルチモーダル AI 大型モデルの追加により,推論と意思決定の精度と効率が大幅に向上し,ヒューマノイド ロボットが一般化に向けて進むための重要なサポートを提供します.
モーターは人型ロボットの核となるコンポーネントの 1 つであり,コアレス モーターの応用には大きな可能性があります.
ロボット産業の急速な発展は,主要なコンポーネント技術の革新とその供給の安定性にかかっています.人型ロボットは減速機,サーボシステム,コントローラの3つがコアコンポーネントとされ,合わせて総コストの70％以上を占めます.また,中核部品としてモーターの価値も見逃せません. Optimus などの人型ロボットでは,モーターのコストが部品価格全体の約 25% を占めます.
人型ロボットの世界出荷台数が今後10年で500万台に達すると仮定すると,この時期にコアレスモーター(鉄芯のないモーター)の需要は大幅に市場が拡大すると予想されます.単価ベースでは,コアレスモーターの市場増加額は3,500億元に達する可能性があり,コアレスモーターの市場増加額は780億元を超えると予想されます.これら2つを合わせると4,280億人民元という広大な市場空間が形成されることになる.
人型ロボットがモーター技術のアップグレードを推進し,コアレスモーターが新たなブルーオーシャンとなる
固定された作業環境で使用される産業用ロボットとは異なり,ヒューマノイド ロボットは主に人間の日常生活のシナリオに役立ちます.これらのロボットには,知覚,意思決定,および行動能力が必要であるだけでなく,より自然な方法で環境やユーザーと対話するために人間の行動パターンをシミュレートする必要もあります.したがって,関節アクチュエーターの中核コンポーネントであるモーターは,ロボットの柔軟性,精度,安定性に直接影響を与えます.
さまざまな駆動技術の中でも,電気モーター駆動は油圧駆動に比べて大きな利点を示します.電気モーター駆動ソリューションは,成熟したモーション制御テクノロジーの恩恵を受けており,高精度エンコーダーを介してモーションステータスをリアルタイムにフィードバックし,正確な制御を保証します.同時に,電気モーター駆動システムは油圧システムに比べてコストが低く,必要なメンテナンスも少なくなります.このコスト効率の高い特性により,電動モーター駆動は人型ロボット開発における主流の選択肢の 1 つとなっています.
中でもコアレスモーターは,軽量,高効率,低慣性という特性を備え,人型ロボットの性能向上のキーコンポーネントとなっています.コアレスモーターは,少量でより高い出力密度とより高い応答速度を提供できるため,ロボットが多自由度の関節制御で優れたパフォーマンスを発揮できるようになります.さらに,コアレスモーターはエネルギー消費量が少ないため,ロボットのバッテリー寿命の延長に役立ちます.
01. 人型ロボットは急速に進化,モーターは重要部品
1.1 国の技術力を発揮する,日常生活に溶け込む人型ロボット
ヒューマノイド ロボットは,人間の日常生活において徐々に信頼できるアシスタントとなり,さまざまな複雑なタスクを支援することができます.通常,固定された環境で動作する産業用ロボットとは異なり,人型ロボットは人間の日常環境に溶け込むように設計されています.これらのロボットは,知覚,意思決定,行動といった核となる能力を備えているだけでなく,人間に似た動作特性や親しみやすい外観デザインを備えているため,人間に受け入れられやすく,親近感を抱かせることができます.人型ロボットは,さまざまな環境に柔軟に適応することで,家庭,サービス,ヘルスケアなどの分野で大きな応用可能性を示します.
人型ロボットは高度な知能機器として国家技術力の象徴とされています.その開発には,機械工学,電気工学,材料科学,センシング技術,制御システム,人工知能など,複数の分野にわたる技術的障壁を克服する必要があります.人間のような外観機能,二足歩行機能,および高度に調整された動作制御技術を備えたヒューマノイド ロボットは,物理的なタスクを実行し,言語や顔の表情を通じて人間とコミュニケーションすることができます.従来のロボットと比較して,ヒューマノイド ロボットは,人間と機械の相互作用,環境への適応,およびタスクの多様性において大きな利点を示します.
1.2 ヒューマノイドロボットの開発：構想から産業化まで
ロボットの概念は 1 世紀以上前から存在しており,人型ロボットの研究は世紀半ばに始まり,実験室のプロトタイプから工業化の初期段階に至るまで長い開発プロセスを経ました.{0}} 「ロボット」という用語が最初に使用されたのは,チェコの作家カレル・チャペックの戯曲『RUR(ロッサムの万能ロボット)』に由来しており,これは人類に奉仕する機械の奴隷を意味します. 1960年代に産業用ロボットの量産が始まり,米国ユニメーション社が発売したロボットアーム「UNIMATE」が商用産業用ロボットの時代を切り開いた.
人型ロボットの研究開発は日本で始まり,徐々に体系化と高度化の段階に入りました.
初期の探査段階 (1970 年代頃): 1973 年に日本の早稲田大学の加藤一郎教授が世界初の人型ロボット WABOT-1 を開発し,その WL-5 の二足歩行機構がヒューマノイドの基礎を築きました.ロボット.
技術統合段階(1980 年代-1990 年代): 1986 年にホンダは人型ロボット ASIMO の研究を開始し,2000 年に初代 ASIMO モデルが発売され,人型ロボットは高度に統合された技術段階に入りました.
ダイナミック パフォーマンス ブレークスルー ステージ (2000-2020): 2016 年,米国のボストン ダイナミクス社は二足歩行ロボット Atlas をリリースしました.このロボットは,その強力なバランス能力と障害物横断性能により,ダイナミックな動きとタスク実行において新たな高みに到達しました.危険な環境.
工業化初期段階(2020-現在): 2022 年,テスラは人型ロボットのプロトタイプ オプティマスを発売し,高度に統合された人工知能とモーター駆動テクノロジーをテスラ AI デイで披露しました. 2023年バージョンのオプティマスは物体の分類や正確なバランス調整が可能で,人型ロボットが徐々に実用化に向けて進んでいることを示している.
ロボット開発の歴史におけるマイルストーン
| 1920 | チェコの作家カレル・チャペックは,SF 劇 RUR の中で「ロボット」という用語を初めて使用し,現代のロボット概念の始まりとなりました. |
| 1939 | ニューヨーク万国博覧会で展示された Elektro は,音声応答と基本的な動作機能を備えた初期の人型ロボットの例でした. |
| 1941 | SF作家アイザック・アシモフは,ロボット研究の理論的基礎を意味する「ロボット工学」の概念を導入しました. |
| 1942 | アシモフは短編小説の中でロボット工学三原則を提案し,ロボット倫理の基礎を築きました. |
| 1951 | ロボット アームの開発は,将来の産業用ロボットへの道を切り開きました. |
| 1954 | アメリカの技術者ジョージ・デボルは,産業用ロボットの始まりを示す「Unimate」ロボットアームの特許を取得しました. |
| 1959 | ジョージ・デボルはジョゼフ・エンゲルバーガーと協力して「ユニメイト」を開発し,産業分野でのロボットの応用を開始しました. |
| 1961 | Unimate はゼネラルモーターズの溶接とダイカストの生産ラインに導入され,ロボットの商品化の兆しを見せました. |
| 1962 | 最初に商業的に成功した産業用ロボットが開発され,産業オートメーションの成長が加速しました. |
| 1968 | Shakeyは,自律航行と意思決定が可能な世界初のビジョンシステムを搭載したコンピュータ制御の移動ロボットです. |
| 1969 | エアクッションと人工筋肉を備えた初の二足歩行ロボットは,バイオニックロボット研究に新たな方向性を切り開きました. |
| 1971 | 加藤一郎教授は,初の三次元二足歩行ロボットである WAP-3 を開発しました. |
| 1973 | 完全な寸法と基本的な生体機能を備えた最初の人型ロボットが作成されました. |
| 1975 | PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) ロボット アームが導入され,産業用ロボットの分野で標準を確立しました. |
| 1988 | サービスロボット「ヘルプメイト」が病院に導入され,医療ロボットへの道が開かれた. |
| 1992 | インテュイティブ サージカルは,正確な低侵襲手術を実現する手術ロボット「ダ ヴィンチ」を開発しました. |
| 1996 | ホンダは P2 ロボット (自己平衡二足歩行機能付き) と P3 ロボット (完全自律型) を発売し,現代の人型ロボットの基礎を築きました. |
| 1999 | 韓国は初の商業エンターテイメントロボット「ロボビルダー」を導入し,世界初のロボット魚の開発に成功した. |
| 2002 | ホンダは,インテリジェントな対話機能を備えた先進の人型ロボット「ASIMO」を発表した. |
| 2005 | 韓国は,ロボットの環境適応性を高める,世界で最もインテリジェントな移動ロボットと称されるロボットを発売した. |
| 2006 | Microsoft は,ロボット ソフトウェアの開発を容易にする,ロボット用のモジュール型開発プラットフォームをリリースしました. |
| 2014 | ソフトバンクは,感情を認識してユーザーと対話できる「Pepper」を発表した. |
| 2016 | ボストン・ダイナミクスは,走ったりジャンプしたりする複雑でダイナミックな動作を実行できる人型ロボット「Atlas」を発売した. |
| 2017 | トヨタは,遠隔操作と繊細な応答を可能にするロボット T-HR3 を導入しました. |
| 2020 | Agility Robotics は,物流および配送アプリケーション向けに,価格 250 ドルの二足歩行ロボット「Digit」を発表しました.000. |
| 2021 | テスラはAIデイで,将来の労働の自動化を目指す人型ロボットプロジェクト「オプティマス」を発表した. |
| 2022 | Xiaomi は,AI モデルの進歩によりインテリジェント ロボットのインタラクティブ機能が強化される一方で,バイオニック機能を備えた初のフルサイズの人型ロボットを発表しました. |
| 2023 | ロボットは,スマート製造,無人配送,家庭内での付き添い,精密医療など,さまざまな分野でますます応用されています. |
| 2024 | 世界のロボット市場は拡大を続けており,ヘルスケア,製造,農業,セキュリティなどの業界の成長を推進しています. |
1.3 ヒューマノイドロボットとモーター技術の緊密な統合
人型ロボットの継続的な進化は,モーター技術のサポートと切り離すことができません.ロボットの関節駆動の中核コンポーネントであるモーターは,ロボットの動作性能を決定するだけでなく,ロボットの柔軟性と耐久性にも影響を与えます.モータードライブは,その高精度,低エネルギー消費,信頼性により,ヒューマノイドロボットに最も一般的に使用される電源ソリューションになりつつあります.一方,軽量,高効率,低慣性などの利点を持つコアレスモーターは,人型ロボットの急速な開発に重要な技術的サポートを提供しています.
今後,テクノロジーの更なる進歩により,人型ロボットはさまざまな生活シーンでより幅広く活用され,世界の経済社会の発展に新たな活力を吹き込むことになるでしょう.これにより,モーター市場,特にコアレスモーター市場は,新たな大いに期待されるブルーオーシャンとなります.
1.4 ヒューマノイドロボットの構造: 主要コンポーネントの分析
人型ロボットの主要な構造は,アクチュエーター,コントローラー,センサーの 3 つの主要モジュールに分割できます.モーター,減速機,センサーなどの主要コンポーネントがロボットの性能を決定します.以下はこれらのコンポーネントの詳細な分析です.
1.4.1 モーター
モーターは,サーボ モーター,ステッピング モーター,トルク モーター,球形モーターなど,ヒューマノイド ロボットの動作実行の中核です.中でもトルクモーターは,中低速で高トルクが得られるため,低速,高トルクが要求される人型ロボットの関節に最適と考えられています.しかし,研究や生産の難易度は比較的高く,技術的なボトルネックを突破する必要があります.
1.4.2 減速機
ハーモニック減速機は,そのコンパクトな構造,高い伝達比,優れた精度で広く認知されており,ロボットの関節コンポーネントとして一般的に選択されています.ただし,耐久性と寿命にはまだ改善の余地があります.
1.4.3 センサー
ロボットではセンサー,特に関節設計の重要な部分であるトルクセンサーが重要な役割を果たします.これらのセンサーは,モーターや減速機と組み合わせて関節アセンブリを形成し,正確な動作制御と力のフィードバックを提供します.
1.4.4 上肢の駆動方法
上肢には主にボールねじの設計が使用されており,ボールの往復運動をねじの直線運動に変換します.ベルトやチェーンドライブと比較して,ボールねじは摩擦が少なく,運用とメンテナンスのコストが低く,精度が高くなります.
1.4.5 下肢の駆動方法
遊星ローラーねじは,外力の衝撃に対する耐性と長い耐用年数で知られており,下肢駆動装置の主な選択肢となっており,特に複雑な歩行制御のニーズに対応するのに適しています.
1.4.6 ハンドジョイント
ハンドジョイントにはコアレスモーターが一般的に使用されます.シンプルな設計で軽量なモーターは,指の動きに最適な駆動部品であり,より細かい制御が可能です.
さらに,リニア ジョイントおよびロータリー ジョイントのベアリングの選択肢には,アンギュラ コンタクト ベアリング,クロス ローラー ベアリング,深溝玉軸受などがあります.これらのコンポーネントを組み合わせることで,ロボットの軽量性,精度,信頼性が確保されます.
1.5 モータードライブとロボット知能
モータードライブのインテリジェントな利点
油圧ドライブと比較して,モータードライブはモーション制御において特に優れたインテリジェントなパフォーマンスを発揮します.たとえば,テスラの人型ロボットは,従来の油圧システムをはるかに上回るインテリジェントなモーション制御を備えた高トルク密度サーボ モーター技術を採用しています.この設計により,動作ステータスをリアルタイムにフィードバックして制御精度を確保できるだけでなく,コストも比較的低く抑えられるため,大規模なアプリケーションに適しています.
サーボモーターの性能要件
ロボットアクチュエーターの中核となるサーボモーターは,以下の性能要件を満たす必要があります.
- 高速応答性: サーボ モーターは,高動的環境に適応するために,迅速に起動および停止する必要があります.
- 高い始動トルク対慣性比: サーボモーターは,低い回転慣性を維持しながら,高い始動トルクを提供する必要があります.
- 連続制御と線形特性: 正確な実行を保証するには,制御信号の変化に応じてモーター速度を連続的に調整する必要があります.
- コンパクトな設計: サーボ モーターは,ロボットのコンパクトな空間レイアウトに適合するように,サイズが小さく,軽量である必要があります.
- 耐久性と過負荷耐性: サーボ モーターは,頻繁な正逆回転と加減速動作に耐え,短時間であれば定格の数倍の負荷に耐える必要があります.
これらの特性により,サーボモーターはロボット工学の分野で不可欠なものとなり,ロボットの高度な知能と安定性の基盤を築きます.
パワーソース別の走行モードの特徴をご紹介
| タイプ | 導入 | 特徴 | 利点 | 短所 |
| 電気式 | 電気アクチュエーターには,DC (直流) サーボ,AC (交流) サーボ,ステッピングモーター,電磁石などが含まれ,最も一般的に使用されるアクチュエーターです.サーボは一般に,スムーズな動作を要求されることに加えて,優れた動的性能,頻繁な使用への適合性,メンテナンスの容易さなどを要求します. | 商用電源が使用可能ですが,送電方向はAC,DCの区別がありませんので,使用電圧,電力にご注意ください. | 操作が簡単：プログラミングが簡単：位置決めサーボ制御を実現できます：応答が速く,コンピュータ(CPU)との接続が簡単：小型,大電力,無公害. | 瞬時出力が大きい：過負荷差：一度固着すると焼損事故の原因となる：外来ノイズの影響を大きく受ける. |
| エア式 | 空気圧アクチュエータは,作動媒体として圧縮空気を使用することを除けば,油圧アクチュエータと何ら変わりません.エア駆動は大きな駆動力,ストローク,速度が得られますが,空気の粘性や圧縮率が低いため,高い位置決め精度が要求される用途には使用できません. | ガス圧源圧力5~7xMpa;熟練したオペレーターが必要です. | ガス式,低コスト：漏れがなく,環境汚染なし：応答が速く,操作が簡単です. | 電力が小さく,サイズが大きく,小型化が困難.動作が不安定で,長距離伝送が困難.うるさい;サーボが難しい. |
| 油圧式 | 油圧アクチュエータには主に往復シリンダ,回転シリンダ,油圧モータなどが含まれますが,シリンダが最も一般的です.同じ出力の下で,油圧コンポーネントは軽量で柔軟性に優れているという特徴があります. | 液体圧力源圧力20~80xMpa;熟練したオペレーターが必要です. | 大きな出力,高速,スムーズな動作により,位置決めサーボ制御を実現できます.コンピュータ(CPU)との接続が簡単です. | 装置の小型化が難しい.作動油と圧油の要件は厳格です.漏れやすく,環境汚染の原因となります. |
