Quand les robots humanoïdes seront-ils commercialisés, et pourquoi leur prix est-il si difficile à réduire ?

Avec des capitaux massifs investis dans l'industrie des robots humanoïdes, ces derniers se dirigent clairement vers une production de masse à grande échelle. Pourtant, une question fondamentale demeure : pourquoi leur prix reste-t-il si difficile à faire baisser ?
Même la Chine—souvent appelée l'usine du monde—n'a pas été capable de produire des robots humanoïdes véritablement bon marché.

Par exemple, le Unitree H1 est vendu autour de 650 000 RMB, tandis que le Unitree G1, qui supprime les mains habiles coûteuses (et ne peut donc pas être strictement considéré comme un robot humanoïde complet) et réduit considérablement les degrés de liberté, coûte toujours 99 000 RMB.

La raison fondamentale réside dans une exigence incontournable : un haut degré de liberté.
Un DOF élevé est essentiel pour les robots humanoïdes, ce qui conduit directement à ce que les modules articulaires représentent une proportion constamment élevée de la valeur totale du système.

Pourquoi les robots humanoïdes sont-ils si chers ?

Dans les robots humanoïdes, les articulations représentent environ 60 % à 70 % du coût total.

Prenons l'exemple représentatif de Tesla Optimus :
Un robot humanoïde typique comporte 28 actionneurs, répartis équitablement entre actionneurs linéaires et actionneurs rotatifs.

Les actionneurs rotatifs sont principalement composés de :
moteur servo sans cadre + réducteur harmonique + driver de moteur + embrayage + capteur de force + encodeur

Les actionneurs linéaires, similaires aux muscles humains, sont principalement composés de :
moteur servo sans cadre + vis à billes planétaires / vis trapézoïdale + driver de moteur + capteur de force + encodeur

Les 28 articulations de Tesla Optimus utilisent des moteurs à couple sans cadre comme source principale d'énergie.

Parmi eux :

14 articulations rotatives adoptent un moteur à couple sans cadre + réducteur harmonique

14 articulations linéaires adoptent un moteur à couple sans cadre + vis à billes planétaires

La version de base du Unitree G1 est équipée de 23 moteurs sans cadre, chacun coûtant environ 190 à 285 USD, ce qui entraîne un coût total des moteurs articulaires d'environ 4 300 à 6 900 USD.

Pourquoi les articulations sont-elles si critiques dans les robots humanoïdes ?

Les articulations des robots sont les éléments clés qui permettent le mouvement humanoïde.
Seuls les modules articulaires avec des rapports de réduction ultra-élevés, une densité de couple extrêmement élevée et un jeu quasi nul—à savoir les modules articulaires harmoniques—peuvent permettre des mouvements véritablement humanoïdes et naturels.

Bien que les modules articulaires contribuent significativement au coût global, au stade actuel de la technologie, les modules articulaires harmoniques restent la seule solution qui atteint le meilleur équilibre entre taille, poids, précision et couple. Cela les rend irremplaçables.

Pourquoi les moteurs à couple sans cadre sont-ils si importants dans les articulations des robots humanoïdes ?

L'industrie des robots humanoïdes utilise presque exclusivement des moteurs sans cadre dans les articulations.
Un moteur à couple sans cadre est un type de moteur synchrone à aimant permanent qui conserve uniquement le cœur générateur de couple et de vitesse d'un moteur traditionnel—sans arbre, roulements, carter ou capots.

Un moteur sans cadre se compose uniquement de deux parties :

Rotor : un anneau d'acier rotatif interne avec des aimants permanents, monté directement sur l'arbre de la machine

Stator : un composant externe avec des tôles empilées et des enroulements en cuivre, monté étroitement à l'intérieur du carter mécanique pour générer une force électromagnétique

Contrairement aux servomoteurs conventionnels, qui sont principalement évalués par leur puissance de sortie, les moteurs à couple sans cadre sont évalués par leur couple de sortie.

Alimenté par une unité d'entraînement, le driver contrôle les courants triphasés UVW pour générer un champ magnétique qui entraîne le rotor à aimant permanent. Le retour peut être fourni via des capteurs à effet Hall ou des encodeurs externes, permettant au driver de comparer le retour réel avec les valeurs cibles et d'ajuster précisément la position du rotor pour obtenir un contrôle servo.

L'avantage clé des moteurs sans cadre réside dans leur couple et leur densité de puissance élevés, ainsi que leur excellente efficacité en termes de volume et de poids.
En augmentant le remplissage des encoches du stator (intégration de plus d'enroulements en cuivre) et en optimisant la conception structurelle (légèreté, profils minces), les moteurs sans cadre fournissent un couple puissant dans un espace limité—ce qui les rend idéaux pour les robots humanoïdes, où la taille, le poids et les performances dynamiques sont critiques.

Leurs caractéristiques de haute densité incluent :Une puissance de sortie plus élevée dans le même volume,Une taille plus petite pour le même niveau de puissance,Une augmentation de température plus faible

Grâce à une conception intégrée et à des processus de moulage optimisés, l'efficacité énergétique et la fiabilité sont également considérablement améliorées.

Pourquoi les réducteurs sont-ils si importants dans les articulations des robots humanoïdes ?

En comparant les réducteurs harmoniques, les réducteurs RV et les réducteurs planétaires, les réducteurs harmoniques sont actuellement la solution optimale pour les articulations des membres supérieurs des robots humanoïdes.

Dans les transmissions harmoniques :30 % à 50 % des dents totales sont engagées simultanément,Les erreurs sont moyennées sur plusieurs dents, fournissant une compensation mutuelle,La précision de transmission est extrêmement élevée, avec un jeu contrôlable à moins d'une minute d'arc,Sous le même niveau de précision des engrenages, l'erreur de transmission est environ un quart de celle des systèmes d'engrenages cylindriques conventionnels.

En ajustant légèrement le rayon du générateur d'ondes pour augmenter la déformation de la roue flexible, le jeu peut être réduit à presque zéro, voire complètement éliminé—ce qui rend les transmissions harmoniques particulièrement adaptées aux mouvements de renversement fréquents.

Comment fonctionnent les réducteurs harmoniques ?

La transmission harmonique repose sur l'interaction entre le générateur d'ondes et la roue flexible.
Lorsque le générateur d'ondes tourne, son profil elliptique provoque une déformation élastique périodique de la roue flexible. Comme la roue flexible et la couronne dentée diffèrent en nombre de dents (généralement de deux dents), la position d'engrènement se déplace continuellement.

Pour chaque rotation de 180 degrés du générateur d'ondes, la position d'engrènement de la roue flexible se déplace d'un pas de dent le long de la circonférence. Ce déplacement relatif accumulé crée une différence de vitesse entre la roue flexible et la couronne dentée.

En conséquence, lorsque le générateur d'ondes effectue une rotation complète, la roue flexible ne tourne que
(différence de dents / dents de la couronne dentée) × 360 degrés,
atteignant ainsi un rapport de réduction très élevé.

Le réducteur harmonique est un composant critique du module articulaire harmonique.
Le moteur et le réducteur harmonique doivent être correctement adaptés en puissance—ni sous-dimensionnés ni surdimensionnés. Dans la conception des articulations, les paramètres du réducteur (couple, vitesse) doivent d'abord être déterminés, puis le moteur est sélectionné en conséquence.

Le prix élevé des robots humanoïdes n'est pas causé par des primes de marque, mais par la complexité technique et la difficulté de fabrication de précision.

Chaque articulation d'un robot humanoïde doit simultanément atteindre :Une haute précision,Une conception légère,Une sortie de couple élevée,Une fiabilité à long terme.

Ce n'est que lorsque chaque articulation répond à ces exigences strictes que le robot entier peut fonctionner de manière fluide, sûre et naturelle.C'est la raison fondamentale pour laquelle le coût des robots humanoïdes haute performance reste difficile à réduire.