Почему роботы-гуманоиды открывают новый голубой океан для бессердечных двигателей

 

Роботы-гуманоиды, как выдающиеся представители роботов общего назначения и идеальные носители «воплощенного интеллекта», извлекают выгоду, с одной стороны, из быстрого развития общего искусственного интеллекта, а с другой стороны, становясь мостом между ИИ и реальным миром с помощью «воплощенный интеллект», постепенно превращающийся в терминальную платформу для следующего поколения общего искусственного интеллекта. В задачах роботов крупные модели ИИ играют ключевую роль в рассуждениях и принятии решений, преобразуя сложные инструкции в исполняемые шаги для роботов путем анализа команд на естественном языке. Более того, добавление мультимодальных больших моделей ИИ значительно повышает точность и эффективность рассуждений и принятия решений, обеспечивая важную поддержку роботам-гуманоидам в продвижении к обобщению.

 

 

Быстрое развитие индустрии робототехники зависит от инноваций в технологиях ключевых компонентов и стабильности их поставок. В роботах-гуманоидах редуктор, сервосистема и контроллер считаются тремя основными компонентами, на которые вместе приходится более 70% общей стоимости. Кроме того, нельзя упускать из виду ценность двигателя как основного компонента. В роботах-гуманоидах, таких как Optimus, стоимость двигателя составляет примерно 25% от общей стоимости компонентов.

 

Если предположить, что глобальный объем поставок гуманоидных роботов достигнет 5 миллионов единиц в следующем десятилетии, спрос на двигатели без сердечника (без железных сердечников) в этот период будет стремительно расти. Исходя из цен за единицу, прирост рынка двигателей без сердечника может достичь 350 миллиардов юаней, в то время как ожидается, что прирост рынка двигателей без сердечника превысит 78 миллиардов юаней. Вместе эти двое образуют обширное рыночное пространство в 428 миллиардов юаней.

 

 

В отличие от промышленных роботов, используемых в стационарных рабочих условиях, роботы-гуманоиды в первую очередь служат сценариям повседневной жизни человека. Этим роботам нужны не только способности к восприятию, принятию решений и действиям, но также необходимо имитировать модели поведения человека, чтобы взаимодействовать с окружающей средой и пользователями более естественным образом. Таким образом, двигатели, как основные компоненты приводов суставов, напрямую влияют на гибкость, точность и стабильность робота.

 

Среди различных технологий привода электропривод имеет значительные преимущества перед гидравлическим приводом. Решение с электроприводом использует усовершенствованную технологию управления движением, обеспечивая обратную связь о состоянии движения в реальном времени через высокоточные энкодеры для обеспечения точного управления. В то же время стоимость систем привода с электродвигателями ниже по сравнению с гидравлическими системами и требует меньшего обслуживания. Эта экономичная характеристика делает привод электродвигателя одним из основных вариантов разработки роботов-гуманоидов.

 

Среди них бессердечниковые двигатели с их легким весом, высокой эффективностью и низкой инерцией стали ключевыми компонентами в улучшении производительности роботов-гуманоидов.Двигатели без сердечника могут обеспечить большую плотность мощности и более высокую скорость отклика в небольших объемах, что позволяет роботам демонстрировать превосходные характеристики при управлении суставами с несколькими степенями свободы. Кроме того, двигатели без сердечника потребляют меньше энергии, что помогает роботам продлить срок службы батареи.

 

1.1 Роботы-гуманоиды интегрируются в повседневную жизнь, демонстрируя национальную технологическую мощь

Роботы-гуманоиды постепенно стали надежными помощниками в повседневной жизни человека, способными помогать при выполнении множества сложных задач. В отличие от промышленных роботов, которые обычно работают в фиксированных условиях, роботы-гуманоиды предназначены для интеграции в повседневную среду обитания человека. Эти роботы не только обладают основными способностями, такими как восприятие, принятие решений и действия, но также имеют человеческие характеристики движений и дружелюбный внешний вид, что делает их более легко воспринимаемыми людьми и создает ощущение знакомости. Гибко адаптируясь к различным средам, роботы-гуманоиды демонстрируют огромный потенциал применения в таких областях, как дом, услуги и здравоохранение.

 

Будучи передовыми интеллектуальными устройствами, роботы-гуманоиды считаются символами национальной технологической мощи. Их развитие требует преодоления технологических барьеров во многих дисциплинах, включая машиностроение, электротехнику, материаловедение, сенсорные технологии, системы управления и искусственный интеллект. Благодаря внешнему виду, напоминающему человека, способности ходить на двух ногах и высокоскоординированным технологиям управления движениями, роботы-гуманоиды могут выполнять физические задачи и общаться с людьми посредством языка или мимики. По сравнению с традиционными роботами, роботы-гуманоиды демонстрируют значительные преимущества во взаимодействии человека и машины, адаптации к окружающей среде и универсальности задач.

 

 

1.2 Разработка гуманоидных роботов: от концепции к индустриализации

Концепция роботов существует уже более века, а исследования роботов-гуманоидов начались в середине-20века и прошли долгий процесс разработки - от лабораторных прототипов до ранних этапов индустриализации. Самое раннее использование термина «робот» происходит из пьесы чешского писателя Карела Чапека RUR («Универсальные роботы Россума»), что означает «машинные рабы, которые служат человечеству». Массовое производство промышленных роботов началось в 1960-х годах с выпуска роботизированной руки UNIMATE американской компанией Unimation, открывшей эру коммерческих промышленных роботов.

 

Исследования и разработки человекоподобных роботов начались в Японии и постепенно вышли на стадии систематизации и высокой динамики:

 

Ранняя стадия исследования (около 1970-х годов). В 1973 году профессор Ичиро Като из Университета Васэда в Японии разработал первого в мире робота-гуманоида WABOT-1, а его двуногий механизм ходьбы WL-5 заложил основу для гуманоида. роботы.

 

Этап интеграции технологий (1980-е годы-1990): в 1986 году компания Honda начала исследования гуманоидного робота ASIMO, а в 2000 году была выпущена модель ASIMO первого поколения, что ознаменовало переход гуманоидных роботов на высокоинтегрированный технологический этап.

 

Этап прорыва в динамических характеристиках (2000-2020). В 2016 году компания Boston Dynamics, США, выпустила двуногого робота Atlas, который благодаря своей мощной способности балансировать и преодолевать препятствия достиг новых высот в динамичном движении и выполнении задач в опасные среды.

 

Ранняя стадия индустриализации (2020-настоящее время). В 2022 году Tesla выпустила прототип гуманоидного робота Optimus, продемонстрировав высокоинтегрированные технологии искусственного интеллекта и привода на Tesla AI Day. Версия Optimus 2023 года способна классифицировать объекты и точно балансировать, что свидетельствует о том, что роботы-гуманоиды постепенно переходят к практическому применению.

 

1.3 Глубокая интеграция гуманоидных роботов и моторных технологий

Непрерывная эволюция человекоподобных роботов неотделима от поддержки моторных технологий. Являясь основным компонентом приводов суставов робота, двигатели не только определяют характеристики движения робота, но также влияют на его гибкость и долговечность. Благодаря своей высокой точности, низкому энергопотреблению и надежности моторные приводы постепенно стали наиболее часто используемым решением для электропитания гуманоидных роботов. Между тем, двигатели без сердечника, обладающие такими преимуществами, как легкий вес, высокая эффективность и низкая инерция, обеспечивают решающую технологическую поддержку для быстрого развития человекоподобных роботов.

 

В будущем, благодаря дальнейшим технологическим прорывам, роботы-гуманоиды станут более широко использоваться в различных жизненных сценариях, привнося новую жизнь в глобальное экономическое и социальное развитие. Это делает рынок двигателей, особенно рынок двигателей без сердечника, новым и долгожданным голубым океаном.

 

1.4 Структура робота-гуманоида: анализ ключевых компонентов

Ключевую структуру роботов-гуманоидов можно разделить на три основных модуля: приводы, контроллеры и датчики. Основные компоненты, такие как двигатели, редукторы и датчики, определяют производительность робота. Ниже приведен подробный анализ этих компонентов:

 

1.4.1 Двигатель

Двигатель является основой выполнения движений гуманоидного робота, включая серводвигатели, шаговые двигатели, моментные двигатели и сферические двигатели и другие. Среди них моментные двигатели считаются идеальными для соединений гуманоидных роботов с низкими скоростями и высокими требованиями к крутящему моменту благодаря их способности обеспечивать высокий крутящий момент на средних и низких скоростях. Однако сложность их исследований и производства относительно высока, что требует прорывов в технологических узких местах.

 

1.4.2 Редуктор

Редукторы Harmonic широко известны своей компактной конструкцией, высоким передаточным числом и превосходной точностью, что делает их распространенным выбором для компонентов соединений роботов. Однако их долговечность и долговечность все еще нуждаются в улучшении.

 

1.4.3 Датчик

Датчики играют решающую роль в роботах, особенно датчики крутящего момента, которые являются важной частью конструкции суставов. Эти датчики в сочетании с двигателями и редукторами образуют шарнирный узел и обеспечивают точный контроль движения и обратную связь по усилию.

 

1.4.4 Метод привода верхних конечностей

В верхних конечностях в основном используются конструкции ШВП, которые преобразуют возвратно-поступательное движение шариков в линейное движение винта. По сравнению с ременными или цепными приводами шарико-винтовые передачи имеют меньшее трение, более низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание и более высокую точность.

 

1.4.5 Метод привода нижних конечностей

Планетарные ролико-винтовые пары, известные своей устойчивостью к воздействию внешних сил и длительным сроком службы, стали основным выбором для приводов нижних конечностей, особенно подходящих для решения сложных задач по контролю походки.

 

1.4.6 Ручной сустав

В ручных шарнирах обычно используются двигатели без сердечника. Эти двигатели имеют простую конструкцию, легкие и являются идеальными компонентами привода для движения пальцев, обеспечивая более точное управление.

 

Кроме того, подшипники для линейных и вращательных соединений включают радиально-упорные подшипники, скрещенные роликоподшипники и радиальные шарикоподшипники. Вместе эти компоненты обеспечивают легкий вес, точность и надежность робота.

 

 

Интеллектуальные преимущества моторного привода

По сравнению с гидравлическими приводами моторные приводы демонстрируют особенно выдающиеся интеллектуальные характеристики управления движением. Например, робот-гуманоид Теслы использует технологию серводвигателя с высоким крутящим моментом, интеллектуальное управление движением которого намного превосходит традиционные гидравлические системы. Такая конструкция не только обеспечивает обратную связь о состоянии движения в режиме реального времени, чтобы обеспечить точность управления, но также сохраняет затраты на относительно низком уровне, что делает ее подходящей для крупномасштабных приложений.

 

Требования к производительности серводвигателей

Являясь основой приводов роботов, серводвигатели должны соответствовать следующим требованиям к производительности:

• Быстрое реагирование: серводвигателям необходимо быстро запускаться и останавливаться, чтобы адаптироваться к высокодинамичным условиям.
• Высокое соотношение пускового момента к инерции. Серводвигатели должны обеспечивать высокий пусковой момент при сохранении низкой инерции вращения.
• Непрерывное управление и линейные характеристики: Скорость двигателя должна постоянно регулироваться в зависимости от изменений управляющего сигнала, чтобы обеспечить точное выполнение.
• Компактная конструкция: серводвигатели должны быть небольшими по размеру и легкими, чтобы вписываться в компактную пространственную компоновку робота.
• Долговечность и устойчивость к перегрузкам. Серводвигатели должны выдерживать частые вращения вперед и назад, а также операции ускорения/замедления, а также выдерживать нагрузку, в несколько раз превышающую номинальную, в течение короткого времени.

Эти характеристики делают серводвигатели незаменимыми в области робототехники, закладывая основу для более высокого интеллекта и стабильности роботов.

 

Продолжить чтение: Сердце движения робота – решающая роль двигателей в точности – Часть 2