Manuál majiteľa humanoidných robotov TQ WHITEPAPER

Humanoidné robotické aktuátory od TQ sú navrhnuté tak, aby poskytovali pohyby podobné ľuďom v robotickom hardvéri. Tieto motory sú kľúčovými komponentmi na dosiahnutie všestranných a presných pohybov v humanoidných robotoch.

Faktory pre výber motorov

Výber motorov pre kĺby humanoidných robotov je rozhodujúci pre dosiahnutie pohybov podobných ľuďom. Medzi kľúčové faktory, ktoré treba zvážiť, patrí presnosť, krútiaci moment a otáčky. Momentové motory TQ sú špeciálne navrhnuté tak, aby spĺňali tieto požiadavky.

Presnosť a počet pólových párov

Presnosť elektromotorov je priamo ovplyvnená počtom pólových párov. Servomotory TQ kladú dôraz na vysoký počet pólových párov, aby sa zabezpečilo presné ovládanie, polohovanie a regulácia v humanoidných robotoch.

Inštalácia a údržba

Pri inštalácii ovládačov zaistite správne zarovnanie a bezpečnú montáž, aby ste predišli problémom s nesprávnym vyrovnaním počas prevádzky. Na zabezpečenie optimálneho výkonu a dlhej životnosti motorov sa odporúčajú pravidelné kontroly údržby.

často kladené otázky

Otázka: Aké sú primárne aplikácie humanoidných robotov?
- Odpoveď: Humanoidné roboty sú obzvlášť sľubné vo výrobe a logistike, najmä pri náročných, fyzicky náročných a opakujúcich sa úlohách.
Otázka: Ako prispievajú momentové motory k ľudským pohybom v robotoch?
- Odpoveď: Momentové motory poskytujú vysoký krútiaci moment pri nízkych otáčkach, čo umožňuje presné a kontrolované pohyby nevyhnutné na replikáciu ľudských pohybov.

INFORMÁCIE O PRODUKTE

WHITEPAPER

Pohon za pohybom Bezrámové momentové motory pre humanoidné roboty – váš sprievodca úspešným výberom a implementáciou

humanoidných robotov

Ďalší evolučný Stage v Robotics: Humanoid Robots

Humanoidné roboty so svojou schopnosťou napodobňovať ľudskú formu a pohyb predstavujú ďalšie evolučné stage v robotike a nesú jedinečnú fascináciu. Tieto roboty majú tvar podobný človeku, sú vybavené spojenými končatinami – označované ako stupne voľnosti – a môžu fungovať autonómne prostredníctvom ovládania umelou inteligenciou, so schopnosťami jemných motorických zručností a strojového učenia. Všetky tieto schopnosti robia humanoidné roboty vysoko všestrannými, hoci ich nasadenie v súčasnosti zahŕňa vyššie náklady v porovnaní s cobotmi a priemyselnými robotmi. Humanoidné roboty majú navyše typicky modulárny dizajn, uľahčujú údržbu, opravy a vylepšenia.1

Humanoidný robot TALOS od PAL Robotics © PAL Robotics

Závod ku komercializácii

Trhové príležitosti a preteky v komercializácii

Preteky vo vývoji prvého komerčne životaschopného humanoidného robota sú jedným z najvzrušujúcejších trendov v technologickom svete. Podľa analýz investičnej banky Goldman Sachs by trh s humanoidnými robotmi mohol do roku 35 dosiahnuť objem 2033 miliárd USD. Toto pôsobivé číslo poukazuje na obrovský potenciál tejto technológie do budúcnosti.2

V súčasnosti mnoho spoločností na celom svete pracuje na humanoidných robotoch pre komerčné využitie, pričom mnohé z nich na tento účel získavajú servomotory od TQ.

Analýza trhu od manažérskej poradenskej spoločnosti Horváth z marca 2024 predpokladá, že prvé roboty podobné ľuďom by sa mohli dostať do sériovej výroby na priemyselné využitie už v roku 2025. Ich aplikácie sú sľubné najmä vo výrobe a logistike, najmä pri prácne, fyzicky náročných a opakujúcich sa úlohách.3

Koboty a priemyselné roboty sú vhodné na jednoduché, opakujúce sa úlohy.

servopohony

Kľúč k ľudskému pohybu v robotickom hardvéri

Pokiaľ ide o hardvér, aktuátory zohrávajú kľúčovú úlohu pri dosahovaní pohybov podobných ľuďom v humanoidných robotoch. Tieto komponenty fungujú ako robotický ekvivalent ľudských kĺbov a svalov a umožňujú rotačné aj lineárne pohyby v rámci systému. Akčné členy sa skladajú z kombinácie ozubených kolies, motorov, snímačov, ložísk a kódovačov. Čím viac stupňov voľnosti je potrebných, tým viac ovládačov je potrebných. V súčasnosti sú humanoidné roboty vo vývoji schopné dosiahnuť 16 až 60 stupňov voľnosti. Ako vývoj napreduje, humanoidné roboty budú vyžadovať ešte viac ovládačov, aby sa umožnila väčšia voľnosť pohybu a prispôsobenie sa čoraz zložitejším aplikáciám. Hardvérové koncepty sa môžu výrazne líšiť v závislosti od špecifických požiadaviek na rozsah pohybu, dizajn ruky, citlivosť snímača a ďalšie faktory.4 Humanoidné robotické telo pozostáva predovšetkým z akčných členov spolu s podpornými systémami, ako sú senzory, batérie, konštrukčné komponenty a chladiace systémy. Nasledujúca časť poskytuje záverview požiadaviek, ktoré musí spĺňať motor humanoidného robota, aby umožnil pohyb podobný človeku.4

Pôvod technológie RoboDrive je v Inštitúte robotiky a mechatroniky v Nemeckom stredisku pre letectvo a kozmonautiku (DLR). Vďaka svojmu veľkému dutému hriadeľu a bezrámovej, ľahkej konštrukcii sú tieto motory ideálne vhodné pre moduly robotického pohonu.

Kĺby humanoidných robotov

Faktory pre výber motorov pre kĺby humanoidných robotov

Pohyby podobné ľuďom možno ovládať pomocou elektrických, hydraulických alebo pneumatických systémov pohonu. V súčasnosti je prevládajúcou praxou používanie špecifických akčných členov pozostávajúcich z prevodovky, momentového motora, enkodéra a regulátora motora. Momentové motory sú vysokopólové elektromotory, ktoré poskytujú vysoký krútiaci moment pri relatívne nízkych otáčkach.

V nasledujúcom texte sú uvedené systémové požiadavky, ktoré sú rozhodujúce pre výber motora v humanoidnom robote.

Presnosť

Aby robot mohol vykonávať kontrolované, plynulé a všestranné pohyby, je rozhodujúca presnosť motora. Čím presnejší je pohon, tým priamejšie je spojenie medzi pohybom robota a jeho „vizuálnym procesom“, ktorý zahŕňa senzory a kamerovú technológiu. Každý kĺb je definovaný trojrozmernými vektormi a pre maximálnu presnosť je nevyhnutné, aby motory – najmä pri kombinácii viacerých kĺbov – konzistentne dosahovali „správnu“ polohu. Dokonca aj malé odchýlky v jednotlivých kĺboch, ako je bedrový, kolenný a členkový kĺb, sa môžu hromadiť, čo vedie k významným nesúosovostiam. Presnosť elektromotora sa zvyšuje s takzvaným počtom pólových párov, kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim správanie motora, pretože priamo ovplyvňuje ovládanie, polohovanie a reguláciu. Pri navrhovaní svojich bezrámových servomotorov kladie skupina TQ veľký dôraz na dosiahnutie vysokého počtu pólových párov. Klient TQ, PAL Robotics, tiež chápe, že presnosť je rozhodujúcim faktorom pre komerčný úspech humanoidného robota.

Presnosť elektromotora sa zvyšuje s počtom pólových párov.

„Elektromotory TQ ponúkajú vysoko presné riadenie polohy a krútiaceho momentu v širokom rozsahu podmienok, od nízkych otáčok a vysokého krútiaceho momentu až po vysoké otáčky a nízky krútiaci moment. To je nevyhnutné pre prirodzené, plynulé pohyby očakávané od humanoidných robotov. Táto konzistentnosť je obzvlášť cenná v prostrediach, kde roboty interagujú s ľuďmi, čím sa zvyšuje akceptácia technológie.Hlavný technologický riaditeľ Luca Marchionni, PAL Robotics so spoločnosťou TALOS. © PAL Robotics

(Zľava doprava) Robert Vogel a David Hastings, skupina TQ, s Jonathanom Hurstom, hlavným robotníkom, Agility Robotics na Robotics Summit 2024

Čas odozvy a dynamika

Prostredie, v ktorom sa ľudia – a následne humanoidní roboti – pohybujú, je nestále a neustále sa mení. Motory musia byť schopné reagovať a rýchlo sa prispôsobiť akejkoľvek zmene prostredia (napr. ak robot vstúpi do neočakávanej diery alebo narazí na pohyblivý povrch). Aby humanoidný robot pružne a rýchlo reagoval na zmeny, potrebuje výnimočné dynamické ovládanie, presnú ovládateľnosť a rýchlu odozvu. Dynamika elektromotora sa týka jeho schopnosti rýchlo a presne reagovať na zmeny zaťaženia alebo riadiaceho vstupu. Táto dynamická schopnosť je v podstate spôsob, akým dokáže motor prispôsobiť svoju rýchlosť, polohu alebo krútiaci moment za rôznych podmienok. Udržanie stability robota počas pohybu, ako je chôdza, beh alebo vykonávanie zložitých úloh, si vyžaduje dynamickú rovnováhu. To zahŕňa pokročilé riadiace stratégie na okamžité prispôsobenie sa rýchlo sa meniacim podmienkam. Agility Robotics, výrobca humanoidných robotov, vo videu demonštruje, aké dôležité sú spojené nohy pre humanoidnú funkčnosť v rôznych prostrediach.

Ako dosahuje elektrický pohon taký vysoký čas odozvy a dynamiku? Na reakciu v reálnom čase je krátkodobo potrebný veľmi vysoký krútiaci moment, napríklad pri nastavovaní pohybu nohy, aby sa zarovnal s neočakávanou dierou v zemi. Tento krútiaci moment sa krátkodobo niekoľkonásobne zvýši, čo je schopnosť označovaná ako kapacita preťaženia servomotora alebo špičkový krútiaci moment – tj maximálny krútiaci moment, ktorý môže motor krátkodobo generovať. Špičkový krútiaci moment motorov TQ je približne trikrát vyšší ako ich nominálny krútiaci moment alebo trvalý krútiaci moment udržateľný po dlhú dobu. Konkrétne, motory TQ dosahujú špičkový krútiaci moment v dvojcifernom rozsahu nových tonmetrov (Nm), čím poskytujú špičkovú kapacitu preťaženia v odvetví.

Jonathan Hurst z Agility Robotics v tomto videu ilustruje aplikácie, kde sú nohy obzvlášť výhodnétageous pre humanoidné roboty.

Vďaka unikátnej technológii vinutia dosahujú motory TQ veľmi nízke straty medi.

Účinnosť a spotreba energie

Účinnosť – konkrétne množstvo straty energie počas životnosti batérie – určuje, ako dlho môže humanoidný robot napájaný z batérie fungovať. Vysoká účinnosť dosiahnutá nízkymi stratami medi priamo predlžuje životnosť batérie. Straty medi sa týkajú energetických strát spôsobených elektrickým odporom vo vinutí motora, ktoré sa rozptyľujú ako teplo a sú jedným z primárnych zdrojov strát energie v elektrických strojoch. Motory s vysokými stratami energie spotrebujú viac elektriny, čo znižuje životnosť batérie a následne obmedzuje prevádzkový čas. To znamená, že efektívnosť je oveľa kritickejším faktorom pre mobilné, batériou napájané humanoidné roboty ako pre kolaboratívne roboty (coboty), ktoré sú pripojené k zdroju energie. V praktických aplikáciách, ako je priemysel, zdravotníctvo alebo maloobchod, je vysoká účinnosť nevyhnutná pre nepretržitú prevádzku humanoidných robotov. Momentové motory TQ dosahujú účinnosť 90 percent alebo vyššiu, s obzvlášť nízkymi stratami medi meranými vo wattoch. Tieto hodnoty sú zvyčajne špecifikované v technických listoch ako účinnosť alebo straty medi pri izbovej teplote.

Hustota krútiaceho momentu a kompaktnosť

Hustota krútiaceho momentu elektrického motora je mierou toho, koľko krútiaceho momentu môže motor generovať na jednotku objemu alebo hmotnosti. Hustota krútiaceho momentu je rozhodujúcim faktorom pre výkon a kompaktnosť motora, obzvlášť dôležitá v aplikáciách, kde je kritická hmotnosť – napríklad v robotike. Celková hmotnosť humanoidného robota je do značnej miery určená hmotnosťou jeho kĺbov. Čím ľahšie sú motory v týchto kĺboch, tým nižšia je celková hmotnosť, čo má pozitívny vplyv na životnosť batérie, užitočné zaťaženie a dynamiku. V priemysle sa tento váhový faktor často označuje ako „svalnatý“.

Motory TQ sú výnimočne ľahké a výkonovo náročné, čo umožňuje výrobcom robotiky výrazne znížiť hmotnosť a inštalačný priestor pri zachovaní konzistentného výkonu.

Dodatočná hmotnosť je nevýhodoutage pre humanoidného robota, keďže štíhlejší dizajn zvyšuje dynamiku, rýchlosť a najmä schopnosť niesť ťažšie užitočné zaťaženie. Zákazník spoločnosti TQ PAL Robotics uvádza toto zvýšenie hmotnostitage ako kľúčový dôvod pre výber motorov s vnútorným rotorom (ILM) TQ.

„Vybrali sme si motory ILM, pretože ponúkajú bezkonkurenčný pomer krútiaceho momentu k hmotnosti. Motory TQ majú najvyšší faktor medenej výplne na trhu. Je fyzicky nemožné umiestniť viac medi do každej veľkosti motora. Luca Marchionni, technický riaditeľ, PAL Robotics

Luca Marchionni, technický riaditeľ španielskej robotickej spoločnosti založenej v roku 2004, vysvetľuje: „Vybrali sme si motory ILM, pretože ponúkajú bezkonkurenčný pomer krútiaceho momentu k hmotnosti. Dostupné veľkosti a konfigurácie motorov dokonale zodpovedali požiadavkám, ktorým sme čelili pri navrhovaní rôznych kĺbov robotov, od členku až po krk. […] Bezrámové servo súpravy TQ nám umožňujú minimalizovať mechatronickú integráciu, pretože jedným z našich hlavných cieľov je udržať objem a hmotnosť našich robotov čo najnižšie. Ďalšia výhodatage z týchto motorov je ich veľký dutý hriadeľ, ktorý je rozhodujúci pre vnútorné vedenie kabeláže a dosiahnutie čistého dizajnu robota. Motory TQ vynikajú svojou výnimočnou hustotou krútiaceho momentu v porovnaní s inými motormi, čo znamená, že môžu poskytnúť dvojnásobný krútiaci moment pri rovnakej veľkosti alebo dosiahnuť rovnaký krútiaci moment pri polovičnej veľkosti. TQ to dosahuje pomocou jedinečnej technológie vinutia, ktorá maximalizuje faktor medenej výplne v porovnaní s konvenčne vinutými elektromotormi. V súčasnosti je TQ jediným vývojárom motorov na trhu, ktorý vďaka špecializovaným výrobným procesom plne využíva fyzikálne limity medenej výplne: do každej veľkosti motora je fyzicky nemožné umiestniť ďalšiu meď. To dáva motorom TQ najvyšší faktor medenej výplne na trhu.

Spolu s DLR sa TQ podarilo vyvinúť novú technológiu motora s najvyššou hustotou výkonu a krútiacim momentom v pomere k hmotnosti a objemu.

Kompaktná konštrukcia pohonného systému umožňuje efektívne využitie priestoru a zníženie hmotnosti, zníženie ťažiska robota a zvýšenie stability. Naprample, v rušnom sklade v husto obývanej mestskej oblasti alebo na montážnej linke, kompaktný dizajn umožňuje robotu efektívne sa pohybovať v úzkych priestoroch a udržiavať rovnováhu pri manévrovaní cez preplnené oblasti.

Motory TQ majú najvyšší faktor medenej výplne na trhu. V rámci každej veľkosti motora je fyzicky nemožné pridať viac medi.

Robustnosť a spoľahlivosť

Robustnosť a spoľahlivosť motorov sú tiež rozhodujúce faktory v aplikáciách humanoidnej robotiky. Najmä vo fáze testovania sú roboty náchylné na časté pády. Robustný, bezúdržbový dizajn zaisťuje, že kĺby zostanú neporušené a funkčné počas celej doby učenia. Motory čelia najväčším výzvam vo vesmíre, kde musia spoľahlivo fungovať pri teplotných výkyvoch od -40 °C do +125 °C (-40 °F až +257 °F). Na ISS (International Space Station) bol v ramene robota ROKVISS použitý motor TQ ILM-E, ktorý vykonával presné úlohy v nulovej gravitácii – konzistentne a s vysokým výkonom počas piatich rokov a stoviek testov.

Motory TQ boli použité v robotickom ramene ROKVISS, ktoré vykonalo približne 500 úspešných testov počas niekoľkých rokov na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS). V scenároch priemyselných aplikácií, ako napríklad v prostredí výroby alebo skladu, môže humanoidný robot, ktorý má za úlohu zdvíhať ťažké bremená, príležitostne spadnúť položky alebo byť vystavený náhlym nárazom. Robustnosť kĺbov robota chráni pred poškodením a zaisťuje nepretržitú a spoľahlivú prevádzku aj v náročných podmienkach.

Výroba humanoidných robotov

Ďalšie dôležité faktory pre úspešnú výrobu humanoidných robotov

Sériová výroba a integrácia motora v dizajne

Vzhľadom na významný trhový potenciál predpovedaný pre humanoidnú robotiku je ľahko implementovateľná integrácia motora do vlastných návrhov kľúčovým faktorom pre výrobcov robotov, ktorí chcú úspešne prejsť od prototypovej k sériovej výrobe. „S TQ sme našli fantastického partnera z hľadiska kvality a podpory. Technický tím TQ nám pomáha pri výbere motorových súprav a reviewdizajn, ktorý zaisťuje optimálnu integráciu medzi mechanickými časťami a komponentmi motorovej súpravy,“ hovorí Marchionni z PAL Robotics.

TQ je viac než len dodávateľ motorov: TQ často integruje svoje motory priamo do vlastných krytov pre klientov. To znamená, že TQ neposkytuje len motory a kompletné vývojové projekty pre celé motorové prevodovky, ale špecializuje sa aj na integráciu svojich motorov do krytov špecifických pre klienta.
Pre významného amerického výrobcu humanoidných robotov spoločnosť TQ prispôsobuje motory pomocou špeciálnej elektroinštalačnej dosky, čím zjednodušuje integráciu a prepojenie s výkonovou elektronikou. Tu sa ukazuje, že rozsiahle odborné znalosti TQ z viac ako 30 rokov vývoja elektroniky sú neoceniteľné.

TQ podporuje zákazníkov od dodávky motorov a integrácie krytov až po vývoj kompletných motorových prevodových jednotiek – všetko z jedného zdroja.

Štandardné motory alebo prispôsobené riešenia?

Výrobcovia robotiky často čelia rozhodnutiu vybrať si dodávateľa motorov, ktorý poskytuje štandardné komponenty, alebo sa rozhodnú pre vlastné riešenie. V TQ si zákazníci môžu vybrať z radu štandardných veľkostí, ktoré v prípade potreby prispôsobíme konkrétnym aplikáciám. Advantage bezrámových servozostáv TQ je ich flexibilita v priemere a dĺžke stohu, čo umožňuje prispôsobenie výkonu a rozmerov pre danú aplikáciu. Najmä pre objemy výroby viac ako sto jednotiek ročne môže byť najlepšou voľbou vlastné riešenie, ktoré poskytuje plnú kontrolu nad dizajnom, materiálmi a výrobným procesom.TQ je jedným z mála poskytovateľov v Nemecku schopných industrializovať kompletné roboty, čo už úspešne preukázal.

Hardvér je ťažký

Porekadlo „Hardvér je tvrdý“ výstižne platí pre vývoj a výrobu robotických kĺbov a ich požadovaných komponentov. Kľúčové kompetencie a história niektorých výrobcov humanoidnej robotiky spočívajú v umelej inteligencii a softvéri, zatiaľ čo odborné znalosti v oblasti industrializácie robotov a vývoja mechatroniky sú menej bežné. Okrem toho sa často podceňuje zložitosť vývoja a výroby systémov, ako sú robotické kĺby.

V tomto kontexte môže mať zmysel spoliehať sa na technologických lídrov v ich príslušných oblastiach. Okrem iného TQ vyvíja kompletné motorové prevodovky pre mobilné aplikácie.

Sensodrive, výrobca robotických modulov pohonu a víťaz Innovationspreis Bayern 2024, pomáha výrazne skrátiť čas potrebný na uvedenie na trh pri vývoji lekárskych robotov.
Kompletné systémy pohonu môžu tiež ušetriť drahocenný čas v súčasných pretekoch o vytvorenie prvého sériovo vyrábaného humanoidného robota.

O autorovi

Robert Vogel je Sales & Business Development Manager v divízii TQ-Ro-boDrive, ktorá vyvíja a vyrába prispôsobené pohonné systémy pre náročné aplikácie. Robert Vogel, priemyselný inžinier, má viac ako 20-ročné skúsenosti v oblasti automatizácie a robotiky.

Poloha TQ v Inning am Ammersee

Technologická spoločnosť TQ-Group ponúka kompletnú škálu služieb od vývoja, výroby a servisu až po riadenie životného cyklu produktu. Tieto služby pokrývajú zostavy, zariadenia a systémy vrátane hardvéru, softvéru a mechaniky. TQ ponúka služby prispôsobené ich špecifickým potrebám. Štandardné produkty, ako sú moduly mikrokontrolérov, pohony a automatizačné riešenia pripravené na použitie, ďalej rozširujú ponuku služieb.

TQ-Group zamestnáva približne 2,000 XNUMX ľudí vo svojich pobočkách v Dellingu, Seefelde, Inningu, Murnau, Peissenbergu, Peitingu, Durachu v Allgäu, Wetter an der Ruhr, Chemnitzi, Lipsku, Fontaines (Švajčiarsko), Šanghaji (Čína) a Chesapeake (USA).

KONTAKTNÉ ÚDAJE

Váš kontakt s TQ
- Chceli by ste sa dozvedieť viac o tom, ako vás môže TQ podporiť s bezrámovými momentovými motormi?
robert.vogel@tq-group.com
+49 176 10930915
tq-robodrive.com

ĎALŠIE INFORMÁCIE

Referencie:

www.horvath-partners.com/de/media-center/studien/humanoide-roboter-inoperations
www.goldmansachs.com/intelligence/pages/the-global-market-for-robots-could-reach-38-billion-by-2035.html
www.horvath-partners.com/de/media-center/studien/humanoide-roboter-inoperations
Morgan Stanley & Co. LLC: Humanoids: Investment Implications of Embodied AI (26. júna 2024)

Dokumenty / zdroje

Humanoidné roboty TQ WHITEPAPER [pdf] Používateľská príručka
WHITEPAPER Humanoidné roboty, WHITEPAPER, humanoidné roboty, roboty

Referencie

Používateľská príručka

Humanoidné roboty TQ WHITEPAPER

Návod na použitie produktu