Zakaj humanoidni roboti odpirajo nov modri ocean za aplikacije brezjedrnih motorjev

 

Humanoidni roboti kot izjemni predstavniki robotov za splošno rabo in idealni nosilci »utelešene inteligence« imajo po eni strani koristi od hitrega razvoja splošne umetne inteligence, po drugi strani pa s tem, da postanejo most med AI in realnim svetom z »utelešena inteligenca«, ki se postopoma razvija v terminalsko platformo za naslednjo generacijo splošne umetne inteligence. Pri opravilih robotov veliki modeli umetne inteligence prevzamejo ključne vloge pri razmišljanju in odločanju ter pretvarjajo kompleksna navodila v izvedljive korake za robote z analizo ukazov naravnega jezika. Poleg tega dodatek multimodalnih velikih modelov umetne inteligence znatno izboljša natančnost in učinkovitost razmišljanja in odločanja, kar zagotavlja pomembno podporo humanoidnim robotom pri napredovanju k posploševanju.

 

 

Hiter razvoj robotske industrije temelji na inovacijah v tehnologijah ključnih komponent in stabilnosti njihove dobave. Pri humanoidnih robotih se reduktor, servo sistem in krmilnik obravnavajo kot tri ključne komponente, ki skupaj predstavljajo več kot 70 % skupnih stroškov. Poleg tega vrednosti motorja kot osrednje komponente ni mogoče spregledati. Pri humanoidnih robotih, kot je Optimus, stroški motorja predstavljajo približno 25 % skupne vrednosti komponent.

 

Ob predpostavki, da bo globalni obseg pošiljk humanoidnih robotov v naslednjem desetletju dosegel 5 milijonov enot, bo povpraševanje po motorjih brez jeder (brez železnih jeder) v tem obdobju doživelo ogromno rast trga. Na podlagi cen na enoto lahko rast trga za motorje brez jedra doseže 350 milijard RMB, medtem ko naj bi rast trga za motorje brez jedra presegla 78 milijard RMB. Skupaj bosta ta dva oblikovala ogromen tržni prostor v vrednosti 428 milijard RMB.

 

 

Za razliko od industrijskih robotov, ki se uporabljajo v fiksnih delovnih okoljih, humanoidni roboti služijo predvsem scenarijem človeškega vsakdanjega življenja. Ti roboti ne potrebujejo samo sposobnosti zaznavanja, odločanja in ukrepanja, ampak morajo tudi simulirati vzorce človeškega vedenja, da bi bolj naravno sodelovali z okoljem in uporabniki. Zato motorji kot osrednji sestavni deli sklepnih aktuatorjev neposredno vplivajo na robotovo fleksibilnost, natančnost in stabilnost.

 

Med različnimi pogonskimi tehnologijami ima elektromotorni pogon pomembne prednosti pred hidravličnim pogonom. Rešitev pogona z električnim motorjem ima koristi od zrele tehnologije nadzora gibanja, ki zagotavlja povratne informacije o stanju gibanja v realnem času prek visoko natančnih kodirnikov, da se zagotovi natančen nadzor. Hkrati so stroški elektromotornih pogonskih sistemov nižji v primerjavi s hidravličnimi sistemi, z manj vzdrževanja. Zaradi te stroškovno učinkovite lastnosti je pogon z električnim motorjem ena glavnih izbir za razvoj humanoidnih robotov.

 

Med njimi so motorji brez jedra s svojo majhno težo, visoko učinkovitostjo in nizko vztrajnostjo postali ključni sestavni deli pri izboljšanju zmogljivosti humanoidnega robota.Motorji brez jedra lahko zagotovijo večjo gostoto moči in višje odzivne hitrosti v majhnih prostorninah, kar robotom omogoča vrhunsko zmogljivost pri krmiljenju sklepov z več prostostnimi stopnjami. Poleg tega imajo motorji brez jedra manjšo porabo energije, kar robotom pomaga doseči daljšo življenjsko dobo baterije.

 

1.1 Humanoidni roboti, ki se vključujejo v vsakdanje življenje in prikazujejo nacionalno tehnološko moč

Humanoidni roboti so postopoma postali zanesljivi pomočniki v vsakdanjem človekovem življenju, sposobni so pomagati pri različnih kompleksnih nalogah. Za razliko od industrijskih robotov, ki običajno delajo v fiksnih okoljih, so humanoidni roboti zasnovani tako, da se vključijo v človeško vsakodnevno okolje. Ti roboti nimajo le osnovnih zmožnosti, kot so zaznavanje, odločanje in dejanja, ampak imajo tudi lastnosti gibanja, podobne človeškim, in prijazen videz, zaradi česar jih ljudje lažje sprejmejo in ustvarjajo občutek domačnosti. S prožnim prilagajanjem različnim okoljem humanoidni roboti kažejo ogromen potencial uporabe na področjih, kot so dom, storitve in zdravstvo.

 

Humanoidni roboti kot napredne inteligentne naprave veljajo za simbole nacionalne tehnološke moči. Njihov razvoj zahteva premagovanje tehnoloških ovir v več disciplinah, vključno s strojništvom, elektrotehniko, znanostjo o materialih, tehnologijo zaznavanja, nadzornimi sistemi in umetno inteligenco. S človeškim videzom, zmožnostmi dvonožne hoje in visoko usklajenimi tehnologijami za nadzor gibanja lahko humanoidni roboti opravljajo fizične naloge in komunicirajo z ljudmi prek jezika ali obrazne mimike. V primerjavi s tradicionalnimi roboti imajo humanoidni roboti znatne prednosti v interakciji človek-stroj, prilagajanju okolju in vsestranskosti nalog.

 

 

1.2 Razvoj humanoidnih robotov: od koncepta do industrializacije

Koncept robotov obstaja že več kot stoletje, raziskave humanoidnih robotov pa so se začele sredi-20. stoletja in so doživele dolg razvojni proces od laboratorijskih prototipov do zgodnjih faz industrializacije. Najzgodnejša uporaba izraza "robot" izhaja iz igre češkega pisatelja Karla Čapka RUR (Rossumovi univerzalni roboti), kar pomeni strojne sužnje, ki služijo človeštvu. Množična proizvodnja industrijskih robotov se je začela v šestdesetih letih prejšnjega stoletja z robotsko roko "UNIMATE", ki jo je lansiralo ameriško podjetje Unimation, kar je odprlo dobo komercialnih industrijskih robotov.

 

Raziskave in razvoj humanoidnih robotov so se začeli na Japonskem in postopoma vstopili v stopnje sistematizacije in visoke dinamike:

 

Zgodnja raziskovalna stopnja (okoli sedemdesetih let 20. stoletja): leta 1973 je profesor Ichiro Kato z univerze Waseda na Japonskem razvil prvega humanoidnega robota na svetu, WABOT-1, in njegov dvonožni sprehajalni mehanizem WL-5 je postavil temelje za humanoide roboti.

 

Stopnja tehnološke integracije (1980-1990s): leta 1986 je Honda začela raziskovati humanoidnega robota ASIMO, leta 2000 pa je bila izdana prva generacija modela ASIMO, ki je označil vstop humanoidnih robotov v visoko integrirano tehnološko stopnjo.

 

Dynamic Performance Breakthrough Stage (2000-2020): Leta 2016 je Boston Dynamics iz Združenih držav izdal dvonožnega robota Atlas, ki je s svojo zmogljivo sposobnostjo uravnoteženja in zmogljivostjo pri prečkanju ovir dosegel nove višine v dinamičnem gibanju in izvajanju nalog v nevarna okolja.

 

Faza zgodnje industrializacije (2020-sedanjost): Leta 2022 je Tesla lansirala prototip humanoidnega robota Optimus, ki je na Teslovem dnevu umetne inteligence predstavil visoko integrirano umetno inteligenco in tehnologijo motornega pogona. Različica Optimusa iz leta 2023 je sposobna razvrščanja predmetov in natančnega uravnoteženja, kar nakazuje, da se humanoidni roboti postopoma premikajo k praktični uporabi.

 

1.3 Poglobljena integracija humanoidnih robotov in motorne tehnologije

Nenehen razvoj humanoidnih robotov je neločljivo povezan s podporo motorne tehnologije. Motorji kot osrednji sestavni del pogonov robotskih zglobov ne določajo le zmogljivosti gibanja robota, temveč vplivajo tudi na njegovo prožnost in vzdržljivost. S svojo visoko natančnostjo, nizko porabo energije in zanesljivostjo so motorni pogoni postopoma postali najpogosteje uporabljena rešitev za napajanje humanoidnih robotov. Medtem pa motorji brez jedra s prednostmi, kot so lahka teža, visoka učinkovitost in nizka vztrajnost, zagotavljajo ključno tehnološko podporo za hiter razvoj humanoidnih robotov.

 

V prihodnosti se bodo z nadaljnjimi tehnološkimi preboji humanoidni roboti vse bolj uporabljali v različnih življenjskih scenarijih, kar bo vlilo novo vitalnost v svetovni gospodarski in družbeni razvoj. Zaradi tega je trg motorjev, zlasti trg brezjedrnih motorjev, nov in težko pričakovan modri ocean.

 

1.4 Struktura humanoidnega robota: analiza ključnih komponent

Ključno strukturo humanoidnih robotov lahko razdelimo na tri glavne module: aktuatorje, krmilnike in senzorje. Glavne komponente, kot so motorji, reduktorji in senzorji, določajo delovanje robota. Spodaj je podrobna analiza teh komponent:

 

1.4.1 Motor

Motor je jedro izvajanja gibanja humanoidnega robota, med drugim vključno s servo motorji, koračnimi motorji, motorji z navorom in sferičnimi motorji. Med njimi velja, da so motorji z navorom idealni za spoje humanoidnih robotov z zahtevami nizke hitrosti in visokega navora zaradi svoje sposobnosti zagotavljanja visokega navora pri srednjih in nizkih hitrostih. Vendar so njihove raziskovalne in proizvodne težave razmeroma velike, kar zahteva preboj v tehnološka ozka grla.

 

1.4.2 Reduktor

Harmonični reduktorji so splošno znani po svoji kompaktni strukturi, visokem prenosnem razmerju in vrhunski natančnosti, zaradi česar so pogosta izbira za komponente robotskih zglobov. Vendar je njihova vzdržljivost in življenjska doba še vedno prostor za izboljšave.

 

1.4.3 Senzor

Senzorji igrajo ključno vlogo pri robotih, zlasti senzorji navora, ki so bistveni del oblikovanja sklepov. Ti senzorji v kombinaciji z motorji in reduktorji tvorijo skupni sklop in zagotavljajo natančen nadzor gibanja in povratne informacije o sili.

 

1.4.4 Metoda pogona zgornjih okončin

Zgornji udi večinoma uporabljajo konstrukcije s krogličnim vijakom, ki pretvarjajo povratno gibanje kroglic v linearno gibanje vijaka. V primerjavi z jermenskimi ali verižnimi pogoni imajo kroglični vijaki manjše trenje, nižje stroške delovanja in vzdrževanja ter večjo natančnost.

 

1.4.5 Metoda pogona spodnjih okončin

Planetarni valjčni vijaki, znani po svoji odpornosti na udarce zunanje sile in dolgi življenjski dobi, so postali glavna izbira za pogone spodnjih okončin, še posebej primerni za reševanje kompleksnih potreb po nadzoru hoje.

 

1.4.6 Ročni sklep

Ročni spoji običajno uporabljajo motorje brez jedra. Ti motorji imajo preprosto zasnovo, lahki in so idealne pogonske komponente za premikanje prstov, kar omogoča natančnejši nadzor.

 

Poleg tega izbira ležajev za linearne in rotacijske spoje vključuje kotne ležaje, križne valjčne ležaje in kroglične ležaje z globokimi utori. Te komponente skupaj zagotavljajo robotovo lahkost, natančnost in zanesljivost.

 

 

Inteligentne prednosti motornega pogona

V primerjavi s hidravličnimi pogoni izkazujejo motorni pogoni posebno izjemno inteligentno zmogljivost pri krmiljenju gibanja. Na primer, Teslin humanoidni robot uporablja tehnologijo servo motorja z visoko gostoto navora, s svojim inteligentnim nadzorom gibanja, ki daleč presega tradicionalne hidravlične sisteme. Ta zasnova ne omogoča le povratnih informacij o stanju gibanja v realnem času, da se zagotovi natančnost nadzora, ampak tudi ohranja razmeroma nizke stroške, zaradi česar je primeren za obsežne aplikacije.

 

Zahteve glede zmogljivosti za servo motorje

Kot jedro robotskih aktuatorjev morajo servo motorji izpolnjevati naslednje zahteve glede zmogljivosti:

• Hitra odzivnost: Servo motorji se morajo hitro zagnati in ustaviti, da se prilagodijo visoko dinamičnim okoljem.
• Visoko razmerje med začetnim navorom in vztrajnostjo: Servo motorji morajo zagotavljati visok začetni navor, hkrati pa ohranjati nizko rotacijsko vztrajnost.
• Neprekinjen nadzor in linearne karakteristike: Hitrost motorja se mora nenehno prilagajati s spremembami krmilnega signala, da se zagotovi natančno izvajanje.
• Kompaktna zasnova: Servo motorji morajo biti majhni in lahki, da se prilegajo kompaktni prostorski postavitvi robota.
• Vzdržljivost in zmožnost preobremenitve: Servo motorji morajo prenesti pogosto vrtenje naprej in nazaj ter operacije pospeševanja/zaviranja in nositi večkratno nazivno obremenitev za kratke čase.

Zaradi teh lastnosti so servo motorji nepogrešljivi na področju robotike, saj postavljajo temelje za večjo inteligenco in stabilnost robotov.

 

Nadaljujte z branjem: Srce robotskega gibanja – odločilna vloga motorjev pri natančnosti – 2. del