TQ WHITEPAPER Humanoid Robots Owner's Manual

Humanoidni robotski aktuatori iz TQ-a su dizajnirani da obezbede pokrete poput ljudi u robotskom hardveru. Ovi motori su ključne komponente za postizanje raznovrsnih i preciznih pokreta u humanoidnim robotima.

Faktori za odabir motora

Odabir motora za zglobove humanoidnih robota je ključan za postizanje pokreta sličnih čovjeku. Ključni faktori koje treba uzeti u obzir uključuju preciznost, obrtni moment i brzinu rotacije. Motori obrtnog momenta TQ-a su posebno dizajnirani da zadovolje ove zahtjeve.

Preciznost i broj parova motki

Na preciznost elektromotora direktno utiče broj parova polova. TQ-ovi servomotori naglašavaju veliki broj parova polova kako bi osigurali preciznu kontrolu, pozicioniranje i regulaciju kod humanoidnih robota.

Instalacija i održavanje

Prilikom instaliranja aktuatora, osigurajte pravilno poravnanje i sigurnu montažu kako biste spriječili probleme s neusklađenošću tokom rada. Preporučuju se redovite provjere održavanja kako bi se osigurale optimalne performanse i dugovječnost motora.

FAQs

P: Koje su primarne primjene humanoidnih robota?
- O: Humanoidni roboti su posebno obećavajući u proizvodnji i logistici, posebno za radno intenzivne, fizički zahtjevne i zadatke koji se ponavljaju.
P: Kako motori zakretnog momenta doprinose pokretima nalik ljudima kod robota?
- O: Motori zakretnog momenta pružaju veliki obrtni moment pri malim brzinama rotacije, omogućavajući precizne i kontrolirane pokrete bitne za repliciranje pokreta poput čovjeka.

INFORMACIJE O PROIZVODU

WHITEPAPER

Pogon iza pokreta Motori bez okvira za humanoidne robote – vaš vodič za uspješan odabir i implementaciju

humanoidni roboti

Sljedeći evolucijski Stage u Robotika: Humanoidni roboti

Humanoidni roboti, sa svojom sposobnošću oponašanja ljudskog oblika i pokreta, predstavljaju sljedeće evolucijske stage u robotici i nose jedinstvenu fascinaciju. Ovi roboti imaju oblik nalik čovjeku, opremljeni spojenim udovima – koji se nazivaju stupnjevi slobode – i mogu djelovati autonomno putem kontrole umjetne inteligencije, sa mogućnostima finih motoričkih vještina i mašinskog učenja. Sve ove sposobnosti čine humanoidne robote veoma raznovrsnim, iako njihova primjena trenutno uključuje veće troškove u odnosu na kobote i industrijske robote. Osim toga, humanoidni roboti su obično modularni u dizajnu, olakšavaju održavanje, popravke i nadogradnje.1

Humanoidni robot TALOS od PAL Robotics © PAL Robotics

Trka za komercijalizaciju

Tržišne prilike i trka za komercijalizaciju

Utrka za razvoj prvog komercijalno održivog humanoidnog robota jedan je od najuzbudljivijih trendova u svijetu tehnologije. Prema analizama investicione banke Goldman Sachs, tržište humanoidnih robota moglo bi dostići obim od 35 milijardi dolara do 2033. Ova impresivna brojka naglašava ogroman potencijal ove tehnologije za budućnost.2

Trenutno brojne kompanije širom svijeta rade na humanoidnim robotima za komercijalnu upotrebu, a mnoge od njih nabavljaju servomotore od TQ-a za ovu svrhu.

Analiza tržišta koju je izvršila konsultantska kuća za upravljanje Horváth iz ožujka 2024. predviđa da bi prvi roboti nalik ljudima mogli ući u serijsku proizvodnju za industrijsku upotrebu već 2025. Njihove primjene su posebno obećavajuće u proizvodnji i logistici, posebno za radno intenzivne, fizički zahtjevne i ponavljajuće zadatke.3

Koboti i industrijski roboti su pogodni za jednostavne zadatke koji se ponavljaju.

pogoni

Ključ za ljudsko kretanje u robotskom hardveru

Što se tiče hardvera, aktuatori igraju ključnu ulogu u postizanju pokreta sličnih čovjeku kod humanoidnih robota. Ove komponente djeluju kao robotski ekvivalent ljudskim zglobovima i mišićima, omogućavajući i rotacijske i linearne pokrete unutar sistema. Aktuatori se sastoje od kombinacije zupčanika, motora, senzora, ležajeva i enkodera. Što je više stepena slobode potrebno, potrebno je više aktuatora. Trenutno, humanoidni roboti u razvoju su sposobni da postignu između 16 i 60 stepeni slobode. Kako razvoj napreduje, humanoidni roboti će zahtijevati još više aktuatora kako bi omogućili veću slobodu kretanja, prilagođavajući sve složenije aplikacije. Koncepti hardvera mogu značajno varirati na osnovu specifičnih zahtjeva za raspon pokreta, dizajn ruke, osjetljivost senzora i druge faktore.4 Humanoidno robotsko tijelo prvenstveno se sastoji od aktuatora, zajedno sa pratećim sistemima kao što su senzori, paketi baterija, strukturne komponente i sistemi za hlađenje. Sljedeći odjeljak pruža krajview zahtjeva koje motor humanoidnog robota mora ispuniti da bi omogućio kretanje poput čovjeka.4

Poreklo RoboDrive tehnologije leži u Institutu za robotiku i mehatroniku u Nemačkom vazduhoplovnom centru (DLR). Sa svojom velikom šupljom osovinom i laganim dizajnom bez okvira, ovi motori su idealno prikladni za robotske pogonske module.

Zglobovi humanoidnog robota

Faktori za odabir motora za zglobove humanoidnih robota

Pokreti poput ljudi mogu se kontrolisati pomoću električnih, hidrauličnih ili pneumatskih pogonskih sistema. Trenutno je dominantna praksa upotreba specifičnih aktuatora koji se sastoje od mjenjača, moment motora, enkodera i kontrolera motora. Motori sa obrtnim momentom su elektromotori visokog pola koji obezbeđuju veliki obrtni moment pri relativno malim brzinama rotacije.

U nastavku su navedeni sistemski zahtjevi koji su ključni za odabir motora u humanoidnom robotu.

Preciznost

Da bi robot mogao izvoditi kontrolirane, fluidne i raznovrsne pokrete, preciznost motora je kritična. Što je pogon precizniji, to je direktnija veza između kretanja robota i njegovog „vizuelnog procesa“, koji uključuje senzore i tehnologiju kamere. Svaki spoj je definiran trodimenzionalnim vektorima, a za maksimalnu preciznost, bitno je da motori – posebno kada se kombinuju preko više spojeva – dosljedno postižu “ispravan” položaj. Čak i manja odstupanja u pojedinačnim zglobovima, poput kuka, koljena i skočnog zgloba, mogu se akumulirati, što dovodi do značajnih neusklađenosti. Preciznost električnog motora se povećava sa takozvanim brojem parova polova, ključnim faktorom koji utiče na ponašanje motora, jer direktno utiče na kontrolu, pozicioniranje i regulaciju. U dizajniranju svojih servomotora bez okvira, TQ-Group stavlja snažan naglasak na postizanje velikog broja parova polova. TQ-ov klijent, PAL Robotics, također razumije da je preciznost odlučujući faktor za komercijalni uspjeh humanoidnog robota.

Preciznost elektromotora raste sa brojem parova polova.

“TQ elektromotori nude vrlo preciznu kontrolu položaja i obrtnog momenta u širokom rasponu uvjeta, od male brzine i velikog obrtnog momenta do velike brzine i malog momenta. Ovo je neophodno za prirodne, tečne pokrete koji se očekuju od humanoidnih robota. Ova konzistentnost je posebno vrijedna u okruženjima u kojima roboti komuniciraju s ljudima, povećavajući prihvaćanje tehnologije.”Direktor tehnologije Luca Marchionni, PAL Robotics sa TALOS-om. © PAL Robotics

(S lijeva na desno) Robert Vogel i David Hastings, TQ-Group, sa Jonathanom Hurstom, glavnim direktorom za robote, Agility Robotics na Robotics Summit 2024.

Vrijeme odziva i dinamika

Okruženje u kojem se ljudi – a time i humanoidni roboti – kreću je promjenjivo i stalno se mijenja. Motori moraju biti u stanju da reagiraju i brzo se prilagode svakoj promjeni okoline (npr. ako robot zakorači u neočekivanu rupu ili naiđe na površinu koja se mijenja). Da bi humanoidni robot fleksibilno i brzo reagirao na promjene, potrebna mu je izuzetna dinamička kontrola, precizna upravljivost i brzo vrijeme odziva. Dinamika elektromotora odnosi se na njegovu sposobnost da brzo i precizno reaguje na promjene u opterećenju ili upravljačkom ulazu. Ova dinamička sposobnost je u suštini koliko dobro motor može podesiti svoju brzinu, položaj ili obrtni moment u različitim uslovima. Održavanje stabilnosti robota tokom kretanja, kao što su hodanje, trčanje ili obavljanje složenih zadataka, zahtijeva dinamičku ravnotežu. Ovo uključuje napredne strategije kontrole za trenutnu prilagodbu uvjetima koji se brzo mijenjaju. Agility Robotics, proizvođač humanoidnih robota, u videu pokazuje koliko su zglobne noge kritične za humanoidnu funkcionalnost u različitim okruženjima.

Kako električni aktuator postiže tako veliko vrijeme odziva i dinamiku? Da bi se reagovalo u realnom vremenu, nakratko je potreban vrlo visok obrtni moment, kao što je pri podešavanju pokreta stopala da se poravna sa neočekivanom rupom u tlu. Ovaj obrtni moment se ubrzo povećava nekoliko puta, što se naziva kapacitet preopterećenja servomotora ili vršni obrtni moment – tj. maksimalni obrtni moment koji motor može da generiše za kratko vreme. Vrhunski obrtni moment TQ motora je približno tri puta veći od njihovog nominalnog momenta ili kontinuiranog obrtnog momenta koji je održiv u dugim periodima. Konkretno, TQ motori postižu vršni obrtni moment u dvocifrenom rasponu njutonmetara (Nm), pružajući vodeći kapacitet preopterećenja u industriji.

Jonathan Hurst iz Agility Robotics ilustrira u ovom videu primjene u kojima su noge posebno naprednetagza humanoidne robote.

Zahvaljujući jedinstvenoj tehnologiji namotaja, TQ motori postižu vrlo niske gubitke bakra.

Efikasnost i potrošnja energije

Efikasnost – konkretno, količina gubitka energije tokom trajanja baterije – određuje koliko dugo humanoidni robot na baterije može raditi. Visoka efikasnost, postignuta niskim gubicima bakra, direktno produžava vijek trajanja baterije. Gubici bakra odnose se na gubitke energije uzrokovane električnim otporom u namotajima motora, koji se rasipaju kao toplina i jedan su od primarnih izvora gubitka energije u električnim mašinama. Motori s velikim gubicima snage troše više električne energije, što skraćuje vijek trajanja baterije i posljedično ograničava vrijeme rada. To znači da je efikasnost mnogo kritičniji faktor za mobilne humanoidne robote na baterije nego za kolaborativne robote (kobote) koji su povezani na izvor energije. U praktičnim primenama, kao što su industrija, zdravstvo ili maloprodaja, visoka efikasnost je neophodna za kontinuiran rad humanoidnih robota. TQ motori obrtnog momenta postižu efikasnost od 90 posto ili više, s posebno malim gubicima bakra mjerenim u vatima. Ove vrijednosti su obično navedene u tehničkim podacima kao efikasnost ili gubici bakra na sobnoj temperaturi.

Gustina i kompaktnost obrtnog momenta

Gustoća obrtnog momenta elektromotora je mjera koliki obrtni moment motor može proizvesti po jedinici zapremine ili težine. Gustina obrtnog momenta je ključni faktor za performanse i kompaktnost motora, posebno važan u aplikacijama gdje je težina kritična – kao što je robotika. Ukupna težina humanoidnog robota je u velikoj mjeri određena težinom njegovih zglobova. Što su motori u ovim zglobovima lakši, to je manja ukupna težina, što pozitivno utiče na trajanje baterije, nosivost i dinamiku. U industriji se ovaj faktor težine često naziva "mišićav".

TQ motori su izuzetno lagani i gusti snage, što omogućava proizvođačima robotike da značajno smanje težinu i prostor za instalaciju uz održavanje dosljednih performansi.

Dodatna težina je nedostataktage za humanoidnog robota, jer vitkiji dizajn povećava dinamiku, brzinu, a posebno sposobnost nošenja težeg tereta. TQ kupac PAL Robotics navodi ovu prednost u težinitage kao ključni razlog za odabir TQ-ovih motora sa unutrašnjim rotorom (ILM).

“Odabrali smo ILM motore jer nude neusporediv omjer obrtnog momenta i težine. TQ motori imaju najveći faktor punjenja bakra na tržištu. Fizički je nemoguće staviti više bakra u svaku veličinu motora.” Luca Marchionni, CTO, PAL Robotics

Luca Marchionni, tehnički direktor španske robotske kompanije osnovane 2004. godine, objašnjava: „Odabrali smo ILM motore jer nude neusporediv omjer obrtnog momenta i težine. Dostupne veličine i konfiguracije motora savršeno su odgovarale zahtjevima s kojima smo se suočili prilikom dizajniranja raznih robotskih zglobova, od skočnog zgloba do vrata. […] TQ-ovi servo kompleti bez okvira omogućavaju nam da minimiziramo mehatroničku integraciju, jer je jedan od naših glavnih ciljeva da zadržimo zapreminu i težinu naših robota što je moguće manjim. Dodatni advantagJedan od ovih motora je njihova velika šuplja osovina, koja je ključna za interno usmjeravanje kablova i postizanje čistog dizajna robota.” TQ motori ističu se po svojoj izuzetnoj gustini obrtnog momenta u poređenju sa drugim motorima, što znači da mogu da isporuče dvostruko veći obrtni moment pri istoj veličini ili da postignu isti obrtni moment pri upola manjoj veličini. TQ to postiže kroz jedinstvenu tehnologiju namotaja koja maksimizira faktor punjenja bakrom u odnosu na konvencionalno namotane elektromotore. Trenutno, TQ je jedini razvijač motora na tržištu koji, zahvaljujući specijaliziranim proizvodnim procesima, u potpunosti kapitalizira fizička ograničenja bakrenog punjenja: u svaku veličinu motora fizički je nemoguće ugraditi više bakra. To daje TQ motorima najveći faktor punjenja bakra na tržištu.

Zajedno sa DLR-om, TQ je uspeo da razvije novu tehnologiju motora sa najvećom gustinom snage i obrtnim momentom u odnosu na težinu i zapreminu.

Kompaktan dizajn pogonskog sistema omogućava efikasno korišćenje prostora i smanjenje težine, snižavajući centar gravitacije robota i povećavajući stabilnost. Za nprampU prometnom skladištu u gusto naseljenom urbanom području ili na montažnoj traci, kompaktan dizajn omogućava robotu da se efikasno kreće u uskim prostorima i održava ravnotežu prilikom manevrisanja kroz gužve.

TQ motori imaju najveći faktor punjenja bakra na tržištu. Unutar svake veličine motora, fizički je nemoguće dodati još bakra.

Robusnost i pouzdanost

Robusnost i pouzdanost motora su također ključni faktori u primjeni humanoidne robotike. Posebno tokom faze testiranja, roboti su skloni čestim padovima. Robusni dizajn bez održavanja osigurava da zglobovi ostanu netaknuti i funkcionalni tijekom cijele krivulje učenja. Motori se suočavaju s najvećim izazovima u svemiru, gdje moraju pouzdano raditi pri temperaturnim fluktuacijama od -40°C do +125°C (-40°F do +257°F). Na ISS-u (Međunarodnoj svemirskoj stanici) korišten je TQ ILM-E motor u ruci ROKVISS robota, koji je obavljao precizne zadatke u nultom gravitaciji – dosljedno i sa visokim performansama tokom pet godina i stotinama testova.

TQ motori korišteni su u robotskoj ruci ROKVISS, koja je tokom nekoliko godina provela oko 500 uspješnih testova na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS). U scenarijima industrijske primjene, kao što je u proizvodnom ili skladišnom okruženju, humanoidni robot zadužen za podizanje teških tereta može povremeno ispustiti predmete ili biti podvrgnut iznenadnim udarima. Robusnost zglobova robota štiti od oštećenja, osiguravajući kontinuiran i pouzdan rad čak i u zahtjevnim uvjetima.

Proizvodnja humanoidnih robota

Drugi relevantni faktori za uspješnu proizvodnju humanoidnih robota

Serijska proizvodnja i integracija motora u dizajnu

S obzirom na značajan tržišni potencijal predviđen za humanoidnu robotiku, lako implementirana integracija motora u prilagođene dizajne je ključni faktor za proizvođače robota koji imaju za cilj uspješan prelazak s prototipa na serijsku proizvodnju. „Sa TQ smo pronašli fantastičnog partnera u smislu kvaliteta i podrške. TQ-ov tehnički tim pomaže nam u odabiru motornih kompleta i reviewdizajn, osiguravajući optimalnu integraciju između mehaničkih dijelova i komponenti kompleta motora,” kaže Marchionni iz PAL Robotics.

TQ je više od samo dobavljača motora: TQ često integriše svoje motore direktno u prilagođena kućišta za klijente. To znači da TQ ne samo da obezbeđuje motore i kompletne razvojne projekte za čitave motorne reduktore, već je i specijalizovan za integraciju svojih motora u kućišta specifična za klijenta.
Za istaknutog američkog proizvođača humanoidnih robota, TQ prilagođava motore posebnom pločom za ožičenje, pojednostavljujući integraciju i povezivanje sa energetskom elektronikom. Ovdje se TQ-ova opsežna stručnost iz više od 30 godina razvoja elektronike pokazuje neprocjenjivom.

TQ podržava kupce od isporuke motora i integracije kućišta do razvoja kompletnih motornih reduktora – sve iz jednog izvora.

Standardni motori ili prilagođena rješenja?

Proizvođači robotike se često suočavaju sa odlukom da odaberu dobavljača motora koji obezbeđuje standardne komponente ili da se odluče za prilagođeno rešenje. U TQ-u kupci mogu birati između niza standardnih veličina, koje po potrebi prilagođavamo specifičnim aplikacijama. AdvantagJedan od TQ-ovih servo kompleta bez okvira je njihova fleksibilnost u prečniku i dužini gomile, omogućavajući prilagođavanje performansi i dimenzija za aplikaciju. Posebno za količine proizvodnje veće od stotinu jedinica godišnje, prilagođeno rješenje može biti najbolja opcija, pružajući potpunu kontrolu nad dizajnom, materijalima i proizvodnim procesom.TQ je jedan od rijetkih dobavljača u Njemačkoj koji je sposoban industrijalizirati kompletne robote, sposobnost koju je već uspješno demonstrirao.

Hardver je tvrd

Izreka „Hardver je tvrd“ prikladno se odnosi na razvoj i proizvodnju robotskih zglobova i njihovih potrebnih komponenti. Osnovne kompetencije i povijest nekih proizvođača humanoidne robotike leže u umjetnoj inteligenciji i softveru, dok je stručnost u industrijalizaciji robota i razvoju mehatronike manje uobičajena. Osim toga, često se podcjenjuje složenost razvoja i proizvodnje sistema poput robotskih zglobova.

U ovom kontekstu, može imati smisla osloniti se na tehnološke lidere u svojim oblastima. Između ostalog, TQ razvija kompletne motorne reduktore za mobilne aplikacije.

Sensodrive, proizvođač pogonskih modula za robotiku i pobjednik Innovationspreis Bayern 2024, pomaže da se značajno smanji vrijeme izlaska na tržište u razvoju medicinskih robota.
Kompletni pogonski sistemi također mogu uštedjeti dragocjeno vrijeme u trenutnoj utrci za stvaranje prvog masovno proizvedenog humanoidnog robota.

O autoru

Robert Vogel je menadžer prodaje i poslovnog razvoja u odjelu TQ-Ro-boDrive, koji razvija i proizvodi prilagođene pogonske sisteme za zahtjevne aplikacije. Industrijski inženjer, Robert Vogel ima preko 20 godina iskustva u industriji automatizacije i robotike.

TQ lokacija u Inning am Ammersee

Tehnološka kompanija TQ-Group nudi kompletan spektar usluga, od razvoja, proizvodnje i usluge do upravljanja životnim ciklusom proizvoda. Ove usluge pokrivaju sklopove, uređaje i sisteme, uključujući hardver, softver i mehaniku. TQ nudi usluge prilagođene njihovim specifičnim potrebama. Standardni proizvodi, kao što su spremni za korištenje mikrokontrolerski moduli, pogoni i rješenja za automatizaciju, dodatno poboljšavaju ponudu usluga.

TQ-Group zapošljava oko 2,000 ljudi na svojim lokacijama u Dellingu, Seefeldu, Inningu, Murnauu, Peissenbergu, Peitingu, Durachu u Allgäuu, Wetter an der Ruhr, Chemnitzu, Leipzigu, Fontainesu (Švicarska), Šangaju (Kina) i Chesapeakeu (SAD).

KONTAKT INFORMACIJE

Vaš kontakt sa TQ
- Želite li saznati više o tome kako vas TQ može podržati s motorima bez okvira?
robert.vogel@tq-group.com
+49 176 10930915
tq-robodrive.com

VIŠE INFORMACIJA

Reference:

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: Humanoidi: Investicione implikacije utjelovljene AI (26. jun 2024.)

Dokumenti / Resursi

TQ WHITEPAPER Humanoid Robots [pdf] Uputstvo za upotrebu
WHITEPAPER Humanoid Robots, WHITEPAPER, Humanoid Robots, Robots

Reference

Uputstvo za upotrebu

TQ WHITEPAPER Humanoid Robots

Upute za upotrebu proizvoda