Manuál pro majitele humanoidních robotů TQ WHITEPAPER

Humanoidní robotické aktuátory od TQ jsou navrženy tak, aby poskytovaly pohyby podobné lidem v robotickém hardwaru. Tyto motory jsou klíčovými součástmi pro dosažení všestranných a přesných pohybů v humanoidních robotech.

Faktory pro výběr motorů

Výběr motorů pro klouby humanoidních robotů je zásadní pro dosažení pohybů podobných lidem. Mezi klíčové faktory, které je třeba vzít v úvahu, patří přesnost, krouticí moment a rychlost otáčení. Momentové motory TQ jsou speciálně navrženy pro splnění těchto požadavků.

Přesnost a počet pólových párů

Přesnost elektromotorů je přímo ovlivněna počtem pólových párů. Servomotory TQ kladou důraz na vysoký počet pólových párů, aby bylo zajištěno přesné ovládání, polohování a regulace u humanoidních robotů.

Instalace a údržba

Při instalaci pohonů zajistěte správné vyrovnání a bezpečnou montáž, abyste předešli problémům s nesouosostí během provozu. Pro zajištění optimálního výkonu a dlouhé životnosti motorů se doporučují pravidelné kontroly údržby.

Nejčastější dotazy

Otázka: Jaké jsou primární aplikace humanoidních robotů?
- Odpověď: Humanoidní roboti jsou obzvláště slibní ve výrobě a logistice, zejména pro pracné, fyzicky náročné a opakující se úkoly.

Otázka: Jak momentové motory přispívají k lidským pohybům v robotech?
- Odpověď: Momentové motory poskytují vysoký točivý moment při nízkých rychlostech otáčení, což umožňuje přesné a kontrolované pohyby nezbytné pro replikaci pohybů jako u lidí.

INFORMACE O PRODUKTU

WHITEPAPER

Pohon za pohybem Bezrámové momentové motory pro humanoidní roboty – váš průvodce úspěšným výběrem a implementací

humanoidní roboti

Další evoluční Stage v Robotics: Humanoid Robots

Humanoidní roboti se svou schopností napodobovat lidskou formu a pohyb představují další evoluční stage v robotice a mají jedinečnou fascinaci. Tito roboti mají tvar podobný člověku, jsou vybaveni kloubovými končetinami – označovanými jako stupně volnosti – a mohou pracovat autonomně prostřednictvím řízení umělé inteligence, se schopnostmi jemné motoriky a strojového učení. Všechny tyto schopnosti dělají humanoidní roboty vysoce univerzálními, i když jejich nasazení v současnosti znamená vyšší náklady ve srovnání s coboty a průmyslovými roboty. Humanoidní roboti mají navíc typicky modulární konstrukci, usnadňují údržbu, opravy a upgrady.1

Humanoidní robot TALOS od PAL Robotics © PAL Robotics

Závod ke komercializaci

Tržní příležitosti a závod o komercializaci

Závod ve vývoji prvního komerčně životaschopného humanoidního robota je jedním z nejvíce vzrušujících trendů v technologickém světě. Podle analýz investiční banky Goldman Sachs by trh s humanoidními roboty mohl do roku 35 dosáhnout objemu 2033 miliard dolarů. Toto působivé číslo zdůrazňuje obrovský potenciál této technologie do budoucna.2

V současné době mnoho společností po celém světě pracuje na humanoidních robotech pro komerční využití, přičemž mnoho z nich pro tento účel získává servomotory od TQ.

Analýza trhu od manažerské poradenské společnosti Horváth z března 2024 předpokládá, že první roboty podobné člověku by mohly vstoupit do sériové výroby pro průmyslové použití již v roce 2025. Jejich aplikace jsou slibné zejména ve výrobě a logistice, zejména pro pracně náročné, fyzicky náročné a opakující se úkoly.3

Coboti a průmyslové roboty se dobře hodí pro jednoduché, opakující se úkoly.

servopohony

Klíč k pohybu podobnému člověku v robotickém hardwaru

Pokud jde o hardware, aktuátory hrají klíčovou roli při dosahování pohybů podobných lidem v humanoidních robotech. Tyto komponenty fungují jako robotický ekvivalent lidských kloubů a svalů a umožňují jak rotační, tak lineární pohyby v rámci systému. Akční členy se skládají z kombinace převodů, motorů, snímačů, ložisek a enkodérů. Čím více stupňů volnosti je zapotřebí, tím více pohonů je zapotřebí. V současné době jsou humanoidní roboti ve vývoji schopni dosáhnout mezi 16 a 60 stupni volnosti. Jak vývoj postupuje, humanoidní roboti budou vyžadovat ještě více ovladačů, aby umožnili větší svobodu pohybu a přizpůsobili se stále složitějším aplikacím. Hardwarové koncepty se mohou výrazně lišit v závislosti na konkrétních požadavcích na rozsah pohybu, design ruky, citlivost senzoru a další faktory.4 Humanoidní robotické tělo se primárně skládá z aktuátorů spolu s podpůrnými systémy, jako jsou senzory, baterie, konstrukční součásti a chladicí systémy. Další část poskytuje konecview požadavků, které musí splňovat motor humanoidního robota, aby umožnil pohyb podobný lidskému.4

Původ technologie RoboDrive leží v Institutu robotiky a mechatroniky v Německém leteckém centru (DLR). Díky své velké duté hřídeli a bezrámové, lehké konstrukci se tyto motory ideálně hodí pro moduly robotického pohonu.

Klouby humanoidních robotů

Faktory pro výběr motorů pro klouby humanoidních robotů

Pohyby podobné lidem lze ovládat pomocí elektrických, hydraulických nebo pneumatických systémů pohonu. V současné době převládá používání specifických akčních členů skládajících se z převodovky, momentového motoru, kodéru a regulátoru motoru. Momentové motory jsou vysokopólové elektromotory, které poskytují vysoký točivý moment při relativně nízkých otáčkách.

Níže jsou uvedeny systémové požadavky, které jsou klíčové pro výběr motoru u humanoidního robota.

Přesnost

Aby robot mohl provádět kontrolované, plynulé a všestranné pohyby, je kritická přesnost motoru. Čím přesnější je pohon, tím přímější je spojení mezi pohybem robota a jeho „vizuálním procesem“, který zahrnuje senzory a kamerovou technologii. Každý kloub je definován trojrozměrnými vektory a pro maximální přesnost je nezbytné, aby motory – zejména při kombinaci napříč více klouby – konzistentně dosahovaly „správné“ polohy. I drobné odchylky v jednotlivých kloubech, jako je kyčel, koleno a kotník, se mohou hromadit, což vede k významným nesouosostem. Přesnost elektromotoru se zvyšuje s takzvaným počtem pólových párů, což je klíčový faktor ovlivňující chování motoru, protože přímo ovlivňuje ovládání, polohování a regulaci. Při navrhování svých bezrámových servomotorů klade skupina TQ velký důraz na dosažení vysokého počtu pólových párů. Klient TQ, PAL Robotics, také chápe, že přesnost je rozhodujícím faktorem pro komerční úspěch humanoidního robota.

Přesnost elektromotoru se zvyšuje s počtem pólových párů.

„Elektromotory TQ nabízejí vysoce přesné řízení polohy a točivého momentu v širokém rozsahu podmínek, od nízkých otáček a vysokého točivého momentu až po vysoké otáčky a nízký točivý moment. To je nezbytné pro přirozené, plynulé pohyby očekávané od humanoidních robotů. Tato konzistence je zvláště cenná v prostředích, kde roboti interagují s lidmi, čímž se zvyšuje akceptace technologie.“Chief Technology Officer Luca Marchionni, PAL Robotics s TALOS. © PAL Robotics

(Zleva doprava) Robert Vogel a David Hastings, TQ-Group, s Jonathanem Hurstem, hlavním robotickým důstojníkem, Agility Robotics na Robotickém summitu 2024

Doba odezvy a dynamika

Prostředí, ve kterém se lidé – a následně humanoidní roboti – pohybují, je nestálé a neustále se mění. Motory musí být schopny reagovat a rychle se přizpůsobit jakékoli změně prostředí (např. pokud robot vstoupí do neočekávané díry nebo narazí na pohyblivý povrch). Aby humanoidní robot pružně a rychle reagoval na změny, potřebuje výjimečnou dynamickou kontrolu, přesnou ovladatelnost a rychlou odezvu. Dynamika elektromotoru se týká jeho schopnosti rychle a přesně reagovat na změny zátěže nebo řídicího vstupu. Tato dynamická schopnost je v podstatě to, jak dobře může motor upravit svou rychlost, polohu nebo točivý moment za různých podmínek. Udržení stability robota během pohybu, jako je chůze, běh nebo provádění složitých úkolů, vyžaduje dynamickou rovnováhu. To zahrnuje pokročilé řídicí strategie umožňující okamžité přizpůsobení rychle se měnícím podmínkám. Agility Robotics, výrobce humanoidních robotů, ve videu ukazuje, jak důležité jsou kloubové nohy pro funkčnost humanoidů v různých prostředích.
Jak elektrický pohon dosahuje tak vysoké doby odezvy a dynamiky? Aby bylo možné reagovat v reálném čase, je krátce potřeba velmi vysoký točivý moment, například při nastavování pohybu nohy tak, aby byl zarovnán s neočekávanou dírou v zemi. Tento točivý moment se krátce několikrát zvýší, což je schopnost označovaná jako kapacita přetížení servomotoru nebo špičkový točivý moment – tj. maximální točivý moment, který je motor schopen vytvořit po krátkou dobu. Špičkový točivý moment motorů TQ je přibližně třikrát vyšší než jejich jmenovitý točivý moment nebo trvalý točivý moment udržitelný po dlouhou dobu. Konkrétně motory TQ dosahují špičkového točivého momentu v rozsahu dvouciferných nových tunometrů (Nm), čímž poskytují špičkovou kapacitu přetížení.

Jonathan Hurst z Agility Robotics v tomto videu ilustruje aplikace, kde jsou nohy obzvláště vyspělétageous pro humanoidní roboty.

Díky unikátní technologii vinutí dosahují motory TQ velmi nízkých ztrát mědi.

Účinnost a spotřeba energie

Účinnost – konkrétně velikost ztráty energie během životnosti baterie – určuje, jak dlouho může humanoidní robot napájený bateriemi fungovat. Vysoká účinnost dosažená nízkými ztrátami mědi přímo prodlužuje životnost baterie. Ztráty mědi se týkají energetických ztrát způsobených elektrickým odporem ve vinutí motoru, které se rozptýlí jako teplo a jsou jedním z primárních zdrojů energetických ztrát v elektrických strojích. Motory s vysokými ztrátami energie spotřebují více elektřiny, což snižuje životnost baterie a následně omezuje dobu provozu. To znamená, že účinnost je mnohem kritičtějším faktorem pro mobilní, bateriemi napájené humanoidní roboty než pro kolaborativní roboty (coboty), kteří jsou připojeni ke zdroji energie. V praktických aplikacích, jako je průmysl, zdravotnictví nebo maloobchod, je vysoká účinnost nezbytná pro nepřetržitý provoz humanoidních robotů. Momentové motory TQ dosahují účinnosti 90 procent nebo vyšší, se zvláště nízkými ztrátami mědi měřenými ve wattech. Tyto hodnoty jsou typicky specifikovány v technických listech jako účinnost nebo ztráty mědi při pokojové teplotě.

Hustota točivého momentu a kompaktnost

Hustota točivého momentu elektromotoru je měřítkem toho, kolik točivého momentu může motor generovat na jednotku objemu nebo hmotnosti. Hustota točivého momentu je rozhodujícím faktorem pro výkon a kompaktnost motoru, zvláště důležitá v aplikacích, kde je kritická hmotnost – například v robotice. Celková hmotnost humanoidního robota je do značné míry určena hmotností jeho kloubů. Čím lehčí jsou motory v těchto kloubech, tím nižší je celková hmotnost, což má pozitivní dopad na životnost baterie, užitečné zatížení a dynamiku. V průmyslu je tento váhový faktor často označován jako „svalnatý“.

Motory TQ jsou výjimečně lehké a výkonově náročné, což umožňuje výrobcům robotiky výrazně snížit hmotnost a instalační prostor při zachování konzistentního výkonu.

Další váha je nevýhodoutage pro humanoidního robota, protože štíhlejší design zvyšuje dynamiku, rychlost a zejména schopnost nést těžší náklad. Zákazník společnosti TQ, společnost PAL Robotics, uvádí toto zvýšení hmotnostitage jako klíčový důvod pro volbu motorů s vnitřním rotorem (ILM) TQ.

„Vybrali jsme motory ILM, protože nabízejí bezkonkurenční poměr točivého momentu k hmotnosti. Motory TQ mají nejvyšší faktor plnění mědi na trhu. Je fyzicky nemožné umístit více mědi do každé velikosti motoru. Luca Marchionni, CTO, PAL Robotics

Luca Marchionni, technický ředitel španělské robotické společnosti založené v roce 2004, vysvětluje: „Vybrali jsme si motory ILM, protože nabízejí bezkonkurenční poměr točivého momentu k hmotnosti. Dostupné velikosti a konfigurace motorů dokonale vyhovovaly požadavkům, kterým jsme čelili při navrhování různých kloubů robotů, od kotníku po krk. […] Bezrámové servosady TQ nám umožňují minimalizovat mechatronickou integraci, protože jedním z našich hlavních cílů je udržet objem a hmotnost našich robotů na co nejnižší úrovni. Další výhodatagJedním z těchto motorů je jejich velká dutá hřídel, která je zásadní pro vnitřní vedení kabeláže a dosažení čistého designu robota.“ Motory TQ vynikají svou výjimečnou hustotou točivého momentu ve srovnání s jinými motory, což znamená, že mohou dodat dvojnásobný točivý moment při stejné velikosti nebo dosáhnout stejného točivého momentu při poloviční velikosti. TQ toho dosahuje díky jedinečné technologii vinutí, která maximalizuje faktor plnění mědi ve srovnání s konvenčně vinutými elektromotory. V současnosti je TQ jedinou vývojářkou motorů na trhu, která díky specializovaným výrobním procesům plně využívá fyzikální limity měděné výplně: do každé velikosti motoru je fyzicky nemožné osadit další měď. To dává motorům TQ nejvyšší faktor plnění mědi na trhu.

Společně s DLR se TQ podařilo vyvinout novou technologii motoru s nejvyšší hustotou výkonu a točivého momentu v poměru k hmotnosti a objemu.

Kompaktní konstrukce pohonného systému umožňuje efektivní využití prostoru a snížení hmotnosti, snížení těžiště robota a zvýšení stability. Napřample, v rušném skladu v hustě obydlené městské oblasti nebo na montážní lince, kompaktní konstrukce umožňuje robotu efektivně procházet stísněnými prostory a udržovat rovnováhu při manévrování v přeplněných oblastech.

Motory TQ mají nejvyšší faktor plnění mědi na trhu. V rámci každé velikosti motoru je fyzicky nemožné přidat více mědi.

Robustnost a spolehlivost

Robustnost a spolehlivost motorů jsou také zásadní faktory v aplikacích humanoidní robotiky. Zejména ve fázi testování jsou roboti náchylní k častým pádům. Robustní, bezúdržbový design zajišťuje, že spoje zůstanou neporušené a funkční po celou dobu učení. Motory čelí největším výzvám ve vesmíru, kde musí spolehlivě fungovat při kolísání teplot od -40 °C do +125 °C (-40 °F až +257 °F). Na ISS (International Space Station) byl v rameni robota ROKVISS použit motor TQ ILM-E, který prováděl přesné úkoly v nulové gravitaci – konzistentně a s vysokým výkonem po dobu pěti let a stovek testů.

Motory TQ byly použity v robotickém rameni ROKVISS, které během několika let provedlo na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) kolem 500 úspěšných testů. Ve scénářích průmyslových aplikací, jako je prostředí výroby nebo skladu, může humanoidní robot pověřený zvedáním těžkých břemen příležitostně upustit předměty nebo být vystaven náhlým nárazům. Robustnost kloubů robota chrání před poškozením a zajišťuje nepřetržitý a spolehlivý provoz i v náročných podmínkách.

Výroba humanoidních robotů

Další důležité faktory pro úspěšnou výrobu humanoidních robotů

Sériová výroba a integrace motoru v designu

Vzhledem k významnému tržnímu potenciálu předpokládaného pro humanoidní robotiku je snadno implementovatelná integrace motorů do vlastních návrhů klíčovým faktorem pro výrobce robotů, kteří chtějí úspěšně přejít od prototypové k sériové výrobě. „S TQ jsme našli fantastického partnera, pokud jde o kvalitu a podporu. Technický tým TQ nám pomáhá při výběru motorových sad a reviewNávrh zajišťuje optimální integraci mezi mechanickými díly a součástmi motorové sady,“ říká Marchionni z PAL Robotics.

TQ je více než jen dodavatel motorů: TQ často integruje své motory přímo do vlastních krytů pro klienty. To znamená, že TQ poskytuje nejen motory a kompletní vývojové projekty pro celé motorové převodovky, ale také se specializuje na integraci svých motorů do skříní specifických pro klienta.
Pro předního amerického výrobce humanoidních robotů upravuje TQ motory pomocí speciální elektroinstalační desky, což zjednodušuje integraci a propojení s výkonovou elektronikou. Zde se ukazuje, že rozsáhlé odborné znalosti TQ z více než 30 let vývoje elektroniky jsou neocenitelné.

TQ podporuje zákazníky od dodávek motorů a integrace skříně až po vývoj kompletních motorových převodovek – vše z jednoho zdroje.

Standardní motory nebo přizpůsobená řešení?

Výrobci robotiky často stojí před rozhodnutím, zda si vybrat dodavatele motorů, který poskytuje standardní komponenty, nebo se rozhodnout pro vlastní řešení. V TQ si zákazníci mohou vybrat z řady standardních velikostí, které v případě potřeby přizpůsobíme konkrétním aplikacím. Advantage bezrámových servo sad TQ je jejich flexibilita v průměru a délce stohu, což umožňuje přizpůsobení výkonu a rozměrů dané aplikaci. Zejména pro objemy výroby větší než sto jednotek za rok může být nejlepší volbou vlastní řešení, které poskytuje plnou kontrolu nad designem, materiály a výrobním procesem.TQ je jedním z mála poskytovatelů v Německu schopných industrializovat kompletní roboty, tuto schopnost již úspěšně prokázala.

Hardware je tvrdý

Pro vývoj a výrobu robotických kloubů a jejich požadovaných komponent výstižně platí rčení „Hardware je tvrdý“. Klíčové kompetence a historie některých výrobců humanoidní robotiky spočívá v umělé inteligenci a softwaru, zatímco odborné znalosti v industrializaci robotů a vývoji mechatroniky jsou méně obvyklé. Navíc je často podceňována složitost vývoje a výroby systémů, jako jsou robotické klouby.

V této souvislosti může mít smysl spoléhat se na technologické lídry v jejich příslušných oborech. TQ mimo jiné vyvíjí kompletní motorové převodovky pro mobilní aplikace.

Sensodrive, výrobce robotických modulů pohonu a vítěz Innovationspreis Bayern 2024, pomáhá výrazně zkrátit dobu potřebnou k uvedení na trh ve vývoji lékařských robotů.
Kompletní pohonné systémy mohou také ušetřit cenný čas v současném závodě o vytvoření prvního sériově vyráběného humanoidního robota.

O autorovi

Robert Vogel je Sales & Business Development Manager v divizi TQ-Ro-boDrive, která vyvíjí a vyrábí přizpůsobené pohonné systémy pro náročné aplikace. Průmyslový inženýr Robert Vogel má více než 20 let zkušeností v oblasti automatizace a robotiky.

Umístění TQ v Inning am Ammersee

Technologická společnost TQ-Group nabízí kompletní škálu služeb od vývoje, výroby a servisu až po řízení životního cyklu produktu. Tyto služby zahrnují sestavy, zařízení a systémy, včetně hardwaru, softwaru a mechaniky. TQ nabízí služby šité na míru jejich specifickým potřebám. Standardní produkty, jako jsou moduly mikrořadičů připravené k použití, řešení pohonů a automatizace, dále rozšiřují nabídku služeb.

Skupina TQ zaměstnává přibližně 2,000 XNUMX lidí ve svých pobočkách v Dellingu, Seefeldu, Inningu, Murnau, Peissenbergu, Peitingu, Durachu v Allgäu, Wetter an der Ruhr, Chemnitz, Lipsku, Fontaines (Švýcarsko), Šanghaji (Čína) a Chesapeake (USA).

KONTAKTNÍ ÚDAJE

Váš kontakt s TQ
- Chtěli byste se dozvědět více o tom, jak vás může TQ podpořit s bezrámovými momentovými motory?
robert.vogel@tq-group.com
+49 176 10930915