TQ WHITEPAPER Användarmanual för Humanoid Robots

De humanoida robotaktuatorerna från TQ är designade för att ge människoliknande rörelser i robothårdvara. Dessa motorer är avgörande komponenter för att uppnå mångsidiga och exakta rörelser i humanoida robotar.

Faktorer för val av motorer

Valet av motorer för humanoida robotleder är avgörande för att uppnå människoliknande rörelser. Nyckelfaktorer att överväga är precision, vridmoment och rotationshastigheter. TQ:s vridmomentmotorer är speciellt utformade för att uppfylla dessa krav.

Precision och antal polpar

Precisionen hos elmotorerna påverkas direkt av antalet polpar. TQs servomotorer betonar ett högt antal polpar för att säkerställa exakt kontroll, positionering och reglering i humanoida robotar.

Installation och underhåll

När du installerar ställdonen, säkerställ korrekt inriktning och säker montering för att förhindra felinriktningsproblem under drift. Regelbundna underhållskontroller rekommenderas för att säkerställa optimal prestanda och livslängd för motorerna.

Vanliga frågor

F: Vilka är de primära tillämpningarna för humanoida robotar?
- S: Humanoida robotar är särskilt lovande inom produktion och logistik, särskilt för arbetsintensiva, fysiskt krävande och repetitiva uppgifter.
F: Hur bidrar vridmomentmotorer till människoliknande rörelser i robotar?
- S: Vridmomentmotorer ger högt vridmoment vid låga rotationshastigheter, vilket möjliggör exakta och kontrollerade rörelser som är nödvändiga för att replikera människoliknande rörelser.

PRODUKTINFORMATION

WITPAPPER

Drivkraften bakom rörelsen Ramlösa vridmomentmotorer för humanoida robotar – din guide till framgångsrikt urval och implementering

mänskliga robotar

The Next Evolutionary Stage i Robotics: Humanoid Robots

Humanoida robotar, med sin förmåga att efterlikna mänsklig form och rörelse, representerar nästa evolutionära stage i robotik och bär på en unik fascination. Dessa robotar har en människoliknande form, utrustade med ledade lemmar – kallade frihetsgrader – och kan arbeta autonomt genom kontroll av artificiell intelligens, med förmåga inom finmotorik och maskininlärning. Alla dessa förmågor gör humanoida robotar mycket mångsidiga, även om deras utplacering för närvarande innebär högre kostnader jämfört med cobots och industrirobotar. Dessutom är humanoida robotar vanligtvis modulära i design, vilket underlättar underhåll, reparationer och uppgraderingar.1

Humanoid Robot TALOS av PAL Robotics © PAL Robotics

Race mot kommersialisering

Marknadsmöjligheter och kapplöpningen mot kommersialisering

Kapplöpet om att utveckla den första kommersiellt gångbara humanoida roboten är en av de mest spännande trenderna i teknikvärlden. Enligt analyser från investeringsbanken Goldman Sachs skulle marknaden för humanoida robotar kunna nå en volym på 35 miljarder dollar år 2033. Denna imponerande siffra belyser den stora potentialen hos denna teknik för framtiden.2

För närvarande arbetar många företag över hela världen på humanoida robotar för kommersiellt bruk, och många av dem köper servomotorer från TQ för detta ändamål.

En marknadsanalys av managementkonsultföretaget Horváth från mars 2024 visar att de första människoliknande robotarna kan komma in i serieproduktion för industriell användning redan 2025. Deras tillämpningar är särskilt lovande inom produktion och logistik, särskilt för arbetsintensiva, fysiskt krävande och repetitiva uppgifter.3

Cobots och industrirobotar är väl lämpade för enkla, repetitiva uppgifter.

Actuators

Nyckeln till människoliknande rörelse inom robotteknik

När det gäller hårdvara spelar ställdon en avgörande roll för att uppnå mänskliga rörelser i humanoida robotar. Dessa komponenter fungerar som robotmotsvarigheten till mänskliga leder och muskler, vilket möjliggör både roterande och linjära rörelser inom ett system. Ställdon är sammansatta av en kombination av växlar, motorer, sensorer, lager och pulsgivare. Ju fler frihetsgrader som krävs, desto fler ställdon behövs. För närvarande är humanoida robotar under utveckling kapabla att uppnå mellan 16 och 60 frihetsgrader. I takt med att utvecklingen fortskrider kommer humanoida robotar att kräva ännu fler ställdon för att möjliggöra större rörelsefrihet, och rymma allt mer komplexa applikationer. Hårdvarukoncept kan variera avsevärt baserat på specifika krav för rörelseräckvidd, handdesign, sensorkänslighet och andra faktorer.4 Den humanoida robotkroppen består huvudsakligen av ställdon, tillsammans med stödsystem som sensorer, batteripaket, strukturella komponenter och kylsystem. Nästa avsnitt ger en överview av de krav en humanoidrobots motor måste uppfylla för att möjliggöra människoliknande rörelse.4

Ursprunget till RoboDrive-tekniken ligger i Institute of Robotics and Mechatronics vid German Aerospace Center (DLR). Med sin stora ihåliga axel och ramlösa, lätta design är dessa motorer idealiska för robotdrivna drivmoduler.

Humanoida robotleder

Faktorer för val av motorer för humanoida robotleder

Människoliknande rörelser kan styras med hjälp av elektriska, hydrauliska eller pneumatiska drivsystem. För närvarande är den övervägande praxis att använda specifika ställdon som består av en växellåda, momentmotor, pulsgivare och motorstyrenhet. Momentmotorer är högpoliga elmotorer som ger högt vridmoment vid relativt låga varvtal.

Följande beskriver systemkraven som är avgörande för motorval i en humanoid robot.

Precision

För att en robot ska kunna utföra kontrollerade, flytande och mångsidiga rörelser är motorprecision avgörande. Ju mer exakt drivningen är, desto mer direkt är kopplingen mellan robotens rörelse och dess "visuella process", som inkluderar sensorer och kamerateknik. Varje led definieras av tredimensionella vektorer, och för maximal noggrannhet är det viktigt att motorerna – speciellt när de kombineras över flera leder – konsekvent uppnår "korrekt" position. Även mindre avvikelser i enskilda leder, såsom höft, knä och fotled, kan ackumuleras, vilket leder till betydande felställningar. Precisionen hos en elmotor ökar med det så kallade polpartalet, en nyckelfaktor som påverkar motorns beteende, eftersom det direkt påverkar kontroll, positionering och reglering. Vid utformningen av sina ramlösa servomotorer lägger TQ-gruppen stor vikt vid att uppnå ett högt antal polpar. TQ:s kund, PAL Robotics, förstår också att precision är en avgörande faktor för den kommersiella framgången för en humanoid robot.

Precisionen hos en elmotor ökar med antalet polpar.

"TQ-elmotorer erbjuder mycket exakt positions- och vridmomentkontroll över ett brett spektrum av förhållanden, från låg hastighet och högt vridmoment till hög hastighet och lågt vridmoment. Detta är viktigt för de naturliga, flytande rörelserna som förväntas av humanoida robotar. Denna konsistens är särskilt värdefull i miljöer där robotar interagerar med människor, vilket ökar acceptansen av tekniken."Chief Technology Officer Luca Marchionni, PAL Robotics med TALOS. © PAL Robotics

(Från vänster till höger) Robert Vogel och David Hastings, TQ-Group, med Jonathan Hurst, Chief Robot Officer, Agility Robotics vid Robotics Summit 2024

Responstid och dynamik

Miljön som människor – och följaktligen humanoida robotar – rör sig i är flyktig och förändras ständigt. Motorer måste kunna reagera och anpassa sig snabbt till alla miljöförändringar (t.ex. om en robot kliver in i ett oväntat hål eller stöter på en skiftande yta). För att en humanoid robot ska reagera flexibelt och snabbt på förändringar behöver den exceptionell dynamisk kontroll, exakt hanterbarhet och snabba svarstider. Dynamiken hos en elmotor hänvisar till dess förmåga att reagera snabbt och exakt på förändringar i belastning eller styrinmatning. Denna dynamiska förmåga är i huvudsak hur väl en motor kan justera sin hastighet, position eller vridmoment under varierande förhållanden. Att upprätthålla en robots stabilitet under rörelse, som att gå, springa eller utföra komplexa uppgifter, kräver en dynamisk balans. Detta innebär avancerade styrstrategier för att omedelbart anpassa sig till snabbt föränderliga förhållanden. Agility Robotics, en tillverkare av humanoida robotar, visar i en video hur kritiska ledben är för humanoid funktionalitet i olika miljöer.

Hur uppnår ett elektriskt ställdon så hög responstid och dynamik? För att reagera i realtid krävs mycket högt vridmoment en kort stund, till exempel när du justerar en fotrörelse så att den kommer i linje med ett oväntat hål i marken. Detta vridmoment ökas inom kort flera gånger, en förmåga som kallas överbelastningskapaciteten hos en servomotor eller toppvridmoment – dvs det maximala vridmoment en motor kan generera under en kort tid. Toppvridmomentet för TQ-motorer är ungefär tre gånger högre än deras nominella vridmoment eller det kontinuerliga vridmomentet som är hållbart under långa perioder. Specifikt uppnår TQ-motorer ett toppvridmoment i det tvåsiffriga New-ton-meter (Nm) intervallet, vilket ger branschledande överbelastningskapacitet.

Jonathan Hurst från Agility Robotics illustrerar i den här videon applikationerna där benen är särskilt avanceradetageous för humanoida robotar.

Tack vare unik lindningsteknik uppnår TQ-motorer mycket låga kopparförluster.

Effektivitet och strömförbrukning

Effektivitet – specifikt mängden strömförlust över batterilivslängden – avgör hur länge en batteridriven humanoidrobot kan arbeta. Hög effektivitet, uppnådd genom låga kopparförluster, förlänger direkt batteriets livslängd. Kopparförluster avser energiförluster som orsakas av det elektriska motståndet i en motors lindningar, som försvinner som värme och är en av de primära källorna till energiförlust i elektriska maskiner. Motorer med höga effektförluster förbrukar mer elektricitet, vilket minskar batteritiden och följaktligen begränsar drifttiden. Detta innebär att effektivitet är en mycket mer kritisk faktor för mobila, batteridrivna humanoida robotar än för kollaborativa robotar (cobots) som är anslutna till en strömkälla. I praktiska tillämpningar, som inom industri, sjukvård eller detaljhandel, är hög effektivitet avgörande för den kontinuerliga driften av humanoida robotar. TQ vridmomentmotorer uppnår en verkningsgrad på 90 procent eller högre, med särskilt låga kopparförluster mätt i watt. Dessa värden anges vanligtvis i datablad som effektivitet eller kopparförluster vid rumstemperatur.

Vridmomentdensitet och kompakthet

Vridmomentdensiteten för en elmotor är ett mått på hur mycket vridmoment motorn kan generera per volym- eller viktenhet. Vridmomentdensitet är en avgörande faktor för prestanda och kompaktitet hos en motor, särskilt viktig i applikationer där vikten är kritisk – som i robotteknik. Den totala vikten av en humanoid robot bestäms till stor del av vikten på dess leder. Ju lättare motorer i dessa leder är, desto lägre totalvikt, vilket har en positiv inverkan på batteritid, nyttolast och dynamik. I branschen kallas denna viktfaktor ofta för "muskulär".

TQ-motorer är exceptionellt lätta och krafttäta, vilket gör att robottillverkare kan minska vikten och installationsutrymmet avsevärt samtidigt som de bibehåller konsekvent prestanda.

Extra vikt är en nackdeltage för en humanoid robot, eftersom en smalare design förbättrar dynamiken, hastigheten och särskilt förmågan att bära tyngre nyttolaster. TQ-kunden PAL Robotics nämner denna viktfördeltage som en viktig anledning till att välja TQs inre rotormotorer (ILM).

"Vi valde ILM-motorer eftersom de erbjuder ett oöverträffat vridmoment-till-vikt-förhållande. TQ-motorer har den högsta kopparfyllningsfaktorn på marknaden. Det är fysiskt omöjligt att få plats med mer koppar inom varje motorstorlek." Luca Marchionni, CTO, PAL Robotics

Luca Marchionni, CTO för det spanska robotföretaget som grundades 2004, förklarar: "Vi valde ILM-motorer eftersom de erbjuder ett oöverträffat vridmoment-till-vikt-förhållande. De tillgängliga motorstorlekarna och konfigurationerna passade perfekt för de krav vi ställdes inför när vi designade olika robotleder, från fotleden till halsen. […] TQ:s integrering av en mekanisk ram utan ramar för oss. huvudmålen är att hålla volymen och vikten på våra robotar så låg som möjligttagEn av dessa motorer är deras stora ihåliga axel, som är avgörande för att dra kablage internt och uppnå en ren robotdesign.” TQ-motorer sticker ut för sin exceptionella vridmomentdensitet jämfört med andra motorer, vilket innebär att de kan leverera dubbelt så mycket vridmoment vid samma storlek eller uppnå samma vridmoment vid halva storleken. om de fysiska gränserna för kopparfyllning: i varje motorstorlek är det fysiskt omöjligt att montera mer koppar. Detta ger TQ-motorer den högsta kopparfyllningsfaktorn på marknaden.

Tillsammans med DLR lyckades TQ utveckla en ny motorteknologi med högsta effekttäthet och vridmoment i förhållande till vikt och volym.

Drivsystemets kompakta design möjliggör effektiv användning av utrymmet och viktminskning, sänker robotens tyngdpunkt och förbättrar stabiliteten. Till exempelample, i ett livligt lager i ett tätbefolkat stadsområde eller på ett löpande band, gör den kompakta designen att roboten kan navigera i trånga utrymmen effektivt och bibehålla balansen när den manövrerar genom trånga områden.

TQ-motorer har den högsta kopparfyllningsfaktorn på marknaden. Inom varje motorstorlek är det fysiskt omöjligt att tillsätta mer koppar.

Robusthet och pålitlighet

Motorernas robusthet och tillförlitlighet är också avgörande faktorer i humanoida robotapplikationer. Speciellt under testfasen är robotar benägna att falla ofta. En robust, underhållsfri design säkerställer att lederna förblir intakta och funktionella under hela inlärningskurvan. Motorer står inför de största utmaningarna i rymden, där de måste fungera tillförlitligt under temperaturfluktuationer från -40°C till +125°C (-40°F till +257°F). På ISS (International Space Station) användes en TQ ILM-E-motor i armen på ROKVISS-roboten, som utförde exakta uppgifter utan tyngdkraft – konsekvent och med hög prestanda under fem år och hundratals tester.

TQ-motorerna användes i robotarmen ROKVISS, som genomförde omkring 500 framgångsrika tester under flera år på den internationella rymdstationen (ISS). I industriella tillämpningsscenarier, som i en produktions- eller lagermiljö, kan en humanoid robot med uppgift att lyfta tunga laster ibland tappa föremål eller utsättas för plötsliga stötar. Robustheten i robotens leder skyddar mot skador, vilket säkerställer kontinuerlig och tillförlitlig drift även under utmanande förhållanden.

Tillverkning av Humanoid-robotar

Andra relevanta faktorer för framgångsrik tillverkning av humanoida robotar

Serieproduktion och motorintegration i design

Med tanke på den betydande marknadspotential som förutses för humanoid robotik, är lätt implementerad motorintegration i skräddarsydda konstruktioner en avgörande faktor för robottillverkare som strävar efter att framgångsrikt övergå från prototyp till serieproduktion. "Med TQ har vi hittat en fantastisk partner när det gäller kvalitet och support. TQ:s tekniska team hjälper oss att välja motorsatser och reviewkonstruktionen, vilket säkerställer optimal integration mellan mekaniska delar och motorsatskomponenter, säger Marchionni från PAL Robotics.

TQ är mer än bara en motorleverantör: TQ integrerar ofta sina motorer direkt i anpassade höljen för kunder. Detta innebär att TQ inte bara tillhandahåller motorer och kompletta utvecklingsprojekt för hela motorväxlar utan också specialiserar sig på att integrera sina motorer i kundspecifika höljen.
För en framstående amerikansk tillverkare av humanoida robotar, skräddarsyr TQ motorer med ett dedikerat kopplingskort, vilket förenklar integration och anslutning till kraftelektroniken. Här visar sig TQ:s omfattande expertis från över 30 års elektronikutveckling ovärderlig.

TQ stödjer kunder från motorförsörjning och bostadsintegration till utveckling av kompletta motorväxlar – allt från en enda källa.

Standardmotorer eller kundanpassade lösningar?

Robottillverkare står ofta inför beslutet att välja en motorleverantör som tillhandahåller standardkomponenter eller välja en anpassad lösning. På TQ kan kunderna välja från en rad standardstorlekar, som vi skräddarsyr för specifika applikationer vid behov. AdvanentagEn av TQ:s ramlösa servosatser är deras flexibilitet i diameter och stapellängd, vilket möjliggör anpassning av prestanda och dimensioner för applikationen. Speciellt för produktionsvolymer på mer än hundra enheter per år kan en skräddarsydd lösning vara det bästa alternativet, som ger full kontroll över design, material och tillverkningsprocessen.TQ är en av få leverantörer i Tyskland som kan industrialisera kompletta robotar, en förmåga som det redan har visat framgångsrikt.

Hårdvara är hård

Ordspråket "Hårdvara är hård" gäller på ett lämpligt sätt för utveckling och produktion av robotförband och deras nödvändiga komponenter. Kärnkompetenserna och historien hos vissa tillverkare av humanoida robotar ligger inom artificiell intelligens och mjukvara, medan expertis inom industrialisering av robotar och utveckling av mekatronik är mindre vanligt. Dessutom underskattas ofta komplexiteten i att utveckla och producera system som robotförband.

I detta sammanhang kan det vara vettigt att förlita sig på teknikledare inom sina respektive områden. TQ utvecklar bland annat kompletta motorväxlar för mobila applikationer.

Sensodrive, en tillverkare av robotiska drivmoduler och vinnare av Innovationspreis Bayern 2024, hjälper till att avsevärt minska tiden till marknaden i utvecklingen av medicinska robotar.
Kompletta drivsystem kan också spara värdefull tid i det pågående loppet för att skapa den första masstillverkade humanoidroboten.

Om författaren

Robert Vogel är försäljnings- och affärsutvecklingschef i divisionen TQ-Ro-boDrive, som utvecklar och producerar skräddarsydda drivsystem för krävande applikationer. En industriingenjör, Robert Vogel har över 20 års erfarenhet inom automations- och robotindustrin.

TQ-läge i Inning am Ammersee

Teknikföretaget TQ-Group erbjuder ett komplett utbud av tjänster, från utveckling, produktion och service till produktlivscykelhantering. Dessa tjänster omfattar sammansättningar, enheter och system, inklusive hårdvara, mjukvara och mekanik. TQ erbjuder tjänster anpassade efter deras specifika behov. Standardprodukter, såsom färdiga att använda mikrokontrollermoduler, drivsystem och automationslösningar, förbättrar tjänsteutbudet ytterligare.

TQ-Group har cirka 2,000 XNUMX anställda på sina platser i Delling, Seefeld, Inning, Murnau, Peissenberg, Peiting, Durach i Allgäu, Wetter an der Ruhr, Chemnitz, Leipzig, Fontaines (Schweiz), Shanghai (Kina) och Chesapeake (USA).

KONTAKTINFORMATION

Din kontakt med TQ
- Vill du lära dig mer om hur TQ kan stödja dig med ramlösa momentmotorer?
robert.vogel@tq-group.com
+49 176 10930915
tq-robodrive.com

MER INFORMATION

Referenser:

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 Impplications of Embodied AI (26 juni 2024)

Dokument/resurser

TQ WHITEPAPER Humanoid Robots [pdf] Ägarmanual
WHITEPAPER Humanoid Robots, WHITEPAPER, Humanoid Robots, Robots

Referenser

Användarmanual

TQ WHITEPAPER Humanoid Robots

Produktanvändningsinstruktioner