TQ WHITEPAPER Humanoid Robots Lastniški priročnik

Humanoidni robotski aktuatorji podjetja TQ so zasnovani za zagotavljanje človeških podobnih gibov v robotski strojni opremi. Ti motorji so ključne komponente za doseganje vsestranskih in natančnih gibov v humanoidnih robotih.

Dejavniki za izbiro motorjev

Izbira motorjev za sklepe humanoidnih robotov je ključnega pomena za doseganje človeških gibov. Ključni dejavniki, ki jih je treba upoštevati, vključujejo natančnost, navor in hitrosti vrtenja. Navorni motorji TQ so posebej zasnovani za izpolnjevanje teh zahtev.

Natančnost in štetje parov polov

Na natančnost elektromotorjev neposredno vpliva število parov polov. Servomotorji TQ poudarjajo veliko število parov polov, da zagotovijo natančen nadzor, pozicioniranje in regulacijo v humanoidnih robotih.

Namestitev in vzdrževanje

Pri nameščanju aktuatorjev zagotovite pravilno poravnavo in varno pritrditev, da preprečite težave z neusklajenostjo med delovanjem. Priporočamo redne vzdrževalne preglede, da zagotovimo optimalno delovanje in dolgo življenjsko dobo motorjev.

pogosta vprašanja

V: Katere so glavne aplikacije humanoidnih robotov?
- O: Humanoidni roboti so še posebej obetavni v proizvodnji in logistiki, zlasti za delovno intenzivne, fizično zahtevne in ponavljajoče se naloge.
V: Kako navorni motorji prispevajo k človeškim gibom pri robotih?
- O: Motorji z navorom zagotavljajo visok navor pri nizkih vrtilnih hitrostih, kar omogoča natančne in nadzorovane gibe, ki so bistveni za posnemanje človeških gibov.

INFORMACIJE O IZDELKU

BELA KNJIGA

Pogon za gibanjem Motorji brez okvirja za humanoidne robote – vaš vodnik do uspešne izbire in implementacije

humanoidni roboti

Naslednji evolucijski Stage v robotiki: humanoidni roboti

Humanoidni roboti s svojo sposobnostjo posnemanja človeške oblike in gibanja predstavljajo naslednjo evolucijsko stage v robotiki in nosijo edinstveno fascinacijo. Ti roboti imajo človeško podobno obliko, opremljeni so z zgibnimi okončinami – imenovanimi stopnjami svobode – in lahko delujejo samostojno z nadzorom umetne inteligence, z zmožnostmi fine motorike in strojnega učenja. Zaradi vseh teh sposobnosti so humanoidni roboti zelo vsestranski, čeprav njihova namestitev trenutno vključuje višje stroške v primerjavi s koboti in industrijskimi roboti. Poleg tega so humanoidni roboti običajno modularne zasnove, kar olajša vzdrževanje, popravila in nadgradnje.1

Humanoidni robot TALOS podjetja PAL Robotics © PAL Robotics

Tekma za komercializacijo

Tržne priložnosti in tekma za komercializacijo

Dirka za razvoj prvega komercialno uspešnega humanoidnega robota je eden najbolj vznemirljivih trendov v tehnološkem svetu. Po analizah investicijske banke Goldman Sachs bi lahko trg humanoidnih robotov do leta 35 dosegel obseg 2033 milijard dolarjev. Ta impresivna številka poudarja ogromen potencial te tehnologije za prihodnost.2

Trenutno številna podjetja po vsem svetu delajo na humanoidnih robotih za komercialno uporabo, pri čemer mnoga od njih v ta namen nabavljajo servomotorje pri TQ.

Tržna analiza svetovalne družbe Horváth iz marca 2024 predvideva, da bi lahko prvi človeku podobni roboti vstopili v serijsko proizvodnjo za industrijsko uporabo že leta 2025. Njihova uporaba je še posebej obetavna v proizvodnji in logistiki, zlasti za delovno intenzivna, fizično zahtevna in ponavljajoča se opravila.3

Koboti in industrijski roboti so zelo primerni za preprosta, ponavljajoča se opravila.

Pogoni

Ključ do človeškega gibanja v robotski strojni opremi

Kar zadeva strojno opremo, imajo aktuatorji ključno vlogo pri doseganju človeških gibov v humanoidnih robotih. Te komponente delujejo kot robotski ekvivalent človeških sklepov in mišic ter omogočajo rotacijske in linearne gibe znotraj sistema. Aktuatorji so sestavljeni iz kombinacije zobnikov, motorjev, senzorjev, ležajev in dajalnikov. Več svobodnih stopenj je potrebnih, več aktuatorjev je potrebnih. Trenutno so humanoidni roboti v razvoju sposobni doseči med 16 in 60 stopinjami svobode. Z napredovanjem razvoja bodo humanoidni roboti potrebovali še več aktuatorjev, da bodo omogočili večjo svobodo gibanja in se prilagodili vse bolj zapletenim aplikacijam. Koncepti strojne opreme se lahko znatno razlikujejo glede na specifične zahteve za obseg gibanja, zasnovo roke, občutljivost senzorja in druge dejavnike.4 Telo humanoidnega robota je sestavljeno predvsem iz aktuatorjev, skupaj s podpornimi sistemi, kot so senzorji, paketi baterij, strukturne komponente in hladilni sistemi. Naslednji razdelek ponuja overview zahtev, ki jih mora izpolnjevati motor humanoidnega robota, da omogoča človeku podobno gibanje.4

Izvor tehnologije RoboDrive je na Inštitutu za robotiko in mehatroniko pri nemškem vesoljskem centru (DLR). S svojo veliko votlo gredjo in lahkim dizajnom brez okvirja so ti motorji idealni za robotske pogonske module.

Humanoidni robotski sklepi

Dejavniki za izbiro motorjev za sklepe humanoidnih robotov

Gibanje, podobno človeškim, je mogoče nadzorovati z električnimi, hidravličnimi ali pnevmatskimi pogonskimi sistemi. Trenutno je prevladujoča praksa uporaba posebnih aktuatorjev, ki jih sestavljajo menjalnik, momentni motor, dajalnik in krmilnik motorja. Momentni motorji so visokopolni električni motorji, ki zagotavljajo visok navor pri relativno nizkih hitrostih vrtenja.

V nadaljevanju so opisane sistemske zahteve, ki so ključne za izbiro motorja v humanoidnem robotu.

Natančnost

Da bi robot izvajal nadzorovane, tekoče in vsestranske gibe, je motorična natančnost ključnega pomena. Bolj kot je natančen pogon, bolj neposredna je povezava med gibanjem robota in njegovim "vizualnim procesom", ki vključuje senzorje in tehnologijo kamere. Vsak sklep je definiran s tridimenzionalnimi vektorji in za največjo natančnost je bistveno, da motorji – še posebej, če so združeni v več sklepih – dosledno dosegajo »pravilen« položaj. Celo manjša odstopanja v posameznih sklepih, kot so kolk, koleno in gleženj, se lahko kopičijo, kar vodi do znatnih neusklajenosti. Natančnost elektromotorja se poveča s tako imenovanim številom parov polov, ključnim dejavnikom, ki vpliva na obnašanje motorja, saj neposredno vpliva na nadzor, pozicioniranje in regulacijo. Pri oblikovanju svojih servomotorjev brez okvirja skupina TQ daje velik poudarek doseganju visokega števila parov polov. Stranka TQ, PAL Robotics, prav tako razume, da je natančnost odločilni dejavnik za komercialni uspeh humanoidnega robota.

Natančnost elektromotorja se povečuje s številom parov polov.

»Elektromotorji TQ ponujajo zelo natančen nadzor položaja in navora v širokem razponu pogojev, od nizke hitrosti in visokega navora do visoke hitrosti in nizkega navora. To je bistveno za naravne, tekoče gibe, ki se pričakujejo od humanoidnih robotov. Ta doslednost je še posebej dragocena v okoljih, kjer roboti komunicirajo z ljudmi, kar povečuje sprejemanje tehnologije.«Glavni tehnološki direktor Luca Marchionni, PAL Robotics pri TALOS. © PAL Robotics

(Od leve proti desni) Robert Vogel in David Hastings, TQ-Group, z Jonathanom Hurstom, glavnim robotskim uradnikom, Agility Robotics na Robotics Summit 2024

Odzivni čas in dinamika

Okolje, v katerem se gibljejo ljudje – in posledično humanoidni roboti – je nestanovitno in se nenehno spreminja. Motorji se morajo znati odzvati in hitro prilagoditi vsakemu premiku v okolju (npr. če robot stopi v nepričakovano luknjo ali naleti na premikajočo se površino). Da bi se humanoidni robot prožno in hitro odzival na spremembe, potrebuje izjemno dinamično kontrolo, natančno vodljivost in hitre odzivne čase. Dinamika elektromotorja se nanaša na njegovo sposobnost hitrega in natančnega odzivanja na spremembe v obremenitvi ali krmiljenju. Ta dinamična zmogljivost je v bistvu to, kako dobro lahko motor prilagodi svojo hitrost, položaj ali navor v različnih pogojih. Ohranjanje stabilnosti robota med gibanjem, kot je hoja, tek ali izvajanje kompleksnih nalog, zahteva dinamično ravnotežje. To vključuje napredne nadzorne strategije za takojšnje prilagajanje hitro spreminjajočim se razmeram. Agility Robotics, proizvajalec humanoidnih robotov, v videoposnetku prikazuje, kako ključne so sklepne noge za funkcionalnost humanoida v različnih okoljih.

Kako električni aktuator doseže tako visok odzivni čas in dinamiko? Za odziv v realnem času je za kratek čas potreben zelo visok navor, na primer pri prilagajanju gibanja noge, da se poravna z nepričakovano luknjo v tleh. Ta navor se v kratkem večkrat poveča, kar se imenuje preobremenitvena zmogljivost servomotorja ali največji navor – tj. največji navor, ki ga lahko motor ustvari za kratek čas. Najvišji navor motorjev TQ je približno trikrat večji od njihovega nazivnega navora ali neprekinjenega navora, ki je vzdržljiv v daljših obdobjih. Natančneje, motorji TQ dosegajo najvišji navor v dvomestnem območju Newton-meter (Nm), kar zagotavlja vodilno zmogljivost preobremenitve v industriji.

Jonathan Hurst iz Agility Robotics v tem videu ponazarja aplikacije, pri katerih so noge še posebej naprednetagprimeren za humanoidne robote.

Zahvaljujoč edinstveni tehnologiji navijanja motorji TQ dosegajo zelo nizke izgube bakra.

Učinkovitost in poraba energije

Učinkovitost – natančneje količina izgube energije med življenjsko dobo baterije – določa, kako dolgo lahko deluje humanoidni robot na baterije. Visoka učinkovitost, dosežena z nizkimi izgubami bakra, neposredno podaljšuje življenjsko dobo baterije. Izgube bakra se nanašajo na izgube energije, ki jih povzroči električni upor v navitjih motorja, ki se razpršijo kot toplota in so eden od primarnih virov izgube energije v električnih strojih. Motorji z velikimi izgubami moči porabijo več električne energije, kar skrajša življenjsko dobo baterije in posledično omeji čas delovanja. To pomeni, da je učinkovitost veliko bolj kritičen dejavnik za mobilne humanoidne robote na baterije kot za sodelovalne robote (kobote), ki so povezani z virom energije. V praktičnih aplikacijah, na primer v industriji, zdravstvu ali maloprodaji, je visoka učinkovitost bistvena za neprekinjeno delovanje humanoidnih robotov. TQ momentni motorji dosegajo učinkovitost 90 odstotkov ali več, s posebno nizkimi izgubami bakra, merjenimi v vatih. Te vrednosti so običajno določene v podatkovnih listih kot učinkovitost ali izgube bakra pri sobni temperaturi.

Gostota navora in kompaktnost

Gostota navora električnega motorja je merilo, koliko navora lahko ustvari motor na enoto prostornine ali teže. Gostota navora je ključni dejavnik za zmogljivost in kompaktnost motorja, še posebej pomemben pri aplikacijah, kjer je teža kritična – na primer v robotiki. Celotno težo humanoidnega robota v veliki meri določa teža njegovih sklepov. Lažji ko so motorji v teh spojih, manjša je skupna teža, kar pozitivno vpliva na življenjsko dobo baterije, nosilnost in dinamiko. V industriji se ta faktor teže pogosto imenuje "mišičast".

Motorji TQ so izjemno lahki in imajo visoko moč, kar proizvajalcem robotike omogoča znatno zmanjšanje teže in prostora za namestitev, hkrati pa ohranja dosledno delovanje.

Dodatna teža je slabosttage za humanoidnega robota, saj vitkejša zasnova poveča dinamiko, hitrost in predvsem sposobnost prenašanja težjih tovorov. Stranka TQ PAL Robotics navaja to prednost težetage kot ključni razlog za izbiro TQ motorjev z notranjim rotorjem (ILM).

»Motorje ILM smo izbrali, ker ponujajo neprimerljivo razmerje med navorom in težo. Motorji TQ imajo najvišji faktor polnjenja z bakrom na trgu. Fizično je nemogoče namestiti več bakra v vsako velikost motorja.« Luca Marchionni, tehnični direktor, PAL Robotics

Luca Marchionni, tehnični direktor španskega robotskega podjetja, ustanovljenega leta 2004, pojasnjuje: »Izbrali smo motorje ILM, ker ponujajo neprimerljivo razmerje med navorom in težo. Razpoložljive velikosti in konfiguracije motorjev so popolnoma ustrezale zahtevam, s katerimi smo se soočali pri oblikovanju različnih robotskih sklepov, od gležnja do vratu. […] Servo kompleti TQ brez okvirja nam omogočajo čim manjšo mehatronsko integracijo, saj je eden od naših glavnih ciljev ohraniti prostornino in težo naših robotov čim nižji. Dodatna prednosttagEden od teh motorjev je njihova velika votla gred, ki je ključnega pomena za notranje napeljavo kablov in doseganje čiste zasnove robota.« Motorji TQ izstopajo po izjemni gostoti navora v primerjavi z drugimi motorji, kar pomeni, da lahko zagotovijo dvakrat večji navor pri enaki velikosti ali dosežejo enak navor pri polovični velikosti. TQ to doseže z edinstveno tehnologijo navijanja, ki poveča faktor polnjenja z bakrom v primerjavi s konvencionalno navitimi elektromotorji. Trenutno je TQ edini razvijalec motorjev na trgu, ki zahvaljujoč specializiranim proizvodnim procesom v celoti izkorišča fizične omejitve bakrenega polnila: v vsako velikost motorja je fizično nemogoče namestiti še več bakra. To daje motorjem TQ najvišji faktor polnjenja z bakrom na trgu.

Skupaj z DLR je TQ uspelo razviti novo tehnologijo motorja z najvišjo gostoto moči in navora glede na težo in prostornino.

Kompaktna zasnova pogonskega sistema omogoča učinkovito uporabo prostora in zmanjšanje teže, znižanje težišča robota in večjo stabilnost. Na primerample v prometnem skladišču v gosto naseljenem mestnem območju ali na tekočem traku, kompaktna zasnova robotu omogoča učinkovito krmarjenje po tesnih prostorih in ohranjanje ravnotežja pri manevriranju skozi gneča.

Motorji TQ imajo najvišji faktor polnjenja z bakrom na trgu. Znotraj vsake velikosti motorja je fizično nemogoče dodati več bakra.

Robustnost in zanesljivost

Robustnost in zanesljivost motorjev sta tudi ključna dejavnika pri aplikacijah humanoidne robotike. Zlasti v fazi testiranja so roboti nagnjeni k pogostim padcem. Robustna zasnova brez vzdrževanja zagotavlja, da sklepi ostanejo nedotaknjeni in funkcionalni skozi celotno krivuljo učenja. Motorji se soočajo z največjimi izzivi v vesolju, kjer morajo zanesljivo delovati pri temperaturnih nihanjih od -40 °C do +125 °C (-40 °F do +257 °F). Na ISS (Mednarodni vesoljski postaji) je bil v roki robota ROKVISS uporabljen motor TQ ILM-E, ki je opravljal natančne naloge v ničelni gravitaciji – dosledno in z visoko zmogljivostjo v petih letih in na stotine testov.

Motorji TQ so bili uporabljeni v robotski roki ROKVISS, ki je v več letih na Mednarodni vesoljski postaji (ISS) izvedla okoli 500 uspešnih testov. V scenarijih industrijske uporabe, na primer v proizvodnem ali skladiščnem okolju, lahko humanoidni robot, ki je zadolžen za dvigovanje težkih bremen, občasno spusti predmete ali je izpostavljen nenadnim udarcem. Robustnost zglobov robota ščiti pred poškodbami, kar zagotavlja neprekinjeno in zanesljivo delovanje tudi v zahtevnih pogojih.

Proizvodnja humanoidnih robotov

Drugi pomembni dejavniki za uspešno proizvodnjo humanoidnih robotov

Serijska proizvodnja in integracija motorjev v dizajn

Glede na velik tržni potencial, napovedan za humanoidno robotiko, je enostavno implementirana integracija motorja v načrte po meri ključni dejavnik za proizvajalce robotov, ki želijo uspešno preiti s prototipa na serijsko proizvodnjo. »S TQ smo našli fantastičnega partnerja v smislu kakovosti in podpore. Tehnična ekipa TQ nam pomaga pri izbiri motornih kompletov in reviewzasnove, ki zagotavlja optimalno integracijo med mehanskimi deli in komponentami kompleta motorjev,« pravi Marchionni iz PAL Robotics.

TQ je več kot le dobavitelj motorjev: TQ pogosto integrira svoje motorje neposredno v ohišja po meri za stranke. To pomeni, da TQ ne zagotavlja le motorjev in celovitih razvojnih projektov za celotne motorne gonila, temveč je specializirano tudi za integracijo svojih motorjev v ohišja po meri naročnika.
Za uglednega ameriškega proizvajalca humanoidnih robotov TQ prilagodi motorje z namensko ožičeno ploščo, kar poenostavi integracijo in povezavo z močnostno elektroniko. Tu se obsežno strokovno znanje TQ iz več kot 30-letnega razvoja elektronike izkaže za neprecenljivo.

TQ podpira stranke od dobave motorjev in integracije ohišij do razvoja popolnih motornih gonil – vse iz enega vira.

Standardni motorji ali rešitve po meri?

Proizvajalci robotike se pogosto soočajo z odločitvijo o izbiri dobavitelja motorjev, ki zagotavlja standardne komponente, ali odločitvi za rešitev po meri. Pri TQ lahko stranke izbirajo med številnimi standardnimi velikostmi, ki jih po potrebi prilagodimo specifičnim aplikacijam. NapredektagTQ-jev servo komplet brez okvirja je njihova prilagodljivost premera in dolžine sklada, kar omogoča prilagajanje zmogljivosti in dimenzij za aplikacijo. Zlasti za obseg proizvodnje več kot sto enot na leto je lahko rešitev po meri najboljša možnost, ki zagotavlja popoln nadzor nad zasnovo, materiali in proizvodnim procesom.TQ je eden redkih ponudnikov v Nemčiji, ki je sposoben industrializirati celotne robote, kar je že uspešno dokazal.

Strojna oprema je težka

Pregovor »Strojna oprema je težka« ustrezno velja za razvoj in proizvodnjo robotskih sklepov in njihovih zahtevanih komponent. Temeljne kompetence in zgodovina nekaterih proizvajalcev humanoidne robotike so umetna inteligenca in programska oprema, medtem ko je strokovno znanje o industrializaciji robotov in razvoju mehatronike manj pogosto. Poleg tega je kompleksnost razvoja in proizvodnje sistemov, kot so robotski sklepi, pogosto podcenjena.

V tem kontekstu se je smiselno zanesti na tehnološke voditelje na svojih področjih. TQ med drugim razvija celotna motorna gonila za mobilne aplikacije.

Sensodrive, proizvajalec robotskih pogonskih modulov in zmagovalec nagrade Innovationspreis Bayern 2024, pomaga znatno skrajšati čas do trženja pri razvoju medicinskih robotov.
Popolni pogonski sistemi lahko tudi prihranijo dragoceni čas v trenutni tekmi za ustvarjanje prvega množično proizvedenega humanoidnega robota.

O avtorju

Robert Vogel je vodja prodaje in poslovnega razvoja v oddelku TQ-Ro-boDrive, ki razvija in proizvaja prilagojene pogonske sisteme za zahtevne aplikacije. Robert Vogel, industrijski inženir, ima več kot 20 let izkušenj v industriji avtomatizacije in robotike.

Lokacija TQ v Inning am Ammersee

Tehnološko podjetje TQ-Group ponuja celotno paleto storitev, od razvoja, proizvodnje in servisa do upravljanja življenjskega cikla izdelka. Te storitve zajemajo sklope, naprave in sisteme, vključno s strojno opremo, programsko opremo in mehaniko. TQ ponuja storitve, prilagojene njihovim specifičnim potrebam. Standardni izdelki, kot so za uporabo pripravljeni mikrokrmilniški moduli, pogoni in rešitve za avtomatizacijo, še izboljšajo ponudbo storitev.

Skupina TQ zaposluje okoli 2,000 ljudi na svojih lokacijah v Dellingu, Seefeldu, Inningu, Murnauu, Peissenbergu, Peitingu, Durachu in Allgäu, Wetter an der Ruhr, Chemnitzu, Leipzigu, Fontainesu (Švica), Šanghaju (Kitajska) in Chesapeaku (ZDA).

KONTAKTNI PODATKI

Vaš stik s TQ
- Bi radi izvedeli več o tem, kako vas lahko TQ podpira z momentnimi motorji brez okvirja?
robert.vogel@tq-group.com
+49 176 10930915
tq-robodrive.com

VEČ INFORMACIJ

Reference:

www.horvath-partners.com/de/media-center/studien/humanoid-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/humanoid-roboter-inoperations
Morgan Stanley & Co. LLC: Humanoidi: investicijske posledice utelešene umetne inteligence (26. junij 2024)

Dokumenti / Viri

TQ WHITEPAPER Humanoidni roboti [pdf] Priročnik za lastnika
WHITEPAPER Humanoidni roboti, WHITEPAPER, humanoidni roboti, roboti

Reference

Uporabniški priročnik

TQ WHITEPAPER Humanoidni roboti

Navodila za uporabo izdelka