Byg bedre humanoid robotter

med letvægts, moment-tætte og robot-klare bevægelser

Hver teknologi, der anvendes i en robot, skaber bevægelsen

De ingeniørmæssige udfordringer ved at designe en virkelig kapabel humanoid robot til en overkommelig pris er betydelige. For mindre end 10 år siden gav virale videoer af humanoider, der faldt ved DARPA Robotics Challenge, offentligheden et underholdende indblik i de involverede vanskeligheder.

Bare for at blive på deres fødder — for slet ikke at tale om at udføre komplekse opgaver — kræver humanoider sensorer, processorer og bevægelsessystemer langt ud over de fleste industrirobotters kapaciteter. Men disse udfordringer bliver hurtigt løst takket være eksponentielle fremskridt inden for kunstig intelligens, CPU-hastigheder, miniaturisering af integrerede kredsløb og andre teknologier.

Hver teknologi, der anvendes i en robot, tjener dog bevægelsen. Humanoiden er kun nyttig i det omfang, den kan bevæge sig med balance, præcision og fingerfærdighed som et menneske — eller endda "stærkere, hurtigere, bedre" end et menneske.

Den største mulighed for humanoide robotter ligger i at udføre opgaver i menneskelig skala i miljøer, der er bygget til mennesker. Det kan betyde alt fra at flytte kasser i et lager til at erstatte menneskelig arbejdskraft i farlige miljøer, hjælpe med ældrepleje eller endda udføre rutinemæssige huslige pligter. En stigende arbejdskraftmangel motiverer udviklingen af disse menneskeskala-robotter, og Goldman Sachs Research forudsiger et marked på over 6 milliarder dollars inden for blot 10 til 15 år.

For at realisere denne mulighed skal ingeniørteams tage fat på de to vigtigste bevægelseskrav for en succesfuld humanoid robot:

1. Minimere strømforbruget for forlænget batterilevetid
2. Maksimere moment-tæthed, så robotter kan bære egen vægt og samtidig manipulere store eksterne dynamiske belastninger

Disse to krav er tæt forbundet og skal løses samtidigt i den sam-me motor. Derfor mener Kollmorgen, at motorer og aktuatorer bør designes til at være robot-klare, i stedet for at låne fra bevæ-gelseskravene til droner eller anden ikke-robotisk applikation.

Udfordringer med moment, hastighed, vægt og effektivitet

Den maksimale anbefalede vægtgrænse for menneskelige arbejdere ifølge National Institute for Occupational Safety and Health’s Lifting Equation er 23 kg. UPS kræver mærkning og særlige procedurer ved forsendelse af pakker over 31,5 kg. Implementeringen af Manual Handling Directive i EU varierer fra medlemsstat til medlemsstat, men flere lande specificerer en grænse på 25 kg for mænd og 15 kg for kvinder.

Disse vægtgrænser giver en generel retningslinje for de dynamiske belastninger, som de fleste humanoide robotter forventes at kunne bære — men robotter skal også kunne understøtte og bevæge deres egen vægt, hvilket i en virkelig menneskelig skala kan være to til tre gange vægten af lasten.

Faste, kollaborative robotter, der arbejder i produktionsmiljøer, har opnået disse og større belastningshåndteringskapaciteter i årevis. Dog skal man overveje, at selv de mest sofistikerede og fleksible industrielle robotter typisk har 6–7 frihedsgrader.

Humanoide robotter, derimod, kan have 30–40 eller flere bevægelsesakser. Disse akser giver humanoiden frihed til at bevæge sig rundt, manipulere sit miljø og udføre sofistikerede, menneskelignende opgaver.

Hver af disse akser tilføjer vægt og bulk til robotten, samtidig med at de forbruger energi. Fremskridt inden for kunstig intelligens, visuelle systemer, kinæstetiske sensorer og databehandlingshastigheder er alle vigtige. Men intet er mere afgørende for at designe en ny generation af succesfulde humanoide robotter end at maksimere moment-tæthed, minimere størrelse og vægt samt reducere strømforbruget i hvert robotled.

Forståelse af krav til servomotorer

Motorstørrelse, vægt og moment er nøglespecifikationer for humanoide robotled. Beregning af den optimale belastning-

moment-hastighed er relativt ligetil for en industriel samarbejdende robot, men humanoider præsenterer et andet sæt udfordringer.

Humanoide led fungerer ikke inden for det relativt snævre hastighedsområde af en cobot. For at navigere og udføre arbejde i et uforudsigeligt miljø skal hvert humanoidled være i stand til meget hurtige tovejs-accelerationer — fra nul til høje hastigheder og tilbage igen — i en kontinuerlig, dynamisk dans af balance, præcision og kraft.

Disse krav er konventionelle målinger af motorpræstation — såsom kontinuerlige moment- og hastighedsvurderinger — af begrænset nytte, når der vælges motorer. I stedet bør relevante benchmarks være baseret på motorkonstanten, eller Km, beregnet ved at dividere momentkonstanten (Kt) med kvadratroden af motorviklingernes linje-til-linje-modstand (Km = Kt / sqrt Rm).

Motorkonstanten (Km) er i bund og grund et mål for motoreffek-tivitet, når man sammenligner motorer af lignende størrelse. En meget effektiv motor kan operere med minimal termisk stigning, hvilket hjælper med at sikre pålidelig ydeevne for motoren og varmefølsomme komponenter såsom smøremidler og elektronik inden for de snævre rammer af et robotled.

Beregning af Km pr. gram motorvægt giver også nyttige data til valg af de letteste motorer, der leverer den nødvendige yde-evne. En yderligere måde at optimere momentet i et let, kompakt robotled er at bruge motorer, der udnytter D2L-reglen, som i bund og grund siger, at fordobling af momentarmslæng-den resulterer i en fire gange stigning i moment uden at påvirke motorens aksiale længde.

Med andre ord giver D2L dig mulighed for at bygge et kraftigere led med en simpel forøgelse af motorens diameter, mens den vigtige ledbredde holdes på et minimum.

Valg af de rigtige, robot-klare motorer

Servomotorer designet specifikt til robotters størrelse, vægt og præstationskrav kan hjælpe ingeniørteams med at designe og bygge en mere kapabel, mere markedsførbar humanoid robot.

Det bedste eksempel på en robot-klar motor er TBM2G-serien af rammeløse servomotorer fra Kollmorgen. TBM2G-motorerne fås i syv ramme størrelser, som hver især kan optimeres omkring tre forskellige staklængder.

Dette er en stor fordel i forhold til konkurrerende motorer, der typisk kun er tilgængelige i tre til fem ramme størrelser. Med så mange muligheder kan TBM2G-motorerne specificeres til at opnå den ideelle balance mellem størrelse/vægt og moment for hvert led i hver robot, afhængigt af robotens tiltænkte anvendelse.

Når man lægger de mange robotled sammen, der indgår i en humanoid, kan vægt- og størrelsesbesparelserne ved hvert led resultere i en betydeligt lettere robot, der kræver langt mindre energi til at understøtte og bevæge sin egen vægt. Kompakte, lette, passende TBM2G-motorer er ideelle til at opnå dette ingeniørmål.

Disse innovative rammeløse motorer inkorporerer også avancerede materialer og flere viklingsmuligheder for at hjælpe ingeniører med at opnå optimerede mekanisk-elektroniske løsninger på tværs af hastigheds- og momentkravene for humanoide robotled.

TBM2G rammeløse servomotorer tilbyder:

• Hurtig acceleration med konsekvent moment på tværs af de højtydende robotledskrav.
• Større kontinuerligt moment i mindre pakke størrelser med formfaktorer, der udnytter D2L-reglen.
• Pålidelig respons og præcision for den meget dynamiske bevægelse, der kræves i humanoide arme og ben.
• Overlegen energieffektivitet på tværs af driftsspektret i mobile applikationer, der drives med 48 VDC og derunder.
• Lav termisk stigning for at forlænge levetiden for smøremidler, elektronik og andre robotledskomponenter.
• Et stort indre diameter gennemløb til at rumme encodere, kabler, aksler, værktøjer og mere.

TBM2G-serien indgår i et komplet udvalg af rammeløse motorløsninger fra Kollmorgen. Lær mere om Kollmorgens ekspertise inden for robotter og humanoider. Sammen kan vi hjælpe med at bringe fremtidens humanoide robotter til live.