Per què els robots humanoides obren un nou oceà blau per a aplicacions de motor sense nucli

 

Els robots humanoides, com a representants destacats dels robots de propòsit general i portadors ideals de la "intel·ligència encarnada", es beneficien d'una banda del ràpid desenvolupament de la intel·ligència artificial general i, d'altra banda, es converteixen en el pont entre la IA i el món real amb "intel·ligència encarnada", evolucionant gradualment cap a la plataforma terminal per a la propera generació d'intel·ligència artificial general. A les tasques de robots, els grans models d'IA assumeixen un paper clau en el raonament i la presa de decisions, convertint instruccions complexes en passos executables per als robots mitjançant l'anàlisi d'ordres de llenguatge natural. A més, l'addició de grans models multimodals d'IA millora significativament la precisió i l'eficiència del raonament i la presa de decisions, proporcionant un suport important als robots humanoides per progressar cap a la generalització.

 

 

El ràpid desenvolupament de la indústria de la robòtica es basa en les innovacions en tecnologies de components clau i en l'estabilitat del seu subministrament. En els robots humanoides, el reductor, el servosistema i el controlador es consideren els tres components bàsics, que representen més del 70% del cost total. A més, com a component bàsic, no es pot passar per alt el valor del motor. En robots humanoides com Optimus, el cost del motor representa aproximadament el 25% del valor total dels components.

 

Suposant que el volum d'enviament global de robots humanoides arribarà als 5 milions d'unitats en la propera dècada, la demanda de motors sense nucli (sense nuclis de ferro) experimentarà un creixement massiu del mercat durant aquest període. Segons els preus unitaris, l'increment del mercat dels motors sense nucli pot arribar als 350.000 milions de RMB, mentre que s'espera que el mercat incremental dels motors sense nucli superi els 78.000 milions de RMB. Junts, aquests dos formaran un ampli mercat de 428.000 milions de RMB.

 

 

A diferència dels robots industrials utilitzats en entorns de treball fixos, els robots humanoides serveixen principalment a escenaris de la vida quotidiana humana. Aquests robots no només necessiten capacitats de percepció, presa de decisions i acció, sinó que també necessiten simular patrons de comportament humà per interactuar amb l'entorn i els usuaris d'una manera més natural. Per tant, els motors, com a components bàsics dels actuadors conjunts, afecten directament la flexibilitat, precisió i estabilitat del robot.

 

Entre les diverses tecnologies d'accionament, l'accionament del motor elèctric presenta avantatges significatius respecte a l'accionament hidràulic. La solució d'accionament del motor elèctric es beneficia d'una tecnologia de control de moviment madura, proporcionant informació en temps real de l'estat del moviment mitjançant codificadors d'alta precisió per garantir un control precís. Al mateix temps, el cost dels sistemes d'accionament de motor elèctric és menor en comparació amb els sistemes hidràulics, amb menys manteniment necessari. Aquesta característica rendible fa que el motor elèctric sigui una de les opcions principals per al desenvolupament de robots humanoides.

 

Entre ells, els motors sense nucli, amb les seves característiques lleugeres, d'alta eficiència i de baixa inèrcia, s'han convertit en components clau per millorar el rendiment dels robots humanoides.Els motors sense nucli poden proporcionar una major densitat de potència i majors velocitats de resposta en petits volums, permetent als robots mostrar un rendiment superior en un control conjunt de diversos graus de llibertat. A més, els motors sense nucli tenen un menor consum d'energia, ajudant als robots a aconseguir una vida útil més llarga de la bateria.

 

1.1 Robots humanoides que s'integren a la vida diària, mostrant la força tecnològica nacional

Els robots humanoides s'han convertit gradualment en assistents fiables en la vida humana diària, capaços d'ajudar amb una varietat de tasques complexes. A diferència dels robots industrials, que normalment funcionen en entorns fixos, els robots humanoides estan dissenyats per integrar-se en l'entorn quotidià humà. Aquests robots no només posseeixen capacitats bàsiques com la percepció, la presa de decisions i les accions, sinó que també tenen característiques de moviment semblants a les persones i dissenys d'aspecte amigable, cosa que els fa més fàcils d'acceptar pels humans i crea una sensació de familiaritat. En adaptar-se de manera flexible a diferents entorns, els robots humanoides mostren un enorme potencial d'aplicació en àrees com la llar, els serveis i la salut.

 

Com a dispositius intel·ligents avançats, els robots humanoides es consideren símbols de la força tecnològica nacional. El seu desenvolupament requereix superar les barreres tecnològiques en múltiples disciplines, com ara l'enginyeria mecànica, l'enginyeria elèctrica, la ciència dels materials, la tecnologia de detecció, els sistemes de control i la intel·ligència artificial. Amb característiques d'aspecte humà, capacitats per caminar bípedes i tecnologies de control de moviment altament coordinades, els robots humanoides poden realitzar tasques físiques i comunicar-se amb els humans mitjançant el llenguatge o les expressions facials. En comparació amb els robots tradicionals, els robots humanoides presenten avantatges significatius en la interacció home-màquina, l'adaptació ambiental i la versatilitat de les tasques.

 

 

1.2 El desenvolupament dels robots humanoides: del concepte a la industrialització

El concepte de robot existeix des de fa més d'un segle i la investigació sobre robots humanoides va començar a mitjan -20segle, i va experimentar un llarg procés de desenvolupament des de prototips de laboratori fins a les primeres etapes de la industrialització. L'ús més antic del terme "robot" prové de l'obra de teatre de l'escriptor txec Karel Čapek RUR (Rossum's Universal Robots), que significa esclaus de màquines que serveixen a la humanitat. La producció massiva de robots industrials va començar a la dècada de 1960, amb el braç robòtic "UNIMATE" llançat per l'empresa nord-americana Unimation, que va obrir l'era dels robots industrials comercials.

 

La investigació i desenvolupament de robots humanoides va començar al Japó i va entrar gradualment en les etapes de sistematització i alta dinàmica:

 

Etapa d'exploració inicial (cap a la dècada de 1970): el 1973, el professor Ichiro Kato de la Universitat de Waseda al Japó va desenvolupar el primer robot humanoide del món, WABOT-1, i el seu mecanisme de marxa bípede WL-5 va establir les bases per a humanoides. robots.

 

Etapa d'integració tecnològica (dècada de 1980-1990): el 1986, Honda va iniciar la investigació sobre el robot humanoide ASIMO i l'any 2000 es va llançar el model ASIMO de primera generació, que va marcar l'entrada dels robots humanoides en una etapa tecnològica altament integrada.

 

Etapa d'avenç del rendiment dinàmic (2000-2020): el 2016, Boston Dynamics dels Estats Units va llançar el robot bípede Atlas, que, amb la seva poderosa capacitat d'equilibri i el seu rendiment en creuar obstacles, va assolir nous nivells en el moviment dinàmic i l'execució de tasques en ambients perillosos.

 

Etapa d'industrialització inicial (2020-actual): l'any 2022, Tesla va llançar el prototip de robot humanoide Optimus, que mostrava intel·ligència artificial altament integrada i tecnologia d'accionament del motor al Tesla AI Day. La versió 2023 d'Optimus és capaç de classificar objectes i equilibrar precís, cosa que indica que els robots humanoides s'estan avançant gradualment cap a l'aplicació pràctica.

 

1.3 Integració profunda dels robots humanoides i la tecnologia del motor

L'evolució contínua dels robots humanoides és inseparable del suport de la tecnologia motora. Com a component bàsic de les unitats d'articulació del robot, els motors no només determinen el rendiment del moviment del robot, sinó que també afecten la seva flexibilitat i durabilitat. Amb la seva alta precisió, baix consum d'energia i fiabilitat, els accionaments del motor s'han convertit gradualment en la solució de potència més utilitzada per als robots humanoides. Mentrestant, els motors sense nucli, amb avantatges com la lleugera, l'alta eficiència i la baixa inèrcia, proporcionen un suport tecnològic crucial per al ràpid desenvolupament de robots humanoides.

 

En el futur, amb nous avenços tecnològics, els robots humanoides s'utilitzaran més àmpliament en diversos escenaris de vida, injectant nova vitalitat al desenvolupament econòmic i social global. Això fa que el mercat del motor, especialment el mercat del motor sense nucli, sigui un oceà blau nou i molt esperat.

 

1.4 Estructura del robot humanoide: anàlisi dels components clau

L'estructura clau dels robots humanoides es pot dividir en tres mòduls principals: actuadors, controladors i sensors. Els components principals com motors, reductors i sensors determinen el rendiment del robot. A continuació es fa una anàlisi detallada d'aquests components:

 

1.4.1 Motor

El motor és el nucli de l'execució del moviment del robot humanoide, incloent servomotors, motors pas a pas, motors de parell i motors esfèrics, entre d'altres. Entre ells, els motors de parell es consideren ideals per a articulacions de robots humanoides amb exigències de baixa velocitat i parell elevat a causa de la seva capacitat per proporcionar un parell elevat a velocitats mitjanes i baixes. No obstant això, la seva dificultat de recerca i producció és relativament alta, i requereix avenços en els colls d'ampolla tecnològics.

 

1.4.2 Reductor

Els reductors harmònics són àmpliament reconeguts per la seva estructura compacta, alta relació de transmissió i precisió superior, cosa que els converteix en una opció habitual per als components d'articulació del robot. Tanmateix, la seva durabilitat i vida útil encara tenen marge de millora.

 

1.4.3 Sensor

Els sensors tenen un paper crític en els robots, especialment els sensors de parell, que són una part essencial del disseny de les articulacions. Aquests sensors, en combinació amb motors i reductors, formen el conjunt d'articulació i proporcionen un control precís del moviment i una retroalimentació de força.

 

1.4.4 Mètode de conducció de l'extremitat superior

Les extremitats superiors utilitzen principalment dissenys de cargols de boles, que converteixen el moviment alternatiu de les boles en moviment lineal del cargol. En comparació amb les transmissió per corretja o cadena, els cargols de boles tenen menys fricció, menors costos d'operació i manteniment i una major precisió.

 

1.4.5 Mètode de conducció de l'extremitat inferior

Els cargols de rodets planetaris, coneguts per la seva resistència a l'impacte de la força externa i la seva llarga vida útil, s'han convertit en l'opció principal per a les unitats de les extremitats inferiors, especialment adequats per manejar necessitats complexes de control de la marxa.

 

1.4.6 Articulació de la mà

Les articulacions manuals solen utilitzar motors sense nucli. Aquests motors tenen un disseny senzill, lleugers i són components d'accionament ideals per al moviment dels dits, permetent un control més fi.

 

A més, les opcions de coixinets per a juntes lineals i rotatives inclouen coixinets de contacte angular, coixinets de rodets creuats i coixinets de boles de ranura profunda. Aquests components junts garanteixen la lleugeresa, la precisió i la fiabilitat del robot.

 

 

Avantatges intel·ligents de l'accionament del motor

En comparació amb els accionaments hidràulics, els accionaments del motor presenten un rendiment intel·ligent especialment excepcional en el control del moviment. Per exemple, el robot humanoide de Tesla adopta tecnologia de servomotor d'alta densitat de parell, amb el seu control de moviment intel·ligent que supera amb escreix els sistemes hidràulics tradicionals. Aquest disseny no només permet una retroalimentació en temps real de l'estat del moviment per garantir la precisió del control, sinó que també manté els costos relativament baixos, el que el fa adequat per a aplicacions a gran escala.

 

Requisits de rendiment dels servomotors

Com a nucli dels actuadors de robots, els servomotors han de complir els requisits de rendiment següents:

• Resposta ràpida: els servomotors s'han d'engegar i aturar ràpidament per adaptar-se a entorns d'alta dinàmica.
• Alta relació de parell d'arrencada a inèrcia: els servomotors haurien de proporcionar un parell d'arrencada elevat mantenint una baixa inèrcia de rotació.
• Control continu i característiques lineals: la velocitat del motor s'ha d'ajustar contínuament amb els canvis en el senyal de control per garantir una execució precisa.
• Disseny compacte: els servomotors han de ser de mida petita i lleugers per adaptar-se a la disposició espacial compacta del robot.
• Durabilitat i capacitat de sobrecàrrega: els servomotors han de suportar freqüents rotacions cap endavant i inversa i operacions d'acceleració/desacceleració, i suportar diverses vegades la càrrega nominal durant períodes curts.

Aquestes característiques fan que els servomotors siguin indispensables en el camp de la robòtica, posant les bases per a una major intel·ligència i estabilitat en els robots.

 

Continuar llegint: El cor del moviment del robot: el paper decisiu dels motors en la precisió - Part 2