5000 слов для объяснения схемы привода двигателя ловкой руки робота
2025-05-19
01 производства гуманоидных роботов
Цепочка производства гуманоидных роботов в основном состоит из компонентов верхнего уровня, промежуточных корпусов гуманоидных роботов и конечных приложений нижнего уровня. В настоящее время, поскольку гуманоидные роботы еще не достигли масштабной коммерциализации в конечных областях применения, применение некоторых основных компонентов в области гуманоидных роботов не было полностью проверено, поскольку эта отрасль находится на ранних стадиях развития. Цепочка поставок гуманоидных роботов в моей стране все еще находится в стадии формирования. В будущем ожидается, что на переднем крае будут находиться компании, обладающие технологическими резервами и способные первыми войти в цепочку поставок массового производства.
Индустрия человекоподобных роботов все еще находится на ранних стадиях индустриализации, и на рынок выходят многие типы компаний. В настоящее время компании, чей бизнес включает производство гуманоидных роботов, можно условно разделить на пять категорий в соответствии с их изначальными признаками: компании по производству профессиональных роботов (старшие), компании по производству транспортных средств на новых источниках энергии (трансграничные), интернет-компании (технологии), научно-исследовательские институты и инкубационные компании (стартапы) и оригинальные компании по производству роботов, чей изначальный бизнес включает промышленных роботов, сервисных роботов и т. д.
У моей страны большой потенциал в области создания человекоподобных роботов. Китай является крупнейшим в мире потребителем и производителем промышленных роботов, а также имеет один из крупнейших в мире рынков потребления. Благодаря поддержке правительства и проводимой политике отечественная цепочка робототехнической промышленности развивается быстро и стабильно и продолжает демонстрировать положительную динамику, однако предстоит преодолеть множество технических и нетехнических проблем. По прогнозу GGII, объем китайского рынка человекоподобных роботов в 2024 году составит 2,158 млрд юаней, а к 2030 году он увеличится до 38 млрд юаней, при этом среднегодовой темп роста составит более 61%. Продажи увеличатся с 4000 единиц до 271 200 единиц.
02 Почему ловкие руки вызывают наибольшее беспокойство в данный момент?
Ловкие руки являются захватной частью традиционных роботов и, как ожидается, станут окончательной заменой. Являясь основным компонентом управления взаимодействием робота с окружающей средой, точность и гибкость конечного исполнительного органа руки напрямую определяют объем задачи и эффективность работы. В настоящее время рабочие органы в основном делятся на две категории: многопальцевые захваты и многопальцевые ловкие руки. Традиционные многопальцевые захваты могут выполнять только базовые функции захвата и не способны справиться с разнообразными рабочими требованиями в сложных ситуациях, особенно в рабочих условиях, требующих точных операций, таких как выщипывание, вращение, скручивание, зацепление и резьба. Все более очевидной становится прикладная ценность многопальцевых ловких рук с высокой степенью свободы.
Значительную долю ценности человекоподобных роботов составляют ловкие руки. Порог разработки аппаратного и программного обеспечения для ловких рук чрезвычайно высок, и это одна из технологических высот в области робототехники. Человеческая рука имеет 27 степеней свободы (5 пальцев × 3 сустава + запястье), а бионической ловкой руке обычно необходимо достичь 12–20 степеней свободы и интегрировать микродвигатели, шестерни, сухожилия и другие компоненты в очень маленьком пространстве.
По данным Института перспективных промышленных исследований, на ловкие руки приходится 17,98% стоимости гуманоидных роботов, уступая по стоимости только вращательным и линейным приводам. Кроме того, учитывая такие вопросы, как снижение веса, сочетание легких (углеродное волокно, титановый сплав) и высокопрочных (ударных, износостойких) материалов еще больше увеличит долю стоимости.
Три основных компонента ловкой руки — приводная система, трансмиссионная система и сенсорная система — определяют ее производительность и стоимость. Среди них приводная система отвечает за обеспечение источника энергии для приведения в движение суставов пальцев; система трансмиссии передает мощность приводной системы на суставы пальцев и регулирует выходное усилие, скорость и ход; Система датчиков отслеживает положение, силу, прикосновение и т. д. пальцев в режиме реального времени и передает информацию о ситуации в систему управления.
03 Режим вождения ловких рук: электропривод — это основной тренд
3.1 Классификация режимов движения
В зависимости от соотношения числа степеней свободы и приводов режимы движения ловких рук можно разделить на режимы полного и неполного задействования. В робототехнике термины «полная приводимость» и «недостаточная приводимость» обычно относятся к соотношению между количеством приводов и степенями свободы (DOF). Полностью приводимая система означает, что каждая степень свободы имеет независимый привод (например, двигатель), поэтому движение каждого сустава можно точно контролировать. Недостаточно активная система — это система, в которой число исполнительных механизмов меньше числа степеней свободы, и для достижения скоординированного движения с несколькими степенями свободы требуется механическая конструкция (например, пружины, рычажные механизмы и т. д.). Такие конструкции, как правило, проще и дешевле, но могут снизить точность и гибкость управления.
Существуют значительные различия между полностью задействованными и недостаточно задействованными конструкциями ловких рук с точки зрения структуры, управления и сценариев применения. Полностью активируемый означает, что каждый сустав пальца оснащен независимым двигателем или приводом (например, Tesla Optimus), а точное движение каждого сустава достигается за счет прямого управления. Преимущество заключается в высокоточных операциях, таких как захват небольших предметов, регулировка позы захвата и активная обратная связь по силе, которая может регулировать силу каждого сустава в режиме реального времени, но стоимость заключается в сложной системе, высокой стоимости и высоком потреблении энергии. Недостаточное срабатывание распределяет мощность небольшого числа приводов по нескольким суставам посредством механической конструкции, такой как сухожилия, пружины или соединительные стержни (например, рука Atlas от Boston Dynamics использует сухожильные тросы для приведения в действие одного двигателя, управляющего несколькими пальцами). Его преимуществами являются небольшой вес, низкая стоимость и пассивная адаптивность, но он жертвует возможностями точного управления и полагается на взаимодействие с окружающей средой для полной корректировки позы. С точки зрения сценариев применения полностью задействованные руки больше подходят для точной сборки в промышленных условиях, тогда как недостаточно задействованные руки больше подходят для быстрого захвата на складах и в логистике. Мы считаем, что в будущем тенденция будет направлена на гибридные приводные решения, сохраняющие полный привод в ключевых степенях свободы для достижения основных функций и неполную активацию остальных сочленений для баланса производительности и стоимости.
В зависимости от типа привода режимы движения ловких рук можно разделить на моторный привод, пневматический привод, гидравлический привод и привод на основе сплава с эффектом памяти формы (SMA).
Моторный привод стал основным решением благодаря высокой точности управления, быстрому отклику и модульной конструкции. Ловкая рука Tesla Optimus достигает высокой степени свободы и точности работы благодаря прямому приводу микродвигателей. Привод двигателя основан на серводвигателе (например, бессердечниковом двигателе), который можно легко интегрировать с датчиком силы или тактильным датчиком, а также редуктором. Однако его недостатками являются ограниченная плотность мощности и высокое энергопотребление, а также серьезные проблемы с рассеиванием тепла при одновременной работе нескольких двигателей.
Пневматический привод использует сжатый газ для приведения в действие гибких исполнительных механизмов. Его преимуществами являются высокая гибкость (пассивная адаптация к форме объекта) и внутренняя безопасность (отсутствие жесткого удара при столкновении). Он подходит для сценариев взаимодействия человека и машины, например, когда роботы-медсестры захватывают хрупкие предметы. Однако точность его управления низкая, и он зависит от внешнего источника газа, что приводит к плохой портативности.
Гидравлический привод передает мощность посредством давления жидкости и имеет сверхвысокую плотность мощности и ударопрочность, что делает его пригодным для использования в полевых или промышленных условиях с большими нагрузками. Однако система сложна и громоздка, а также требует высоких затрат на обслуживание. Типичный пример — ловкая рука Boston Atlas.
Приводы из сплавов с эффектом памяти формы (SMA) создают движение за счет термической деформации сплавов. Преимущества заключаются в отсутствии традиционного передаточного механизма и шума двигателя. Однако их фатальным недостатком является крайне низкая эффективность. Их коэффициент преобразования энергии обычно составляет менее 10%, а скорость их реагирования имеет задержку в несколько секунд и короткий жизненный цикл, что затрудняет удовлетворение практических потребностей.
3.2 Тип приводного двигателя: бессердечниковый двигатель или бесщеточный щелевой двигатель
К распространенным типам приводных двигателей для ловких рук относятся в основном двигатели с полой чашкой, бесщеточные щелевые двигатели и т. д. Два основных решения в настоящее время имеют свои собственные характеристики.
Двигатель без сердечника — это особый тип двигателя постоянного тока. Благодаря своей уникальной конструкции и эксплуатационным характеристикам он продемонстрировал значительные преимущества в сценариях применения с миниатюрными и высокодинамичными реакциями, особенно в таких областях, как ловкие руки и суставные приводы гуманоидных роботов, которые предъявляют чрезвычайно высокие требования к весу, скорости реакции и точности. Основное отличие двигателя без сердечника от традиционного щеточного двигателя постоянного тока заключается в конструкции ротора без сердечника. Его ротор состоит из каркаса обмотки и медных катушек в форме полой чашки, а статор окружен постоянными магнитами (например, из сплава неодима, железа и бора).
Сверхлегкий: вес ротора значительно снижен по сравнению с традиционными двигателями.
Низкий момент инерции: ротор без сердечника имеет чрезвычайно низкую инерцию, время запуска/остановки может быть сокращено до миллисекунд, а скорость динамического отклика намного выше, чем у обычных двигателей.
Высокая энергоэффективность: потери меди и железа значительно снижены, а эффективность преобразования энергии существенно повышена.
Низкий уровень электромагнитных помех: конструкция без сердечника снижает искажение магнитного поля и подходит для интеграции точного электронного оборудования.
Бесщёточный щелевой двигатель — это разновидность бесщёточного двигателя постоянного тока, основными преимуществами которого являются длительный срок службы и хорошие показатели рассеивания тепла.
Бесщёточный двигатель постоянного тока (BLDC) — это тип синхронного двигателя, в котором магнитное поле, создаваемое статором, и магнитное поле, создаваемое ротором, имеют одинаковую частоту. Бесщёточный щелевой двигатель — это бесщёточный двигатель постоянного тока, имеющий роторную конструкцию с зубцами. Ротор изготовлен из ламинированных листов кремнистой стали с зубцами и пазами для увеличения крутящего момента и стабильности вращения. Он имеет хорошие показатели рассеивания тепла и высокую плотность крутящего момента. Его первоначальная стоимость относительно высока, но расходы на его долгосрочную эксплуатацию и техническое обслуживание низкие. Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока заключается в обеспечении непрерывной работы двигателя посредством электронного коммутатора. Он широко используется благодаря своим преимуществам, таким как высокая выходная мощность, низкий уровень электрических шумов, высокая надежность, высокая динамическая реакция, меньшие электромагнитные помехи, а также более высокая скорость и крутящий момент.
Существует множество типов бесщеточных двигателей постоянного тока с различной конструкцией. Система бесщеточного двигателя состоит из ротора, статора и блока управления двигателем. Среди них ротор в основном состоит из постоянных магнитов и т. д., статор состоит из катушечных обмоток и железных сердечников, а часть управления двигателем состоит из элементов переключения фаз и определения фаз, а также бесщеточного контроллера двигателя.
Бесщёточный щелевой двигатель — это разновидность бесщёточного двигателя постоянного тока, основными преимуществами которого являются длительный срок службы и хорошие показатели рассеивания тепла.
Бесщёточный двигатель постоянного тока (BLDC) — это тип синхронного двигателя, в котором магнитное поле, создаваемое статором, и магнитное поле, создаваемое ротором, имеют одинаковую частоту. Бесщёточный щелевой двигатель — это бесщёточный двигатель постоянного тока, имеющий роторную конструкцию с зубцами. Ротор изготовлен из ламинированных листов кремнистой стали с зубцами и пазами для увеличения крутящего момента и стабильности вращения. Он имеет хорошие показатели рассеивания тепла и высокую плотность крутящего момента. Его первоначальная стоимость относительно высока, но расходы на его долгосрочную эксплуатацию и техническое обслуживание низкие. Принцип работы бесщеточного двигателя постоянного тока заключается в обеспечении непрерывной работы двигателя посредством электронного коммутатора. Он широко используется благодаря своим преимуществам, таким как высокая выходная мощность, низкий уровень электрических шумов, высокая надежность, высокая динамическая реакция, меньшие электромагнитные помехи, а также более высокая скорость и крутящий момент.
Существует множество типов бесщеточных двигателей постоянного тока с различной конструкцией. Система бесщеточного двигателя состоит из ротора, статора и блока управления двигателем. Среди них ротор в основном состоит из постоянных магнитов и т. д., статор состоит из катушечных обмоток и железных сердечников, а часть управления двигателем состоит из элементов переключения фаз и определения фаз, а также бесщеточного контроллера двигателя.
