Proč humanoidní roboti otevírají nový modrý oceán pro aplikace bezjádrových motorů

 

Humanoidní roboti jako vynikající představitelé univerzálních robotů a ideální nositelé „vtělené inteligence" těží na jedné straně z rychlého rozvoje obecné umělé inteligence a na druhé straně se stávají mostem mezi umělou inteligencí a skutečným světem. „ztělesněná inteligence", postupně se vyvíjející v terminálovou platformu pro další generaci obecné umělé inteligence. V úlohách robotů přebírají velké modely umělé inteligence klíčovou roli v uvažování a rozhodování a převádějí složité instrukce na proveditelné kroky pro roboty pomocí analýzy příkazů přirozeného jazyka. Přidání velkých multimodálních modelů umělé inteligence navíc výrazně zlepšuje přesnost a efektivitu uvažování a rozhodování a poskytuje humanoidním robotům důležitou podporu při postupu směrem ke zobecnění.

 

 

Rychlý rozvoj robotického průmyslu se opírá o inovace v technologiích klíčových komponent a stabilitu jejich dodávek. U humanoidních robotů jsou reduktor, servosystém a řídicí jednotka považovány za tři hlavní součásti, které dohromady představují více než 70 % celkových nákladů. Navíc, jako základní součást, nelze přehlédnout hodnotu motoru. U humanoidních robotů, jako je Optimus, náklady na motor tvoří přibližně 25 % celkové hodnoty komponentů.

 

Za předpokladu, že globální objem dodávek humanoidních robotů dosáhne v příštím desetiletí 5 milionů kusů, poptávka po bezjádrových motorech (bez železných jader) zaznamená v tomto období masivní růst trhu. Na základě jednotkových cen může tržní přírůstek bezjádrových motorů dosáhnout 350 miliard RMB, přičemž se očekává, že přírůstkový trh bezjádrových motorů přesáhne 78 miliard RMB. Společně tyto dva vytvoří obrovský tržní prostor o velikosti 428 miliard RMB.

 

 

Na rozdíl od průmyslových robotů používaných v pevných pracovních prostředích slouží humanoidní roboti především scénářům každodenního života člověka. Tito roboti potřebují nejen schopnosti vnímání, rozhodování a akce, ale také potřebují simulovat vzorce lidského chování, aby mohli přirozeněji interagovat s prostředím a uživateli. Proto motory jako hlavní součásti kloubových pohonů přímo ovlivňují flexibilitu, přesnost a stabilitu robota.

 

Mezi různými technologiemi pohonu má elektromotor oproti hydraulickému pohonu značné výhody. Řešení pohonu elektromotorem těží z vyspělé technologie řízení pohybu, která poskytuje zpětnou vazbu o stavu pohybu v reálném čase prostřednictvím vysoce přesných kodérů, aby bylo zajištěno přesné řízení. Zároveň jsou náklady na systémy pohonu elektromotorem ve srovnání s hydraulickými systémy nižší a vyžadují méně údržby. Tato nákladově efektivní vlastnost dělá z pohonu elektromotorem jednu z hlavních možností vývoje humanoidních robotů.

 

Mezi nimi se motory bez jádra se svou nízkou hmotností, vysokou účinností a nízkou setrvačností staly klíčovými součástmi při zlepšování výkonu humanoidních robotů.Bezjádrové motory mohou poskytovat vyšší hustotu výkonu a vyšší rychlost odezvy v malých objemech, což umožňuje robotům vykazovat vynikající výkon při řízení kloubů s více stupni volnosti. Bezjádrové motory mají navíc nižší spotřebu energie, což robotům pomáhá dosáhnout delší životnosti baterie.

 

1.1 Humanoidní roboti integrující se do každodenního života, ukazující národní technologickou sílu

Humanoidní roboti se postupně stali spolehlivými pomocníky v každodenním lidském životě, schopnými pomáhat s řadou složitých úkolů. Na rozdíl od průmyslových robotů, kteří obvykle pracují v pevných prostředích, jsou humanoidní roboti navrženi tak, aby se integrovali do každodenního lidského prostředí. Tito roboti mají nejen základní schopnosti, jako je vnímání, rozhodování a akce, ale také pohybové vlastnosti podobné lidem a přátelské vzhledové návrhy, díky nimž jsou lidmi snáze přijímáni a vytvářejí pocit důvěrnosti. Díky flexibilnímu přizpůsobení různým prostředím vykazují humanoidní roboti obrovský aplikační potenciál v oblastech, jako je domácnost, služby a zdravotnictví.

 

Jako pokročilá inteligentní zařízení jsou humanoidní roboti považováni za symboly národní technologické síly. Jejich vývoj vyžaduje překonání technologických bariér napříč mnoha obory, včetně strojírenství, elektrotechniky, materiálové vědy, snímací technologie, řídicích systémů a umělé inteligence. Humanoidní roboti mohou díky vzhledovým vlastnostem podobným člověku, schopnostem bipedální chůze a vysoce koordinovaným technologiím řízení pohybu provádět fyzické úkoly a komunikovat s lidmi prostřednictvím jazyka nebo výrazů obličeje. Ve srovnání s tradičními roboty vykazují humanoidní roboti významné výhody v interakci člověk-stroj, přizpůsobení prostředí a všestrannosti úkolů.

 

 

1.2 Vývoj humanoidních robotů: Od konceptu k industrializaci

Koncept robotů existuje již více než století a výzkum humanoidních robotů začal v polovině-20 století, kdy prošel dlouhým vývojovým procesem od laboratorních prototypů až po raná stádia industrializace. Nejstarší použití termínu „robot" pochází ze hry českého spisovatele Karla Čapka RUR (Rossumovi univerzální roboti), tedy strojní otroci sloužící lidstvu. Masová výroba průmyslových robotů začala v 60. letech 20. století, kdy americká společnost Unimation uvedla na trh robotické rameno „UNIMATE", které otevřelo éru komerčních průmyslových robotů.

 

Výzkum a vývoj humanoidních robotů začal v Japonsku a postupně vstoupil do fází systematizace a vysoké dynamiky:

 

Early Exploration Stage (kolem 70. let 20. století): V roce 1973 profesor Ichiro Kato z Waseda University v Japonsku vyvinul prvního humanoidního robota na světě, WABOT-1, a jeho bipedální mechanismus chůze WL-5 položil základy humanoidu robotů.

 

Fáze technologické integrace (80. léta{1}}. léta): V roce 1986 Honda zahájila výzkum humanoidního robota ASIMO a v roce 2000 byl uveden na trh model ASIMO první generace, který znamenal vstup humanoidních robotů do vysoce integrované technologické fáze.

 

Dynamic Performance Breakthrough Stage (2000-2020): V roce 2016 společnost Boston Dynamics ze Spojených států uvedla na trh dvounohého robota Atlas, který díky své výkonné schopnosti vyvažování a překonávání překážek dosáhl nových výšin v dynamickém pohybu a provádění úkolů v nebezpečná prostředí.

 

Early Industrialization Stage (2020-současnost): V roce 2022 Tesla uvedla na trh prototyp humanoidního robota Optimus, který na Tesla AI Day předvádí vysoce integrovanou umělou inteligenci a technologii motorového pohonu. Verze Optimus z roku 2023 je schopna klasifikace objektů a přesného vyvažování, což signalizuje, že humanoidní roboti postupně směřují k praktickému použití.

 

1.3 Hluboká integrace humanoidních robotů a motorové technologie

Neustálý vývoj humanoidních robotů je neoddělitelný od podpory motorové technologie. Motory jakožto hlavní součást kloubových pohonů robotů určují nejen pohybový výkon robota, ale ovlivňují také jeho flexibilitu a životnost. Díky své vysoké přesnosti, nízké spotřebě energie a spolehlivosti se motorové pohony postupně staly nejběžněji používaným řešením napájení humanoidních robotů. Mezitím motory bez jádra s výhodami, jako je nízká hmotnost, vysoká účinnost a nízká setrvačnost, poskytují zásadní technologickou podporu pro rychlý vývoj humanoidních robotů.

 

V budoucnu, s dalšími průlomy v technologii, budou humanoidní roboti více využíváni v různých životních scénářích a vnesou novou vitalitu do globálního ekonomického a sociálního rozvoje. Díky tomu je motorový trh, zejména trh bezjádrových motorů, novým a vysoce očekávaným modrým oceánem.

 

1.4 Struktura humanoidního robota: Analýza klíčových komponent

Klíčovou strukturu humanoidních robotů lze rozdělit do tří hlavních modulů: akční členy, ovladače a senzory. Hlavní součásti, jako jsou motory, redukce a senzory, určují výkon robota. Níže je podrobná analýza těchto komponent:

 

1.4.1 Motor

Motor je jádrem provádění pohybu humanoidních robotů, včetně servomotorů, krokových motorů, momentových motorů a sférických motorů, mimo jiné. Mezi nimi jsou momentové motory považovány za ideální pro klouby humanoidních robotů s požadavky na nízkou rychlost a vysoký točivý moment díky jejich schopnosti poskytovat vysoký točivý moment při středních a nízkých rychlostech. Jejich výzkumná a produkční náročnost je však poměrně vysoká a vyžaduje průlom v technologických úzkých hrdlech.

 

1.4.2 Reduktor

Harmonické redukce jsou široce uznávány pro svou kompaktní strukturu, vysoký převodový poměr a vynikající přesnost, díky čemuž jsou běžnou volbou pro komponenty kloubů robotů. Jejich odolnost a životnost je však stále co zlepšovat.

 

1.4.3 Senzor

Senzory hrají v robotech klíčovou roli, zejména senzory točivého momentu, které jsou nezbytnou součástí konstrukce kloubů. Tyto snímače v kombinaci s motory a reduktory tvoří sestavu kloubu a poskytují přesné řízení pohybu a silovou zpětnou vazbu.

 

1.4.4 Způsob pohonu horní končetiny

Na horních končetinách se většinou používají kuličkové šrouby, které převádějí vratný pohyb kuliček na lineární pohyb šroubu. Ve srovnání s řemenovým nebo řetězovým pohonem mají kuličkové šrouby menší tření, nižší náklady na provoz a údržbu a vyšší přesnost.

 

1.4.5 Metoda pohonu dolní končetiny

Planetové válečkové šrouby, známé svou odolností vůči nárazům vnější síly a dlouhou životností, se staly hlavní volbou pro pohony dolních končetin, zvláště vhodné pro zvládnutí komplexních potřeb kontroly chůze.

 

1.4.6 Ruční kloub

Ruční klouby běžně používají motory bez jádra. Tyto motory mají jednoduchý design, jsou lehké a jsou ideálními hnacími komponenty pro pohyb prstů, což umožňuje jemnější ovládání.

 

Kromě toho výběr ložisek pro lineární a rotační klouby zahrnuje ložiska s kosoúhlým stykem, křížová válečková ložiska a kuličková ložiska s hlubokou drážkou. Tyto komponenty společně zajišťují lehkost, přesnost a spolehlivost robota.

 

 

Inteligentní výhody motorového pohonu

Ve srovnání s hydraulickými pohony vykazují motorové pohony zvláště vynikající inteligentní výkon při řízení pohybu. Například humanoidní robot Tesla využívá technologii servomotorů s vysokou hustotou točivého momentu a jeho inteligentní řízení pohybu daleko převyšuje tradiční hydraulické systémy. Tento design nejen umožňuje zpětnou vazbu o stavu pohybu v reálném čase, aby byla zajištěna přesnost řízení, ale také udržuje náklady na relativně nízké úrovni, takže je vhodný pro aplikace ve velkém měřítku.

 

Požadavky na výkon servomotorů

Servomotory jako jádro robotických pohonů musí splňovat následující požadavky na výkon:

• Rychlá odezva: Servomotory se musí rychle spouštět a zastavovat, aby se přizpůsobily vysoce dynamickému prostředí.
• Vysoký poměr startovacího momentu k setrvačnosti: Servomotory by měly poskytovat vysoký startovací moment při zachování nízké rotační setrvačnosti.
• Spojité řízení a lineární charakteristiky: Rychlost motoru se musí plynule přizpůsobovat změnám v řídicím signálu, aby bylo zajištěno přesné provedení.
• Kompaktní design: Servomotory by měly být malé a lehké, aby se vešly do kompaktního prostorového uspořádání robota.
• Odolnost a schopnost přetížení: Servomotory musí vydržet časté otáčení vpřed a vzad a operace zrychlení/zpomalení a po krátkou dobu nést několikanásobek jmenovitého zatížení.

Díky těmto vlastnostem jsou servomotory v oblasti robotiky nepostradatelné a pokládají základ pro vyšší inteligenci a stabilitu robotů.

 

Pokračovat ve čtení: Srdce robotického pohybu – rozhodující role motorů v přesnosti – 2. část