Последние достижения в области человекоподобной робототехники являются результатом не единичного технологического скачка, а скорее слияния более доступного и продвинутого аппаратного и программного обеспечения. Развитие систем искусственного интеллекта, систем управления движением и корпусов роботов играет ключевую роль в общем прогрессе человекоподобных роботов. Крупные игроки активно инвестируют, а страны и отрасли оказывают различную поддержку для масштабного внедрения. Компоненты роботов, такие как гармонические редукторы, также постоянно совершенствуются и достигают технологических прорывов.

Тенденции рынка человекоподобных роботов

Согласно исследованию Bank of America Global Research (B of A Global Research), поставки человекоподобных роботов будут демонстрировать сильный рост в течение следующего десятилетия. Этот рост будет обусловлен увеличением конечного спроса из-за старения населения и нехватки рабочей силы, улучшением технологий (особенно ИИ и управления движением) и дизайна продуктов, снижением стоимости материалов (BOM) и расширением областей применения. BofA Global Research оптимистично оценивает долгосрочный спрос на человекоподобных роботов, поскольку они начинают использоваться в больших масштабах в домашних хозяйствах и сфере услуг.

B of A Global Research прогнозирует, что глобальные поставки человекоподобных роботов достигнут 18 000 единиц к 2025 году. К 2030–35 годам ожидается, что ежегодные поставки составят 1 миллион единиц (что означает увеличение на 400 000 единиц по сравнению с уровнем 2025 года, а совокупные мировые продажи достигнут 10 миллионов единиц). Это соответствует совокупному годовому темпу роста (CAGR) в 88% с 2025 по 2035 год.

Разница между человекоподобными и промышленными роботами

Промышленные роботы обычно выполняют заранее запрограммированные процессы и задачи на основе модульных алгоритмов, стремясь к статической точности в конкретных стандартизированных сценариях. Человекоподобные роботы, напротив, должны адаптироваться к высоко неопределенным и открытым средам, интегрируя мультимодальную информацию от слуховых и визуальных датчиков для автономного планирования и выполнения действий. Это представляет собой сочетание производственных технологий и технологий ИИ.

Базовая структура человекоподобного робота

Типичная структура человекоподобного робота может быть разделена на три уровня: система ИИ, система управления движением и корпус робота:

Система искусственного интеллекта (ИИ): «Мозг» человекоподобного робота, состоящий в основном из чипов ИИ и алгоритмов. Отвечает за обработку информации высокого уровня и принятие решений (разложение задач, понимание окружающей среды, моделирование рассуждений и т. д.), а также за взаимодействие с человеком.

Система управления движением: «Мозжечок» человекоподобного робота, состоящий в основном из контроллеров и алгоритмов управления движением. В основном отвечает за координацию движений, баланс тела и навигацию по маршруту.

Корпус робота: Содержит основное оборудование для сбора данных об окружающей среде и выполнения движений, включая систему зрения, сенсорную систему, приводы, ловкие руки, энергетическую систему и конструкционные материалы.

Система управления человекоподобного робота имеет два уровня:

Система искусственного интеллекта обрабатывает управление высокого уровня (обработка информации, принятие решений), поддерживаемое чипами ИИ и алгоритмами.

Система управления движением обрабатывает управление низкого уровня (координация движений, баланс тела), поддерживаемое контроллерами и алгоритмами управления движением.

Чип: Чипы, используемые в человекоподобных роботах, включают в основном процессорные чипы, управляющие чипы и чипы управления шиной. Процессорные чипы образуют ядро «мозга» робота, в основном используемого для моделирования рассуждений и вычислений. В настоящее время доминирующей технологией является архитектура CPU (центральный процессор) плюс GPU (графический процессор), которая также является наиболее зрелой.

Алгоритм управления и воплощенный ИИ: Алгоритм управления является ядром системы управления человекоподобного робота, позволяя роботу воспринимать окружающую среду, обрабатывать большие объемы сенсорных данных, принимать решения в реальном времени и выполнять действия. Традиционные алгоритмы управления используют иерархический дизайн между системой ИИ («мозг») и системой управления движением («мозжечок»).

Напротив, некоторые ведущие компании по производству человекоподобных роботов используют сквозные модели. Эти модели могут генерировать команды действий непосредственно из входных сенсорных данных (зрение, язык, сила и т. д.), минуя сложные промежуточные этапы обработки, и выполняются одной нейронной сетью. По сравнению с иерархическими методами сквозные модели обладают более сильными возможностями обобщения, более высокой эффективностью и более низкими требованиями к разработке функций. Однако они обычно требуют больших объемов обучающих данных, что может быть краткосрочным ограничением.

Модуль привода робота

Система привода является ядром управления движением человекоподобного робота. Она включает электрические, электрогидравлические и пневматические приводы, которые приводят в движение или управляют компонентами системы, преобразуя энергию в физическое движение. Хотя электрогидравлические приводы обеспечивают наибольший выходной крутящий момент, они более дорогие и несут риск утечки масла. Пневматические приводы дешевле, но имеют более низкую точность и выходную силу. Благодаря высокой точности, быстрому отклику и разумной стоимости электрические приводы стали основным выбором для человекоподобных роботов.

Электрические приводы состоят из

Сервопривод

Серводвигатель: Обычно бескорпусный моментный двигатель для вывода крутящего момента.

Система передачи: Гармонические/планетарные редукторы (для вращательных приводов) преобразуют крутящий момент; планетарные роликовые винты (для линейных приводов) преобразуют вращательное движение в линейное.

Сенсорная система: Энкодеры и датчики крутящего момента/силы для сбора данных системы.

В зависимости от функции электрические приводы классифицируются как вращательные приводы (для вращательных сочленений, таких как шея, плечо, запястье, локоть) или линейные приводы (для сочленений, требующих линейного движения, таких как руки, лодыжки, колени).

Ловкие руки

Ловкие руки являются ключевыми конечными эффекторами для человекоподобных роботов, позволяющими выполнять сложные и тонкие задачи, такие как подъем мелких предметов и обращение с хрупкими предметами. Текущие конструкции различных производителей варьируются от 6 до 42 степеней свободы (DoF), по сравнению с 27 степенями свободы человеческой руки. Как правило, конструкция ловкой руки с 6 степенями свободы может достигать 60–70% функциональности человеческой руки.

Редуктор
Редуктор — это механическое устройство, используемое в человекоподобных роботах, промышленных роботах и станках для снижения скорости двигателя/двигателя и увеличения выходного крутящего момента. Три основных типа: планетарные редукторы, гармонические редукторы и RV (роторно-векторные) редукторы. В настоящее время в основных конструкциях человекоподобных роботов для вращательных приводов обычно используются гармонические редукторы или планетарные редукторы.

Планетарные роликовые винты
Планетарные роликовые винты — это высокопроизводительные механические компоненты, используемые в линейных приводах для преобразования вращательного крутящего момента серводвигателя в линейное движение. По сравнению с шариковыми винтами они обладают такими преимуществами, как более длительный срок службы, более высокая грузоподъемность, более высокая эффективность передачи и лучшая жесткость. Поэтому они широко используются в таких отраслях, как человекоподобная робототехника, аэрокосмическая промышленность и тяжелые станки.

Бескорпусный моментный двигатель
Бескорпусный моментный двигатель — это тип двигателя с постоянными магнитами. В отличие от традиционных двигателей, он состоит только из ротора и статора, без корпуса, вала, подшипников или системы обратной связи. Это исключает необходимость в механических передаточных частях, таких как шестерни или валы, приводя нагрузку непосредственно с помощью магнитной силы. Эта конструкция обеспечивает высокую плотность крутящего момента и производительность в компактной структуре и обычно используется в приложениях, требующих высокого крутящего момента и низкоскоростных характеристик, таких как сочленения роботов, медицинское оборудование и аэрокосмические системы.

Сенсорная система
Сенсорная система человекоподобного робота собирает данные об окружающей среде, отправляемые в модуль управления движением для корректировки движений робота. Она включает камеры, лидары (Light Detection and Ranging) и различные типы датчиков. Количество датчиков может варьироваться от 30 до более 200, в зависимости от функций робота.

Система зрения

Сложная интеллектуальная система, использующая несколько типов камер (стереокамеры, камеры времени пролета (ToF), камеры структурированного света) и лидары для захвата визуальной информации об окружающей среде, улучшая восприятие, навигацию и возможности управления движением робота.

Датчики силы и крутящего момента

Датчики силы измеряют приложенную силу или давление (в основном для линейных приводов), преобразуя их в электрический сигнал для измерения, контроля и мониторинга. Датчики крутящего момента измеряют приложенный крутящий момент или вращательную силу.

Инерциальный измерительный блок (IMU)

Измеряет ускорение, угловую скорость и другие параметры движения робота, помогая роботу ощущать свою позу, состояние движения и поддерживать баланс. Также используется в потребительской электронике, автомобилях и аэрокосмической промышленности.

Тактильные датчики

Обычно используются в ловких руках человекоподобных роботов (обычно 10 датчиков на робота, по одному на палец) для измерения силы и давления между датчиком и объектом. Они имитируют рецепторы в пальцах человека, являясь важной частью человеческой кожи.

Гармонический редуктор играет здесь ключевую роль

На фоне взрывного спроса на человекоподобных роботов гармонические редукторы доминируют благодаря своим преимуществам легкого веса и высокой плотности крутящего момента, в то время как планетарные редукторы дополняют их в тяжелых условиях. В настоящее время два основных технических направления — процессы тонкой штамповки гибкого колеса и замена материала жесткого колеса — способствуют итеративным улучшениям в технологии материалов редукторов. Долгосрочное массовое производство 10 миллионов человекоподобных роботов, по оценкам, создаст рынок стали для гармонических редукторов в размере 19,15 миллиарда фунтов, с потенциальным рынком замены технологии тонкой штамповки/ковкого чугуна в размере 3,83 миллиарда фунтов. Прецизионные редукторы являются ключевыми компонентами роботов.

Гармонические редукторы обладают значительными преимуществами: малый размер, легкий вес, большое передаточное отношение и высокая плотность крутящего момента, что позволяет эффективно работать в ограниченном пространстве. Они также сохраняют хорошие характеристики в определенных условиях, таких как ограниченное пространство и среда со средним уровнем радиации. Эти характеристики привели к их широкому использованию в мобильной робототехнике. В отличие от них, прецизионные планетарные редукторы в основном используются в компонентах с более низкими требованиями к точности, предлагая более высокую жесткость, более длительный срок службы и относительно более низкую стоимость. Поэтому в человекоподобных роботах сочетание гармонических редукторов и прецизионных планетарных редукторов эффективно удовлетворяет потребности в передаче мощности для различных сочленений.

Будущее человекоподобных роботов

Увеличение спроса на кастомизацию

По мере расширения областей применения возникают новые требования в различных секторах. Спрос на кастомизацию растет. Промышленные логистические роботы, сервисные роботы, медицинские реабилитационные роботы, образовательные/исследовательские роботы, развлекательные IP-роботы и роботы специального назначения имеют различные требования к дизайну. Например, роботы специального назначения должны работать в суровых условиях, образовательные роботы требуют высокой экономической эффективности, сервисные роботы ориентированы на улучшение возможностей взаимодействия, а логистические роботы требуют высокой гибкости действий. HONPINE стремится предоставлять решения для различных производителей и разработчиков роботов.

Более строгий контроль затрат

Разработка человекоподобных роботов — это, по сути, соревнование капитала, который в конечном итоге стремится к возврату на крупные инвестиции. Автопроизводители, компании по производству мобильных устройств, программного обеспечения и другие присоединились к отрасли. Конкуренция между поставщиками человекоподобных роботов станет нормой.

Модульность и быстрая установка

Поскольку функции роботов постоянно совершенствуются, возможность быстрой сборки роботов для быстрого вывода новых функций на рынок является ключевым конкурентным фактором. Многие клиенты напрямую покупают предварительно интегрированные модули сочленений роботов. Типичный модуль сочленения состоит из редуктора (обычно прецизионного гармонического редуктора), привода, абсолютного энкодера, тормоза, бескорпусного моментного двигателя, инкрементального энкодера и сборки интегрированного сочленения. Покупка модулей вместо отдельных компонентов снижает затраты на закупку, сокращает время установки и ускоряет НИОКР.

Как выбрать поставщика компонентов для роботов

Выбор поставщика с сильными возможностями НИОКР имеет решающее значение для эффективного технического сотрудничества один на один. HONPINE назначает каждому клиенту выделенную техническую поддержку, предоставляя индивидуальное обслуживание от выбора модели и руководства по послепродажной установке до деталей, таких как инструкции по герметизации смазки гармонического редуктора. Многие клиенты говорят, что HONPINE — это их надежный партнер. На протяжении всего процесса разработки человекоподобных роботов, когда возникают проблемы, связанные с точной передачей, мы всегда готовы помочь их решить. Это играет ключевую роль в ускорении сроков разработки и снижении затрат на НИОКР.

HONPINE специализируется на точном передаточном оборудовании, включая гармонические редукторы, планетарные редукторы, модули сочленений роботов, вращательные приводы роботов и RV-редукторы. Будучи интегрированной компанией, занимающейся продажами, производством и НИОКР, мы предоставили решения для точной передачи более чем 200 000 компаний с 2018 года. Мы предлагаем индивидуальное руководство и создаем выделенные группы технического общения для каждого проекта. Эффективное обслуживание и экономически выгодные продукты — это причины, по которым многие клиенты выбирают нас и поддерживают долгосрочное партнерство.