Последние достижения в области гуманоидной робототехники не являются результатом одного технологического скачка, а скорее слияния более доступного и передового оборудования и программного обеспечения. Разработка систем искусственного интеллекта, систем управления движением и корпусов роботов играет важную роль в общем прогрессе гуманоидных роботов. Основные игроки вкладывают значительные средства, а страны и отрасли оказывают различную степень поддержки для содействия масштабному развертыванию. Компоненты роботов, такие как редукторы гармонических приводов, также постоянно развиваются и достигают технологических прорывов.

Тенденции рынка человекоподобных роботов

По данным Bank of America Global Research (B of A Global Research), поставки человекоподобных роботов будут сильно расти в течение следующего десятилетия. Этот рост будет обусловлен ростом конечного спроса из-за старения населения и нехватки рабочей силы, улучшениями в технологиях (особенно в области искусственного интеллекта и управления движением) и дизайне продукции, снижением стоимости спецификации материалов (BOM) и расширением конечных приложений. BofA Global Research с оптимизмом смотрит на долгосрочный спрос на человекоподобных роботов, поскольку они начинают широко использоваться в домах и сфере услуг.

B of A Global Research прогнозирует, что к 2025 году мировые поставки гуманоидных роботов достигнут 18 000 единиц. К 2030-35 годам они ожидают, что ежегодные поставки достигнут 1 миллиона единиц (что на 400 000 единиц больше, чем в 2025 году, а совокупные мировые продажи достигнут 10 миллионов единиц). Это соответствует совокупному годовому темпу роста (CAGR) в 88% с 2025 по 2035E.

Разница между гуманоидными роботами и промышленными роботами

Промышленные роботы обычно выполняют предварительно запрограммированные процессы и задачи на основе модульных алгоритмов, добиваясь статической точности в определенных стандартизированных сценариях. Гуманоидные роботы, наоборот, должны адаптироваться к крайне неопределенным и открытым средам, интегрируя мультимодальную информацию от слуховых и визуальных датчиков для автономного планирования и выполнения действий. Это представляет собой комбинацию производственных и ИИ-технологий.

Базовая структура гуманоидного робота

Типичную структуру гуманоидного робота можно разделить на три уровня: система искусственного интеллекта, система управления движением и корпус робота:

Система искусственного интеллекта (ИИ) : «мозг» гуманоидного робота, в основном состоящий из чипов и алгоритмов ИИ. Отвечает за обработку информации высокого уровня и принятие решений (декомпозицию задач, понимание окружающей среды, модельное обоснование и т. д.) и взаимодействие с человеком.

Система управления движением : «мозжечок» гуманоидного робота, состоящий в основном из контроллеров и агоритмов управления движением. В первую очередь отвечает за координацию движений, равновесие тела и навигацию по траектории.

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

Система управления гуманоидного робота состоит из двух уровней :

Система искусственного интеллекта осуществляет высокоуровневое управление (обработку информации, принятие решений) с помощью микросхем и алгоритмов искусственного интеллекта.

Система управления движением осуществляет низкоуровневое управление (координацию движений, баланс тела) при поддержке контроллеров и алгоритмов управления движением.

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

Алгоритм управления и встроенный ИИ : Алгоритм управления является ядром системы управления гуманоидного робота, позволяя роботу воспринимать окружающую среду, обрабатывать огромные объемы сенсорных данных, принимать решения в реальном времени и выполнять действия. Традиционные алгоритмы управления используют иерархическую конструкцию между системой ИИ («мозг») и системой управления движением («мозжечок»).

Напротив, некоторые ведущие компании по производству гуманоидных роботов внедряют 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 предлагают более сильные возможности обобщения, более высокую эффективность и более низкие требования к проектированию признаков. Однако они обычно требуют больших объемов обучающих данных, что может стать краткосрочным узким местом.

Модуль привода робота

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

Электрические приводы включают в себя

Сервопривод

Серводвигатель: Обычно это бескорпусный моментный двигатель для создания крутящего момента.

Система трансмиссии: волновые/планетарные редукторы (для поворотных приводов) преобразуют крутящий момент; планетарные роликовые винты (для линейных приводов) преобразуют вращательное движение в линейное движение.

Система датчиков: энкодеры и датчики крутящего момента/силы для сбора системных данных.

В зависимости от функции электроприводы подразделяются на вращательные (для вращательных суставов, таких как шея, плечо, запястье, локоть) и линейные (для суставов, требующих линейного движения, таких как руки, лодыжки, колени).

Ловкие руки

Ловкие руки являются ключевыми конечными исполнительными органами для гуманоидных роботов, выполняющих сложные и деликатные задачи, такие как сбор мелких предметов и обращение с хрупкими предметами. Текущие конструкции от разных производителей имеют 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 гуманоидных роботах, промышленных роботах и станках для снижения скорости двигателя/двигателя и увеличения выходного крутящего момента. Три основных типа: планетарные редукторы, редукторы с гармоническим приводом и редукторы RV (вращающийся вектор). В настоящее время в основных конструкциях гуманоидных роботов для вращательных приводов обычно используются редукторы с гармоническим приводом 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 тяжелое станкостроение.

Бескаркасный моментный двигатель
Бескорпусной 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 устраняет необходимость в механических передающих частях, таких как шестерни или валы, перемещая нагрузку напрямую через магнитную силу. Такая конструкция обеспечивает высокую плотность крутящего момента и производительность в компактной конструкции и обычно используется в приложениях, требующих высокого крутящего момента и производительности на низкой скорости, таких как роботизированные соединения, медицинское оборудование и аэрокосмические системы.

Сенсорная система
Сенсорная система гуманоидного робота собирает данные об окружающей среде, отправляемые в модуль управления движением для корректировки движений робота. Она включает в себя камеры, LiDAR (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 с измерением времени пролета (ToF), камеры структурированного света) и лидар для сбора визуальной информации об окружающей среде, что улучшает возможности восприятия, навигации и управления движением робота.

Датчики силы и крутящего момента

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

Инерциальный измерительный блок (ИИБ)

Измеряет ускорение робота, угловую скорость и другие параметры движения, помогая роботу определять собственную позу, состояние движения и сохранять равновесие. Также используется в бытовой электронике, автомобилестроении и аэрокосмической промышленности.

Тактильные датчики

Обычно используются в ловких руках гуманоидных роботов (обычно 10 датчиков на робота, по одному на палец) для измерения силы и давления между датчиком и объектом. Они имитируют рецепторы в человеческих пальцах, важнейшей части человеческой кожи.

Редуктор гармонического привода играет здесь ключевую роль

Среди взрывного спроса на гуманоидных роботов редукторы с волновым приводом доминируют благодаря своим преимуществам легкой конструкции и высокой плотности крутящего момента, в то время как планетарные редукторы дополняют их в сценариях с тяжелыми условиями эксплуатации. В настоящее время два основных технических пути — гибкие процессы точной вырубки колес и замена жесткого материала колес — стимулируют итеративные обновления в технологии материалов редукторов. Долгосрочное массовое производство 10 миллионов гуманоидных роботов, как оценивается, приведет к рынку стали для редукторов с волновым приводом стоимостью 19,15 млрд йен, с потенциальным рынком в 3,83 млрд йен для замены технологии точной вырубки стали/ковкого чугуна. Прецизионные редукторы являются основными компонентами роботов.

Редукторы гармонического привода обладают значительными преимуществами: небольшой размер, малый вес, большое передаточное отношение и высокая плотность крутящего момента, что позволяет эффективно работать в ограниченном пространстве. Они также сохраняют хорошую производительность в определенных условиях, таких как ограниченное пространство и среда со средней радиацией. Эти характеристики привели к их широкому использованию в мобильной робототехнике. Напротив, 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 гуманоидных роботах сочетание редукторов гармонического привода и прецизионных планетарных редукторов эффективно удовлетворяет потребности в передаче мощности различных сочленений.

Будущее гуманоидных роботов

Возросший спрос на кастомизацию

По мере расширения областей применения в различных секторах появляются новые требования. Растут требования к кастомизации. Промышленные логистические роботы, сервисные роботы, роботы для медицинской реабилитации, образовательные/исследовательские роботы, развлекательные IP-роботы и роботы специального назначения — все они имеют различные требования к конструкции. Например, специализированные роботы должны работать в суровых условиях, образовательные роботы требуют высокой экономической эффективности, сервисные роботы сосредоточены на модернизации возможностей взаимодействия, а логистические роботы требуют высокой гибкости действий. HONPINE стремится предоставлять решения для различных производителей и разработчиков роботов.

Более строгий контроль затрат

Разработка гуманоидных роботов по сути является соревнованием капитала, которое в конечном итоге стремится к возврату крупных инвестиций. Автопроизводители, компании мобильных устройств, компании-разработчики программного обеспечения и другие присоединились к отрасли. Конкуренция среди поставщиков гуманоидных роботов станет нормой.

Модульность и быстрая установка

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

Как выбрать поставщика деталей для роботов

Выбор поставщика с сильными возможностями НИОКР имеет решающее значение для эффективного индивидуального технического сотрудничества. HONPINE назначает специальную техническую поддержку каждому клиенту, предоставляя индивидуальное обслуживание от выбора модели и руководства по послепродажной установке до таких деталей, как руководство по герметизации смазки редуктора гармонического привода. Многие клиенты говорят, что HONPINE — это их надежный партнер. В ходе разработки гуманоидного робота, 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 прецизионном трансмиссионном оборудовании, включая редукторы гармонических передач, планетарные редукторы, модули роботизированных соединений, приводы вращения роботов и редукторы RV. Как интегрированная компания, занимающаяся продажами, производством и НИОКР, мы предоставили прецизионные трансмиссионные решения более чем 200 000 компаний с 2018 года. Мы предлагаем индивидуальное руководство и создаем специальные технические коммуникационные группы для каждого проекта. Эффективное обслуживание и экономически выгодные продукты — вот причины, по которым многие клиенты выбирают нас и поддерживают долгосрочные партнерские отношения.