I Minuscoli Motori che Permettono ai Robot Umanoidi di Camminare, Afferrare e Mantenersi in Equilibrio

Punti chiave

• I robot umanoidi necessitano di decine di articolazioni controllate individualmente, ciascuna azionata da un componente chiamato attuatore, per produrre movimenti simili a quelli umani.
• I progetti tradizionali di articolazioni utilizzano quattro parti separate: un motore, un riduttore, un encoder (il sensore che traccia la posizione) e una scheda di controllo, aggiungendo complessità di peso e cablaggio.
• Gli attuatori integrati combinano tutti e quattro i componenti in un unico modulo, riducendo i tempi di assemblaggio e il peso complessivo del robot.
• CubeMars, un'azienda produttrice di componenti robotici, ha rilasciato l'AK45-10, un attuatore largo 53 mm e pesante circa 260 g che può erogare fino a 7 Nm (newton-metri, una misura della forza rotazionale) di coppia di picco.
• La tecnologia degli attuatori compatti si applica anche oltre i robot umanoidi, inclusi bracci robotici, robot a quattro zampe e esoscheletri indossabili.

Immaginate di stare in piedi su una gamba. Il vostro fianco e il vostro ginocchio stanno facendo piccoli aggiustamenti ogni frazione di secondo senza che voi lo pensiate consapevolmente. Ora immaginate di costruire una macchina che faccia lo stesso, con schede elettroniche e motori stipati all'interno di un corpo a forma umana. Questo è il problema centrale della robotica umanoide, ed è molto più difficile di quanto sembri.

Perché i motori sono così importanti?

Ogni articolazione in un robot umanoide ha bisogno di un attuatore, il dispositivo che trasforma l'energia elettrica in movimento fisico. Se lo sbagliate, l'intero robot ne soffre: spreca energia o si muove in modo goffo.

Per anni, gli ingegneri hanno assemblato quattro parti separate per ogni articolazione: un motore, un riduttore (che scambia la velocità per la coppia, la forza di torsione che effettivamente muove l'arto), un encoder (un piccolo sensore che comunica al sistema di controllo esattamente dove punta l'articolazione) e una scheda driver (l'elettronica che interpreta i comandi e regola l'alimentazione). Quattro componenti per articolazione, moltiplicati per decine di articolazioni, si traducono in molti cavi e molte cose che possono andare male.

Che cosa risolve effettivamente un attuatore integrato?

Racchiude tutti e quattro i componenti in un unico modulo sigillato: più piccolo, più leggero, più veloce da installare.

CubeMars, un'azienda che produce hardware di controllo del movimento per sviluppatori di robotica, ha descritto il suo attuatore AK45-10 in un rapporto trattato da The Robot Report. Il modulo ha un diametro di 53 mm, circa la larghezza di una pallina da golf, e pesa circa 260 g. All'interno si trova un motore brushless, un riduttore planetario 10:1 (dove 10 rotazioni del motore producono una rotazione all'articolazione, scambiando la velocità per la forza), un encoder e l'elettronica del driver. L'output di coppia di picco è di 7 Nm.

Per articolazioni del braccio come i gomiti e i polsi, dove la precisione e la velocità contano più della forza bruta, è un adattamento pratico. Non solleverà il peso corporeo completo del robot da terra, ma non ha bisogno di farlo.

Spec	Dato AK45-10
Diametro	53 mm
Peso	~260 g
Coppia di picco	7 Nm
Rapporto di riduzione	Planetario 10:1
Modalità di controllo	Servo e posizione/velocità/coppia nello stile MIT

Le articolazioni dell'anca e del ginocchio portano carichi più pesanti, ma la stessa filosofia di progettazione integrata si applica su tutto il robot: meno parti esterne significa una configurazione meccanica più pulita e un comportamento più coerente da articolazione a articolazione.

Chi effettivamente utilizza questa tecnologia?

I robot umanoidi sono l'applicazione principale, ma gli attuatori compatti si trovano ovunque una macchina debba muoversi con precisione all'interno di uno spazio ristretto. Bracci robotici leggeri nei laboratori di ricerca, robot a quattro zampe che attraversano terreni accidentati e esoscheletri (telai indossabili che assistono le persone con mobilità limitata) condividono tutti le stesse esigenze: piccoli, accurati e affidabili.

Stiamo tracciando la corsa dell'hardware dietro il movimento umanoide da luglio. Il nostro rapporto del 17 luglio su Agility Robotics ha mostrato un'azienda che guadagna già denaro dai robot che camminano; la storia dell'attuatore riguarda i componenti che rendono ciò commercialmente fattibile.

Per gli ingegneri all'inizio di un progetto di progettazione, la scelta dell'attuatore giusto modella tutto ciò che viene dopo, dalla durata della batteria a quanto dolcemente il robot si recupera da una spinta inaspettata.

L'obiettivo è una macchina che si muova abbastanza bene da farvi smettere di notare i motori del tutto.

Domande comuni

Che cos'è la coppia e perché è importante per i robot?

La coppia è la forza rotazionale che un motore produce, misurata in newton-metri. Una coppia più elevata significa che un'articolazione può spingere più forte o sostenere più peso, il che è più importante per le articolazioni dell'anca e del ginocchio che portano il carico corporeo completo del robot.

Un robot più leggero funziona davvero meglio?

In generale, sì. Un robot più leggero utilizza meno energia, esercita meno stress sulle parti strutturali e può reagire più velocemente ai cambiamenti di equilibrio. Ridurre il peso senza perdere l'output di coppia è la parte difficile, ed è ciò che la progettazione integrata dell'attuatore sta cercando di risolvere.

Questi attuatori sono solo per laboratori di robotica professionali?

Non esclusivamente. Gli attuatori integrati compatti sono sempre più disponibili per i team di ricerca universitari, le piccole startup di robotica e i costruttori hobbisti ben finanziati: chiunque stia assemblando un robot dinamico e cercando di mantenere la complessità gestibile.