Крошечные моторы, которые дают гуманоидным роботам возможность ходить, доставать и балансировать
Создание робота, который движется как человек, означает решение сложнейшей головоломки: десятки суставов, ограниченное пространство и ни грамма лишнего веса. Вот как новое поколение компактных приводов меняет эту задачу.
Ключевые моменты
- Гуманоидным роботам нужны десятки независимо управляемых суставов, каждый из которых приводится в движение компонентом, называемым приводом, для получения движений, похожих на человеческие.
- Традиционные конструкции суставов используют четыре отдельные части: двигатель, редуктор, энкодер (датчик, отслеживающий положение) и плату управления, что увеличивает вес и сложность проводки.
- Интегрированные приводы объединяют все четыре части в один модуль, сокращая время сборки и снижая общий вес робота.
- CubeMars, производитель компонентов для робототехники, выпустил AK45-10 — привод диаметром 53 мм и весом около 260 г, который может развивать крутящий момент до 7 Нм (ньютон-метры, единица измерения вращающейся силы).
- Технология компактных приводов применяется не только в гуманоидных роботах, но и в роботизированных манипуляторах, четырёхногих роботах и носимых экзоскелетах.
Представьте, что вы стоите на одной ноге. Ваши бедро, колено и лодыжка постоянно делают крошечные корректировки каждую долю секунды без вашего сознательного участия. Теперь представьте, что вы создаёте машину, которая делает то же самое, с моторами, датчиками и платами управления, втиснутыми внутрь человекоподобного корпуса.
В этом и заключается главная задача гуманоидной робототехники, и это намного сложнее, чем кажется.
Почему моторы так важны?
Каждый сустав гуманоидного робота нуждается в приводе — устройстве, которое преобразует электрическую энергию в физическое движение. Если неправильно выбрать привод, весь робот пострадает: он будет расходовать энергию впустую, двигаться неловко или просто упадёт.
Долгие годы инженеры соединяли вместе четыре отдельные части для каждого сустава: двигатель, редуктор (который жертвует скоростью ради крутящего момента — силы, которая фактически движет конечность), энкодер (небольшой датчик, который точно показывает систему управления направление сустава) и плату драйвера (электронику, которая интерпретирует команды и регулирует питание). Четыре компонента на каждый сустав, умноженные на десятки суставов, — это много проводки, веса и деталей, которые могут сломаться.
Что действительно решает интегрированный привод?
Он упаковывает все четыре части в один герметичный модуль. Меньше, легче и быстрее установить.
CubeMars, компания, которая производит устройства управления движением для разработчиков робототехники, подробно описала свой привод AK45-10 в отчёте, который выходил в The Robot Report. Модуль имеет диаметр 53 мм, примерно как ширина мяча для гольфа, и весит примерно 260 г, примерно как стандартная банка супа. Внутри находятся бесщёточный двигатель, планетарный редуктор 10:1 (где 10 оборотов двигателя дают один оборот в суставе, жертвуя скоростью ради силы), энкодер и электроника управления. Пиковый крутящий момент составляет 7 Нм.
Это может показаться скромным, но для суставов рук, таких как локти и запястья, где точность и скорость важнее чистой силы, это практичный вариант.
| Характеристика | Параметр AK45-10 |
|---|---|
| Диаметр | 53 мм |
| Вес | ~260 г |
| Пиковый крутящий момент | 7 Нм |
| Передаточное число | 10:1 планетарный |
| Режимы управления | Сервопривод и управление позицией/скоростью/крутящим моментом в стиле MIT |
Суставы бедра и колена испытывают более тяжелые нагрузки, но одна и та же философия интегрированного проектирования применяется по всему роботу: меньше внешних деталей означает более чистую механическую схему и более согласованное поведение от сустава к суставу.
Кто на самом деле использует эту технологию?
Гуманоидные роботы — главная область применения, но компактные приводы появляются везде, где машине нужно точно двигаться в ограниченном пространстве. Подумайте о лёгких роботизированных манипуляторах в исследовательских лабораториях, четырёхногих роботах, пересекающих неровную местность, и экзоскелетах (носимых каркасах, которые помогают людям с ограниченной подвижностью). Все они имеют одни и те же требования: компактность, точность и надёжность.
Для инженеров на ранних этапах проектирования выбор правильного привода с самого начала влияет на всё остальное: от продолжительности работы батареи до того, насколько плавно робот может реагировать на неожиданный толчок.
Цель в конечном итоге — создать машину, которая движется настолько хорошо, что вы перестаёте думать о моторах.
Частые вопросы
Что такое крутящий момент и почему он важен для роботов?
Крутящий момент — это вращающая сила, которую производит двигатель, измеряется в ньютон-метрах. Больший крутящий момент означает, что сустав может сильнее толкать или удерживать больший вес, что важно для суставов бедра и колена, которые несут полный вес корпуса робота.
Действительно ли более лёгкий робот работает лучше?
Как правило, да. Более лёгкий робот использует меньше энергии для движения, оказывает меньше нагрузки на свои конструктивные части и может быстрее реагировать на изменения равновесия. Компромисс в том, что снижение веса без потери выходного крутящего момента требует тщательного проектирования компонентов.
Эти приводы только для профессиональных робототехнических лабораторий?
Не исключительно. Компактные интегрированные приводы становятся всё более доступны для университетских исследовательских групп, небольших робототехнических стартапов и хорошо финансируемых любителей, всем, кто собирает динамичного робота и пытается сохранить управляемость сложности.
