Крошечные моторы, приводящие в движение гуманоидных роботов: ходьба, захват и балансировка
Создание робота, который движется как человек, означает решение сложной головоломки: десятки суставов, ограниченное пространство и не один лишний грамм. Вот как новое поколение компактных исполнительных механизмов меняет эти расчёты.
Ключевые моменты
- Гуманоидным роботам требуются десятки независимо управляемых суставов, каждый из которых приводится в движение компонентом, называемым исполнительным механизмом, для создания движений, подобных человеческим.
- Традиционные конструкции суставов используют четыре отдельные части: мотор, редуктор, энкодер (датчик, отслеживающий положение) и плату управления, что добавляет массу и усложняет проводку.
- Интегрированные исполнительные механизмы объединяют все четыре части в один модуль, сокращая время сборки и общий вес робота.
- CubeMars, производитель компонентов для робототехники, представил AK45-10 — исполнительный механизм диаметром 53 мм и весом около 260 г, способный развивать пиковый крутящий момент до 7 Нм (ньютон-метры, мера вращающей силы).
- Технология компактных исполнительных механизмов применяется не только для гуманоидных роботов, включая робо-манипуляторы, четырёхногих роботов и носимые экзоскелеты.
Представьте, что вы стоите на одной ноге. Ваши бедро и колено совершают крошечные корректировки каждую долю секунды, без вашего участия. Теперь представьте, что вы создаёте машину, которая делает то же самое, с печатными платами и моторами, запихнутыми внутрь тела в форме человека. Это основная задача гуманоидной робототехники, и она намного сложнее, чем кажется.
Почему моторы так важны?
Каждый сустав гуманоидного робота требует исполнительного механизма — устройства, которое преобразует электрическую энергию в физическое движение. Ошибка — и весь робот пострадает: он потратит энергию впустую или будет двигаться неуклюже.
Долгие годы инженеры собирали для каждого сустава четыре отдельные части: мотор, редуктор (который преобразует скорость в крутящий момент — вращающую силу, которая фактически движет конечностью), энкодер (небольшой датчик, который сообщает системе управления точное положение сустава) и плату драйвера (электронику, которая интерпретирует команды и регулирует энергию). Четыре компонента на каждый сустав, умноженные на десятки суставов, — это множество проводки и множество вещей, которые могут пойти не так.
Что именно исправляет интегрированный исполнительный механизм?
Он упаковывает все четыре части в один герметичный модуль: меньше, легче, быстрее устанавливается.
CubeMars, компания, которая производит оборудование для управления движением для разработчиков робототехники, подробно описала свой исполнительный механизм AK45-10 в отчёте, освещённом The Robot Report. Модуль имеет диаметр 53 мм, примерно ширину мяча для гольфа, и весит около 260 г. Внутри находится бесщёточный мотор, планетарный редуктор 10:1 (где 10 оборотов мотора производят один оборот на суставе, преобразуя скорость в силу), энкодер и электроника драйвера. Пиковый выходной крутящий момент составляет 7 Нм.
Для суставов рук, таких как локти и запястья, где точность и скорость важнее, чем грубая сила, это практичный вариант. Он не сможет поднять полный вес тела робота с пола, но ему это и не нужно.
| Параметр | Значение AK45-10 |
|---|---|
| Диаметр | 53 мм |
| Вес | ~260 г |
| Пиковый крутящий момент | 7 Нм |
| Передаточное число | 10:1 планетарный |
| Режимы управления | Servo и MIT-style position/speed/torque |
Суставы бедра и колена испытывают более тяжёлые нагрузки, но та же философия интегрированного дизайна применяется ко всему роботу: меньше внешних частей означает более чистую механическую компоновку и более согласованное поведение от сустава к суставу.
Кто на самом деле использует эту технологию?
Гуманоидные роботы — это главное приложение, но компактные исполнительные механизмы появляются везде, где машине нужно двигаться точно в ограниченном пространстве. Лёгкие робо-манипуляторы в исследовательских лабораториях, четырёхногие роботы, преодолевающие неровную местность, и экзоскелеты (носимые каркасы, которые помогают людям с ограниченной подвижностью) — все имеют одинаковые требования: компактность, точность, надёжность.
Мы отслеживаем гонку оборудования позади гуманоидного движения с июля. Наш отчёт от 17 июля об Agility Robotics показал компанию, которая уже зарабатывает деньги на ходящих роботах; история исполнительных механизмов рассказывает о компонентах, которые делают это коммерчески жизнеспособным.
Для инженеров, находящихся на ранних стадиях проекта проектирования, выбор правильного исполнительного механизма определяет всё дальнейшее: от времени работы батареи до того, как плавно робот восстановится после неожиданного толчка.
Цель — создать машину, которая движется так хорошо, что вы перестаёте замечать моторы вообще.
Часто задаваемые вопросы
Что такое крутящий момент и почему он важен для роботов?
Крутящий момент — это вращающая сила, которую производит мотор, измеряется в ньютон-метрах. Более высокий крутящий момент означает, что сустав может давить сильнее или удерживать больший вес, что наиболее важно для суставов бедра и колена, которые несут полный вес тела робота.
Действительно ли более лёгкий робот работает лучше?
В целом, да. Более лёгкий робот использует меньше энергии, оказывает меньше нагрузки на конструктивные части и может быстрее реагировать на изменения баланса. Снижение веса без потери выходного крутящего момента — это сложная часть, и это то, что пытается решить интегрированный дизайн исполнительного механизма.
Эти исполнительные механизмы предназначены только для профессиональных лабораторий робототехники?
Не исключительно. Компактные интегрированные исполнительные механизмы становятся всё более доступными для университетских исследовательских групп, малых стартапов робототехники и хорошо финансируемых энтузиастов-любителей: для всех, кто собирает динамичного робота и старается держать сложность под контролем.
