Perché i robot umanoidi aprono un nuovo oceano blu per le applicazioni dei motori coreless

 

I robot umanoidi, in quanto eccezionali rappresentanti di robot multiuso e portatori ideali di "intelligenza incarnata", beneficiano da un lato del rapido sviluppo dell'intelligenza artificiale generale e, dall'altro, diventando il ponte tra l'intelligenza artificiale e il mondo reale con "intelligenza incarnata", che si evolve gradualmente nella piattaforma terminale per la prossima generazione di intelligenza artificiale generale. Nelle attività dei robot, i grandi modelli di intelligenza artificiale assumono ruoli chiave nel ragionamento e nel processo decisionale, convertendo istruzioni complesse in passaggi eseguibili per i robot analizzando i comandi del linguaggio naturale. Inoltre, l'aggiunta di grandi modelli di intelligenza artificiale multimodale migliora significativamente l'accuratezza e l'efficienza del ragionamento e del processo decisionale, fornendo un importante supporto ai robot umanoidi per progredire verso la generalizzazione.

 

 

Il rapido sviluppo dell'industria della robotica si basa sulle innovazioni nelle tecnologie dei componenti chiave e sulla stabilità della loro offerta. Nei robot umanoidi, il riduttore, il servosistema e il controller sono considerati i tre componenti principali e insieme rappresentano oltre il 70% del costo totale. Inoltre, in quanto componente fondamentale, il valore del motore non può essere trascurato. Nei robot umanoidi come Optimus, il costo del motore rappresenta circa il 25% del valore totale dei componenti.

 

Supponendo che il volume globale delle spedizioni di robot umanoidi raggiungerà i 5 milioni di unità nel prossimo decennio, la domanda di motori coreless (senza nuclei di ferro) vedrà una massiccia crescita del mercato durante questo periodo. Sulla base dei prezzi unitari, l'incremento del mercato dei motori coreless potrebbe raggiungere i 350 miliardi di RMB, mentre si prevede che il mercato incrementale dei motori coreless supererà i 78 miliardi di RMB. Insieme, questi due formeranno un vasto spazio di mercato di 428 miliardi di RMB.

 

 

A differenza dei robot industriali utilizzati in ambienti di lavoro fissi, i robot umanoidi servono principalmente scenari di vita quotidiana umana. Questi robot non necessitano solo di capacità di percezione, processo decisionale e azione, ma devono anche simulare modelli di comportamento umano per interagire con l'ambiente e gli utenti in modo più naturale. Pertanto, i motori, in quanto componenti principali degli attuatori articolari, influiscono direttamente sulla flessibilità, precisione e stabilità del robot.

 

Tra le varie tecnologie di azionamento, l'azionamento del motore elettrico presenta vantaggi significativi rispetto all'azionamento idraulico. La soluzione di azionamento del motore elettrico beneficia di una tecnologia di controllo del movimento matura, fornendo feedback in tempo reale sullo stato del movimento tramite encoder ad alta precisione per garantire un controllo accurato. Allo stesso tempo, il costo dei sistemi di azionamento del motore elettrico è inferiore rispetto ai sistemi idraulici, con una minore manutenzione richiesta. Questa caratteristica economicamente vantaggiosa rende l'azionamento del motore elettrico una delle scelte principali per lo sviluppo di robot umanoidi.

 

Tra questi, i motori coreless, con le loro caratteristiche di leggerezza, alta efficienza e bassa inerzia, sono diventati componenti chiave nel miglioramento delle prestazioni dei robot umanoidi.I motori coreless possono fornire una maggiore densità di potenza e velocità di risposta più elevate in piccoli volumi, consentendo ai robot di esibire prestazioni superiori nel controllo articolare multi-grado di libertà. Inoltre, i motori coreless hanno un consumo energetico inferiore, aiutando i robot a prolungare la durata della batteria.

 

1.1 Robot umanoidi che si integrano nella vita quotidiana, dimostrando la forza tecnologica nazionale

I robot umanoidi sono diventati gradualmente assistenti affidabili nella vita umana quotidiana, in grado di assistere in una varietà di compiti complessi. A differenza dei robot industriali, che tipicamente lavorano in ambienti fissi, i robot umanoidi sono progettati per integrarsi nell'ambiente quotidiano umano. Questi robot non solo possiedono capacità fondamentali come la percezione, il processo decisionale e le azioni, ma hanno anche caratteristiche di movimento simili a quelle umane e un design dall'aspetto amichevole, che li rende più facilmente accettati dagli umani e crea un senso di familiarità. Adattandosi in modo flessibile a diversi ambienti, i robot umanoidi mostrano un enorme potenziale di applicazione in settori come la casa, i servizi e la sanità.

 

In quanto dispositivi intelligenti avanzati, i robot umanoidi sono considerati simboli della forza tecnologica nazionale. Il loro sviluppo richiede il superamento delle barriere tecnologiche in molteplici discipline, tra cui ingegneria meccanica, ingegneria elettrica, scienza dei materiali, tecnologia di rilevamento, sistemi di controllo e intelligenza artificiale. Con caratteristiche esteriori simili a quelle umane, capacità di camminare bipede e tecnologie di controllo del movimento altamente coordinate, i robot umanoidi possono eseguire compiti fisici e comunicare con gli esseri umani attraverso il linguaggio o le espressioni facciali. Rispetto ai robot tradizionali, i robot umanoidi presentano vantaggi significativi nell'interazione uomo-macchina, nell'adattamento ambientale e nella versatilità delle attività.

 

 

1.2 Lo sviluppo dei robot umanoidi: dal concetto all'industrializzazione

Il concetto di robot esiste da oltre un secolo e la ricerca sui robot umanoidi è iniziata a metà del{0}}esimo secolo, attraversando un lungo processo di sviluppo dai prototipi di laboratorio alle prime fasi dell'industrializzazione. Il primo utilizzo del termine "robot" deriva dall'opera teatrale RUR (Rossum's Universal Robots) dello scrittore ceco Karel Čapek, che significa schiavi macchina al servizio dell'umanità. La produzione in serie di robot industriali iniziò negli anni '60, con il braccio robotico "UNIMATE" lanciato dall'azienda americana Unimation, che aprì l'era dei robot industriali commerciali.

 

La ricerca e lo sviluppo di robot umanoidi sono iniziati in Giappone e gradualmente sono entrati nelle fasi di sistematizzazione e alta dinamica:

 

Fase di esplorazione iniziale (intorno agli anni '70): nel 1973, il professor Ichiro Kato dell'Università di Waseda in Giappone sviluppò il primo robot umanoide al mondo, WABOT-1, e il suo meccanismo di camminata bipede WL-5 gettò le basi per i robot umanoidi robot.

 

Fase di integrazione tecnologica (anni '80-1990): nel 1986, Honda iniziò la ricerca sul robot umanoide ASIMO e nel 2000 fu rilasciato il modello ASIMO di prima generazione, segnando l'ingresso dei robot umanoidi in una fase tecnologica altamente integrata.

 

Fase rivoluzionaria delle prestazioni dinamiche (2000-2020): nel 2016, la Boston Dynamics degli Stati Uniti ha lanciato il robot bipede Atlas, che, con la sua potente capacità di equilibrio e le sue prestazioni nell'attraversamento degli ostacoli, ha raggiunto nuovi traguardi nel movimento dinamico e nell'esecuzione delle attività in ambienti pericolosi.

 

Fase di industrializzazione iniziale (2020-presente): nel 2022, Tesla ha lanciato il prototipo di robot umanoide Optimus, presentando l'intelligenza artificiale e la tecnologia di azionamento del motore altamente integrate al Tesla AI Day. La versione 2023 di Optimus è in grado di classificare gli oggetti e bilanciarli con precisione, segnalando che i robot umanoidi si stanno gradualmente muovendo verso l'applicazione pratica.

 

1.3 Profonda integrazione tra robot umanoidi e tecnologia motoristica

La continua evoluzione dei robot umanoidi è inseparabile dal supporto della tecnologia motoria. Essendo il componente principale delle unità articolari del robot, i motori non solo determinano le prestazioni di movimento del robot, ma ne influenzano anche la flessibilità e la durata. Grazie alla loro elevata precisione, al basso consumo energetico e all'affidabilità, gli azionamenti dei motori sono gradualmente diventati la soluzione di alimentazione più comunemente utilizzata per i robot umanoidi. Nel frattempo, i motori coreless, con vantaggi come leggerezza, alta efficienza e bassa inerzia, stanno fornendo un supporto tecnologico cruciale per il rapido sviluppo dei robot umanoidi.

 

In futuro, con ulteriori progressi tecnologici, i robot umanoidi diventeranno più ampiamente utilizzati in vari scenari di vita, iniettando nuova vitalità nello sviluppo economico e sociale globale. Ciò rende il mercato automobilistico, in particolare il mercato dei motori coreless, un nuovo e attesissimo oceano blu.

 

1.4 Struttura del robot umanoide: analisi dei componenti chiave

La struttura chiave dei robot umanoidi può essere suddivisa in tre moduli principali: attuatori, controller e sensori. I componenti principali come motori, riduttori e sensori determinano le prestazioni del robot. Di seguito l'analisi dettagliata di queste componenti:

 

1.4.1 Motore

Il motore è il nucleo dell'esecuzione del movimento del robot umanoide, inclusi servomotori, motori passo-passo, motori torque e motori sferici, tra gli altri. Tra questi, i motori torque sono considerati ideali per giunti di robot umanoidi con richieste di bassa velocità e coppia elevata grazie alla loro capacità di fornire coppia elevata a velocità medie e basse. Tuttavia, le loro difficoltà di ricerca e produzione sono relativamente elevate e richiedono innovazioni per superare i colli di bottiglia tecnologici.

 

1.4.2 Riduttore

I riduttori armonici sono ampiamente riconosciuti per la loro struttura compatta, l'elevato rapporto di trasmissione e la precisione superiore, che li rendono una scelta comune per i componenti dei giunti dei robot. Tuttavia, la loro durata e durata hanno ancora margini di miglioramento.

 

1.4.3 Sensore

I sensori svolgono un ruolo fondamentale nei robot, in particolare i sensori di coppia, che sono una parte essenziale della progettazione dei giunti. Questi sensori, in combinazione con motori e riduttori, formano il gruppo articolare e forniscono un controllo preciso del movimento e un feedback di forza.

 

1.4.4 Metodo Drive dell'arto superiore

Gli arti superiori utilizzano principalmente viti a ricircolo di sfere, che convertono il movimento alternativo delle sfere in movimento lineare della vite. Rispetto alle trasmissioni a cinghia o a catena, le viti a ricircolo di sfere presentano meno attrito, costi operativi e di manutenzione inferiori e maggiore precisione.

 

1.4.5 Metodo di guida degli arti inferiori

Le viti a rulli planetari, note per la loro resistenza all'impatto di forze esterne e la lunga durata, sono diventate la scelta principale per gli azionamenti degli arti inferiori, particolarmente adatte per gestire complesse esigenze di controllo dell'andatura.

 

1.4.6 Giunto manuale

I giunti manuali utilizzano comunemente motori senza nucleo. Questi motori hanno un design semplice, leggeri e sono componenti di azionamento ideali per il movimento delle dita, consentendo un controllo più preciso.

 

Inoltre, la scelta dei cuscinetti per giunti lineari e rotanti comprende cuscinetti a contatto angolare, cuscinetti a rulli incrociati e cuscinetti a sfere con gola profonda. Questi componenti insieme garantiscono la leggerezza, la precisione e l'affidabilità del robot.

 

 

Vantaggi intelligenti dell'azionamento del motore

Rispetto agli azionamenti idraulici, gli azionamenti a motore mostrano prestazioni intelligenti particolarmente eccezionali nel controllo del movimento. Ad esempio, il robot umanoide di Tesla adotta la tecnologia dei servomotori ad alta densità di coppia, con il suo controllo intelligente del movimento che supera di gran lunga i tradizionali sistemi idraulici. Questo design non solo consente un feedback in tempo reale sullo stato del movimento per garantire la precisione del controllo, ma mantiene anche i costi relativamente bassi, rendendolo adatto ad applicazioni su larga scala.

 

Requisiti prestazionali per i servomotori

Essendo il nucleo degli attuatori dei robot, i servomotori devono soddisfare i seguenti requisiti prestazionali:

• Reattività rapida: i servomotori devono avviarsi e arrestarsi rapidamente per adattarsi ad ambienti altamente dinamici.
• Rapporto coppia-inerzia elevato all'avviamento: i servomotori devono fornire un'elevata coppia di avviamento mantenendo una bassa inerzia rotazionale.
• Controllo continuo e caratteristiche lineari: la velocità del motore deve adattarsi continuamente ai cambiamenti nel segnale di controllo per garantire un'esecuzione precisa.
• Design compatto: i servomotori dovrebbero essere di piccole dimensioni e leggeri per adattarsi al layout spaziale compatto del robot.
• Durata e capacità di sovraccarico: i servomotori devono sopportare frequenti rotazioni in avanti e indietro e operazioni di accelerazione/decelerazione e sopportare diverse volte il carico nominale per brevi periodi.

Queste caratteristiche rendono i servomotori indispensabili nel campo della robotica, ponendo le basi per una maggiore intelligenza e stabilità nei robot.

 

Continua a leggere: Il cuore del movimento dei robot: il ruolo decisivo dei motori nella precisione - Parte 2