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使用重量轻、转矩密集、专为机器人量身定制的运动控制,打造出色的人形机器人

在 20 世纪 70 年代热播的电视连续剧《无敌金刚》中,未来技术将 Steve Austin 改造成一个“更强、更快、更好”的人类。 不过,这只是科幻片。 如今,人形机器人有望像人类一样出色地完成工作,甚至比人类做得更好,因为它们无需休息或进食,没有受伤的风险,也不用害怕潜在的危险。 此外,要想使人形机器人获得成功,其成本需要远低于《无敌金刚》中的成本。

要想以可承受的成本设计出功能强大的人形机器人,在工程设计上将面临巨大挑战。 不到 10 年前,人形机器人在DARPA机器人挑战赛上摔倒的火爆视频使大众捧腹大笑,但也侧面反映出设计方面的困难。 不用说执行复杂任务,仅是为了保持站立,人形机器人就需要用到各种传感、处理和运动控制系统,这就超越了大多数工业机器人的能力。 但得益于人工智能、中央处理器速度、集成电路微型化和其他技术的飞速发展,这些挑战正迅速得到解决。

然而,在机器人上使用的每一项技术都是为运动控制服务的。 人形机器人的作用在于其能像人类一样平稳、精确和灵活地行动,甚至比人类“更强、更快、更好”。

人形机器人的最大机遇是在为人类建造的环境中执行与人类同等规模的任务。 这些任务可能包括在仓库内搬运箱子、在危险环境中替代人类劳动、帮助照顾老人,甚至做日常家务等任何事情。 日益严重的劳动力短缺正在推动这些人形机器人的发展。据高盛研究部预测,仅在 10 到 15 年内,该行业就可实现 60 多亿美元的市场规模。

为了抓住这一机遇,工程设计团队需要解决人形机器人最重要的两个运动控制要求:

1. 尽量降低功耗,以延长电池寿命。

2. 尽量提高转矩密度,使机器人在承受自身重量的同时,仍能操纵巨大的外部动态负载。

这两个要求密切相关,必须在同一台电机上同时得到解决。 因此,科尔摩根认为电机和执行器的设计应针对机器人的需要,而不是借鉴无人机或其他非机器人应用的运动控制要求。

了解转矩、速度、重量和效率方面的挑战

根据美国国家职业安全与健康研究所的“提升公式”,建议人类工人提举的最大重量限值为 51 lb (23 kg)。 UPS 在运送超过 70 lb (31.5 kg) 的包裹时要求粘贴标签并采取特殊程序。 欧盟各成员国执行《手动搬运指令》的情况各不相同,但所有国家都规定男性不得搬运 25 kg 以上的重物,女性则不得超过 15 kg。

这些重量限制为大多数人形机器人应承受的动态负载提供了通用的指导,但机器人还需要支撑并移动自身的重量,而在真正的人体尺寸上,其自身重量可能是负载重量的两到三倍。

多年来,在制造环境中工作的固定式协作机器人已经实现了这些功能,并具有更强的负载搬运能力。 然而,即使最为精密灵活的工业机器人,通常也只有 6 到 7 个自由度。 相比之下,人形机器人可能有 30 到 40 个运动轴,有些情况运动轴甚至会更多。 这些运动轴使人形机器人能自由移动,操控环境,执行类似人类执行的复杂任务。

然而,每个轴都会增加机器人的重量和体积,同时消耗能量。 人工智能、视觉系统、触觉传感器和数据处理速度的进步都非常重要。 但是,对于设计新一代成功的人形机器人来说,最主要的还是尽可能提高功率密度、减小尺寸和重量,以及降低每个机器人关节的功耗。

了解对伺服电机的要求

电机尺寸、重量和转矩是人形机器人关节的关键规格。 对于工业协作机器人来说,计算理想的“负载-转矩-速度”相对简单,但人形机器人却面临着各种挑战。

人形机器人的关节不能像协作机器人那样在相对狭窄的速度范围内工作。 在不可预知的环境中航行和工作时,每个人形机器人关节都必须能够在平衡、精确和有力的连续运动中非常快速地执行双向加速(从零加速到高速,再从高速加速到零)。

鉴于这些要求,在选择电机时,传统的电机性能衡量指标(如连续转矩和额定转速)作用并不大。 相反,相关基准应以电机常数 Km 为依据。该常数的计算方法是用转矩常数 (Kt) 除以电机绕组线间电阻的平方根 (Km = Kt / sqrt Rm)。 在比较类似尺寸的电机时,Km 基本上是衡量电机效率的一个指标。

高效电机可在运行时将温升降至最低,这有助于确保电机和热敏元件(如润滑剂和电子元件)在机器人关节的狭小空间内发挥可靠性能。 计算每克电机重量的 Km 值,可为选择能提供所需性能的最轻电机提供有用数据。

要在轻型紧凑的机器人关节中优化转矩,另一种方法是借助利用 D2L 规则的电机。该规则的本质内容是:在不影响电机轴向长度的情况下,力矩臂长度增加一倍,则转矩增加四倍。 换句话说,通过 D2L,您只需增加电机直径,就能制造出更大功率的关节,同时将最重要的关节宽度保持在尽可能小的范围内。

选择为机器人量身定制的合适电机

专门针对机器人的尺寸、重量和性能要求设计的伺服电机,有助于工程设计团队设计和制造出功能更强、更畅销的人形机器人。 科尔摩根的 TBM2G 系列无框架伺服电机就是为机器人量身定制的电机的典型代表。

TBM2G 电机有七种框架尺寸可供选择,每种尺寸都可围绕三种不同的磁钢长度进行优化。 与通常只有三到五种框架尺寸的同类电机相比,这是一个巨大的优势。 凭借如此多的选择,用户可根据机器人的预期用途来指定 TBM2G 电机,以在每台机器人的每个关节上实现尺寸/重量和转矩的理想平衡。

当人形机器人有多个关节时,每个关节的重量和尺寸节省可以使机器人整体更轻,从而降低支撑和移动自身重量所需的能量。 结构紧凑、重量轻、尺寸合适的 TBM2G 电机是实现这一工程目标的理想选择。

这种创新的无框电机采用了先进的材料,并且可以选择多种绕组,以帮助工程师实现优化的机电一体化解决方案,满足人形机器人关节对速度和转矩的要求。 TBM2G 无框伺服电机的优势:

  • 满足各种高性能机器人关节要求,同时以一致的转矩实现快速加速。
  • 以较小的外形尺寸实现较大的持续转矩,并可利用 D2L 规则的优势。
  • 可靠的响应度和精确度,能满足人形机器人手臂和腿部的高动态运动控制要求。
  • 在 48 VDC 及以下电压供电的移动应用中,在整个作业范围内均可实现超高效率。
  • 低温升,可延长润滑剂、电子元件和其他机器人关节部件的寿命。
  • 大内径通孔,可容纳编码器、电缆、轴、工具等。

TBM2G 系列产品现已纳入科尔摩根完整的无框电机解决方案。 如需了解更多有关科尔摩根机器人和人形机器人的专业知识,请联系我们,咨询科尔摩根机器人运动控制专家。 让我们携手打造人形机器人的未来。

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