Si prevede che i robot umanoidi diventeranno un'opportunità da oltre 6 miliardi di dollari entro i prossimi 10-15 anni.1 Molti laboratori, enti di ricerca e startup infatti, si stanno affrettando a sviluppare concetti e prototipi prima della concorrenza. L'obiettivo, ovviamente, deve essere quello di progettare e costruire un robot che possa essere facilmente prodotto e distribuito sul mercato, un umanoide che i clienti apprezzeranno.
In mancanza delle risorse di sviluppo e produzione disponibili per le aziende di robotica consolidate, i team di progettazione che spesso nascono in istituzioni accademiche, iniziano risolvendo le sfide che comprendono meglio. Per il motion robotico, ciò significa iniziare con un concetto per gli attuatori che controllano il movimento dei giunti robotici.
Il concetto di attuatore può nascere, ad esempio, come tesi di dottorato e l'obiettivo iniziale è quello di far funzionare un singolo asse secondo una particolare specifica. Tuttavia, i robot umanoidi possono facilmente incorporare 40 o più giunti diversi con requisiti di motion diversi: da caviglie, ginocchia e fianchi che devono sostenere e bilanciare l'intero peso del robot a spalle, gomiti e polsi che devono manipolare con precisione i carichi in un'ampia gamma di movimenti.
Il passaggio da un concetto iniziale monoasse a un prototipo funzionante multiasse richiede attuatori progettati e dimensionati per soddisfare le molte e diverse esigenze di tutti i giunti dell'umanoide. Il raggiungimento di questa integrazione su larga scala basata sul concetto iniziale di attuatore è un ostacolo importante per ottenere un umanoide producibile e commercializzabile.
Kollmorgen ha una vasta esperienza nell'aiutare gli ingegneri robotici a portare i loro concetti dal tavolo da disegno a un prodotto commerciabile di successo. Questi tre suggerimenti ti aiuteranno a dare vita a un umanoide ben integrato e altamente competente.
1: Semplificare fin dall'inizio
Gli attuatori del robot umanoide devono soddisfare obiettivi diversi, quindi semplificare la progettazione complessiva è una sfida. Molti team di ingegneri iniziano con la progettazione e l'ottimizzazione di un singolo attuatore, ma alla fine devono cercare di comprendere come far funzionare in armonia l'intero concetto di robot.
Ciò richiede in genere di superare la fase di R&S per passare alla fase di investimento, attirando il capitale di rischio che può rendere l'azienda autosufficiente. Potrebbero essere necessarie più iterazioni di prototipazione per ottenere un robot che funzioni in modo ideale. Una volta finalizzato questo progetto, la soluzione deve essere ampliata per l'immissione sul mercato per la vendita o come offerta di servizi.
È in questa fase di produzione che le aziende possono scoprire il rischio nascosto nel loro processo di sviluppo: un robot che funziona bene nel prototipo ma è difficile o costoso da produrre su scala. Gli umanoidi sono così complessi, con così tante parti mobili, che è facile trascurare la producibilità durante la fase di progettazione. Scoprire troppo tardi i problemi di producibilità significa dover riprogettare costosamente il prodotto o andare avanti con un robot troppo costoso da produrre e che potrebbe non essere accettato dal mercato.
Per ridurre al minimo questo rischio, si consiglia di iniziare con una serie di progetti di attuatori che condividono un'architettura di base comune, ma con la flessibilità di essere adattati in termini di dimensioni e coppia per soddisfare le esigenze dei diversi giunti del corpo umanoide. L'attuatore perfezionato nella fase R&S può funzionare bene per un particolare giunto del braccio o della gamba, ma potrebbe essere troppo ingombrante, pesante o costoso per funzionare bene per altri giunti nel progetto completo del robot.
Per controllare i costi e assicurare la producibilità, utilizzare elementi di progettazione comuni in giunti con funzioni simili, come l'azionamento rotativo o lineare, assicurando al contempo che le dimensioni del progetto possano essere maggiori o minori, a seconda delle necessità. Adottando fin dall'inizio un approccio total-system, è possibile semplificare l'integrazione dei motori e degli altri componenti del giunto nel progetto del robot da produrre.
2: Scegliere progetti di ingranaggi e motori in grado di soddisfare le esigenze della maggior parte o della totalità dei giunti
Nel movimento umano, le ginocchia, le anche, le spalle, i gomiti e molte altre articolazioni lavorano insieme in un coordinamento altamente dinamico. Per simulare queste capacità, un robot umanoide può richiedere 40 o più gradi di libertà. Il team di ingegneri deve modellare ciascuno di questi assi per comprendere gli esatti requisiti di coppia all'uscita di ciascuna trasmissione.
Sulla base di questa analisi, è possibile specificare l'ingranaggio più appropriato per ogni giunto. Riteniamo che sia essenziale basare il progetto del motore su quello dell'ingranaggio, piuttosto che il contrario. Per la maggior parte dei giunti dei robot umanoidi, gli ingranaggi armonici, consentono di ottenere il giunto più leggero e compatto, con un backlash nullo: considerazioni cruciali per ottimizzare le dimensioni complessive e la precisione del robot.
I riduttori armonici tipicamente forniscono un rapporto di riduzione compreso tra 80:1 e 180:1. Per mantenere l'equilibrio e svolgere un lavoro efficace in un ambiente imprevedibile, gli umanoidi hanno bisogno di giunti in grado di accelerare/decelerare in tempi relativamente brevi. Questi riduttori devono essere abbinati a motori in grado di fornire una coppia costante in un'ampia gamma di velocità, comprese le velocità di 2.000 giri/min o superiori.
Per controllare i costi e assicurare la producibilità, cercare ingranaggi armonici disponibili in commercio in dimensioni adatte ai requisiti del maggior numero possibile di giunti rotanti. Cercare quindi un progetto di motore che sia in grado di soddisfare i requisiti di diametro, velocità e coppia in uscita identificati per ciascuna delle trasmissioni armoniche selezionate.
3: Guardare ai servomotori frameless TBM2G di Kollmorgen per semplificare l'integrazione
Praticamente tutti i servomotori frameless presenti oggi sul mercato sono progettati per scopi diversi dai giunti robotici. Ad esempio, i motori progettati per i droni forniscono una coppia ottimale solo in un intervallo di velocità ristretto. I motori TBM2G di Kollmorgen sono diversi. Sono stati progettati appositamente per essere robot-ready.
I motori TBM2G sono dimensionati per integrarsi facilmente negli ingranaggi armonici ampiamente disponibili e più adatti all'uso nei giunti robotici. Inoltre, sono disponibili in una gamma completa di dimensioni per adattarsi praticamente a tutti i giunti umanoidi, ad esempio quelli più grandi dell'anca e del ginocchio e quelli più compatti di spalle, gomiti e polsi. Mentre per la maggior parte i motori frameless sono disponibili solo in due o tre dimensioni, i motori TBM2G offrono sette diversi diametri, da 50 mm a 115 mm, e tre lunghezze di pila di 8 mm, 13 mm e 26 mm, per un totale di 21 dimensioni.
Questi motori sono inoltre progettati per fornire una coppia costante nell'intera gamma di velocità, soddisfacendo i requisiti di motion eccezionalmente dinamici che differenziano gli umanoidi da molte altre applicazioni robotiche. Inoltre, offrono prestazioni eccezionali a una temperatura massima dell'avvolgimento di soli 85 °C. Altri motori della stessa classe offrono prestazioni ottimali solo quando operano a 155 °C, una temperatura che può degradare rapidamente i lubrificanti degli ingranaggi e compromettere l'affidabilità dei componenti elettronici di feedback.
Bonus tip: collabora con un esperto
Kollmorgen non è un semplice fornitore di componenti di motion. Con centinaia di anni di esperienza collettiva e migliaia di applicazioni di successo, ci impegniamo ad aiutare gli ingegneri di robotica ad avere successo. Sappiamo cosa richiede il motion robotico, dai cobot industriali ad alta produttività, ai robot chirurgici precisi e delicati, fino alla nascente generazione di robot umanoidi che promettono di liberare l'uomo da compiti ripetitivi, faticosi e talvolta pericolosi, consentendo al contempo nuove produttività e possibilità.
Pronto a dare vita al progetto di umanoide? Contattateci all'indirizzo https://www.kollmorgen.com/it-it/service-and-support/contatti per discutere le vostre esigenze e i vostri obiettivi con un esperto di robotica di Kollmorgen.
1. Humanoid Robots: Sooner Than You Might Think, Goldman Sachs, 15 novembre 2022
