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Costruire un umanoide migliore con un motion leggero, ad alta densità di coppia e pronto per il robot

Nella serie televisiva di successo degli anni Settanta "L'uomo da sei milioni di dollari", la tecnologia del futuro avrebbe trasformato Steve Austin in un essere umano "più forte, più veloce, migliore". Ma quella era fantascienza. Oggi i robot umanoidi promettono di svolgere il lavoro umano come o meglio di quanto possano fare le persone, senza la necessità di riposare o mangiare, il rischio di infortuni o la paura di potenziali pericoli. Inoltre, perché un umanoide abbia successo, deve costare molto meno dell'uomo da sei milioni di dollari.

Le sfide ingegneristiche per la progettazione di un robot umanoide veramente capace a un costo accessibile sono notevoli. Nemmeno 10 anni fa, i video virali di umanoidi che cadevano durante la DARPA Robotics Challenge offrivano al grande pubblico uno sguardo divertente sulle difficoltà che si incontrano. Solo per rimanere in piedi gli umanoidi richiedono sistemi di rilevamento, elaborazione e motion che vanno ben oltre le capacità della maggior parte dei robot industriali. Ma queste sfide si stanno rapidamente risolvendo grazie ai progressi esponenziali dell'intelligenza artificiale, della velocità delle CPU, della miniaturizzazione dei circuiti integrati e di altre tecnologie.

Ogni tecnologia utilizzata in un robot, tuttavia, è al servizio del movimento. L'umanoide è utile solo nella misura in cui è in grado di muoversi con l'equilibrio, la precisione e la destrezza di un essere umano, o addirittura "più forte, più veloce e migliore".

La più grande opportunità per i robot umanoidi è quella di svolgere compiti a misura d'uomo in ambienti costruiti per l'essere umano. Ciò può significare qualsiasi attività dallo spostamento di scatole in un magazzino alla sostituzione di manodopera umana in ambienti pericolosi, all'assistenza agli anziani o persino alle faccende domestiche di routine. La crescente carenza di manodopera sta incentivando lo sviluppo di questi robot: Goldman Sachs Research prevede un mercato da oltre 6 miliardi di dollari raggiungibile in soli 10-15 anni.

Per realizzare questa opportunità, i team di progettazione devono affrontare i due requisiti di motion più importanti per un robot umanoide di successo:

1. Ridurre al minimo il consumo energetico per prolungare la durata della batteria.

2. Massimizzare la densità di coppia in modo che i robot possano sostenere il proprio peso e allo stesso tempo manipolare carichi dinamici esterni significativi.

Questi due requisiti sono strettamente correlati e devono essere risolti contemporaneamente nello stesso motore. Ecco perché Kollmorgen ritiene che i motori e gli attuatori debbano essere progettati per essere pronti per i robot, piuttosto che prendere in prestito i requisiti di motion dei droni o di altre applicazioni non robotiche.

Comprendere le sfide della coppia, della velocità, del peso e dell'efficienza

Il limite massimo di peso raccomandato per gli operatori umani secondo l'equazione di sollevamento del National Institute for Occupational Safety and Health è di 23 kg (51 lb). UPS richiede l'etichettatura e procedure speciali quando si spediscono pacchi di peso superiore a 31,5 kg (70 lb). L'attuazione della direttiva sulla movimentazione manuale nell'Unione Europea varia a seconda degli Stati membri, ma molti Paesi specificano un limite di 25 kg per gli uomini e di 15 kg per le donne.

Questi limiti di peso forniscono una linea guida generale per i carichi dinamici che la maggior parte dei robot umanoidi dovrebbe trasportare, ma i robot devono anche sostenere e muovere il proprio peso che, potrebbe essere da due a tre volte il peso del carico.

I robot fissi e collaborativi che operano negli ambienti di produzione, raggiungono da anni queste e altre capacità di movimentazione dei carichi. Tuttavia, si consideri che anche i robot industriali più sofisticati e flessibili offrono in genere 6-7 gradi di libertà. I robot umanoidi, invece, possono avere 30-40 o anche più assi di motion. Questi assi danno all'umanoide la libertà di muoversi, manipolare il suo ambiente ed eseguire compiti sofisticati, simili a quelli umani.

Ciascuno di questi assi aggiunge peso e ingombro al robot e consuma energia. I progressi nell'intelligenza artificiale, nei sistemi di visione, nei sensori cinestesici e nella velocità di elaborazione dei dati sono tutti importanti. Ma per progettare una nuova generazione di robot umanoidi di successo non c'è niente di più importante che massimizzare la densità di coppia, minimizzare le dimensioni e il peso e ridurre il consumo di energia in ogni giunto robotico.

Comprensione dei requisiti dei servomotori

Le dimensioni, il peso e la coppia del motore sono specifiche fondamentali per i giunti robotici umanoidi. Il calcolo dei valori ottimali di carico-coppia-velocità è relativamente semplice per un robot industriale collaborativo, ma gli umanoidi presentano una serie di sfide diverse.

I giunti degli umanoidi non funzionano nell'intervallo di velocità relativamente ristretto di un cobot. Per navigare e lavorare in un ambiente imprevedibile, ogni giunto umanoide deve essere in grado di effettuare accelerazioni bidirezionali molto rapide - da zero ad alte velocità e viceversa - in un connubio continuo e dinamico di equilibrio, precisione e potenza.

Considerati questi requisiti, le misure convenzionali delle prestazioni del motore, come i valori nominali di coppia e velocità continue, sono di scarsa utilità nella scelta dei motori. I parametri di riferimento dovrebbero invece basarsi sulla costante del motore, o Km, calcolata dividendo la costante di coppia (Kt) per la radice quadrata della resistenza fase-fase degli avvolgimenti del motore (Km = Kt / radq Rm). Il valore di Km è essenzialmente una misura dell'efficienza del motore quando si confrontano motori di dimensioni simili.

Un motore altamente efficiente può funzionare con un aumento termico minimo, contribuendo ad assicurare prestazioni affidabili per il motore e i componenti sensibili al calore, come i lubrificanti e l'elettronica, all'interno degli stretti confini di un giunto robotico. Il calcolo di Km per grammo di peso del motore fornisce anche dati utili per scegliere i motori più leggeri in grado di fornire le prestazioni richieste.

Un altro modo per ottimizzare la coppia in un giunto robotico leggero e compatto consiste nell'utilizzare motori che sfruttano la regola D2L, che afferma essenzialmente che il raddoppio della lunghezza del braccio comporta un aumento quadruplo della coppia senza influire sulla lunghezza assiale del motore. In altre parole, la regola D2L consente di costruire un giunto più potente con un semplice aumento del diametro del motore, mantenendo al minimo l'importantissima larghezza del giunto.

Scegliere i motori giusti e Robot-Ready

I servomotori progettati specificamente per le dimensioni, il peso e i requisiti prestazionali dei robot possono aiutare i team di progettazione a progettare e costruire un robot umanoide più capace e maggiormente commerciabile. Il primo esempio di motore robot-ready è la serie TBM2G di servomotori frameless di Kollmorgen.

I motori TBM2G sono disponibili in sette dimensioni di flange, ciascuna delle quali può essere ottimizzata in base a tre diverse lunghezze di stack. Si tratta di un enorme vantaggio rispetto ai motori della concorrenza, che in genere sono disponibili solo in un numero di dimensioni di flange da tre a cinque. Con così tante opzioni, i motori TBM2G possono essere utilizzati per ottenere l'equilibrio ideale di dimensioni/peso e coppia per ogni giunto di ogni robot, in base all'uso previsto del robot stesso.

Se si sommano i numerosi giunti robotici che compongono un umanoide, il risparmio di peso e di dimensioni di ciascun giunto può consentire di ottenere un robot sostanzialmente più leggero, che richiede molta energia in meno per sostenere e spostare il proprio peso. I motori TBM2G, compatti, leggeri e di dimensioni adeguate, sono ideali per raggiungere questo obiettivo ingegneristico.

Questi innovativi motori frameless incorporano anche materiali avanzati e molteplici opzioni di avvolgimento per aiutare gli ingegneri a realizzare soluzioni meccatroniche ottimizzate per le esigenze di velocità e coppia dei giunti robotici umanoidi. I servomotori frameless TBM2G offrono:

  • Accelerazione rapida con coppia costante per tutte le esigenze di giunti robotici ad alte prestazioni.
  • Maggiore coppia continua in dimensioni ridotte, con fattori di forma che sfruttano la regola D2L.
  • Risposta affidabile e precisione per i motion altamente dinamici richiesti da braccia e gambe umanoidi.
  • Efficienza energetica superiore in tutto l'intervallo di funzionamento nelle applicazioni mobili alimentate a 48 VCC o meno.
  • Basso aumento termico per prolungare la durata dei lubrificanti, dell'elettronica e di altri componenti dei giunti robotici.
  • Un foro passante di grande diametro interno per ospitare encoder, cavi, alberi, utensili e altro ancora.

La serie TBM2G si aggiunge a una gamma completa di soluzioni di motori frameless di Kollmorgen. Scopri di più sull'esperienza di Kollmorgen nel campo della robotica e degli umanoidi; contattaci per consultare uno specialista di robotica di Kollmorgen. Insieme, possiamo collaborare per dare vita ai robot umanoidi del futuro.

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