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Construa um humanoide melhor, com motion leve e de alta densidade de torque projetado para robôs

Na série de sucesso da televisão da década de 1970, "O Homem de Seis Milhões de Dólares", a tecnologia do futuro transformou Steve Austin em um ser humano “mais forte, mais rápido e melhor”. Mas, era tudo ficção científica. Atualmente, os robôs humanoides prometem fazer o trabalho humano tão bem ou melhor que as pessoas, sem a necessidade de descansar, comer, correr risco de sofrer lesões ou sem medo de possíveis riscos. Além disso, para um humanoide ser bem-sucedido, ele precisa ser muito mais barato que "O Homem de Seis Milhões de Dólares".

Os desafios de engenharia para projetar um robô humanoide verdadeiramente capaz com um custo acessível são consideráveis. Há menos de 10 anos, vídeos viralizaram com humanoides caindo no DARPA Robotics Challenge, o que proporcionou ao público em geral uma visão divertida das dificuldades envolvidas. Apenas para se manterem em pé, sem contar executar tarefas complexas, os humanoides precisam de sistemas de detecção, processamento e movimento muito superiores à capacidade da maioria dos robôs industriais. Mas estes desafios estão sendo rapidamente resolvidos graças ao progresso exponencial da inteligência artificial, da velocidade das CPUs, da miniaturização de circuitos integrados e outras tecnologias.

Toda tecnologia usada em um robô, entretanto, está a serviço do movimento. O humanoide é útil apenas na medida em que consegue se mover com o equilíbrio, a precisão e a destreza de um humano. Ou ainda, é “mais forte, mais rápido, melhor” que um humano.

A maior oportunidade para robôs humanoides está em executar tarefas em escala humana em ambientes construídos para pessoas. Isso pode significar qualquer coisa, desde movimentar caixas num armazém até substituir mão de obra humana em ambientes perigosos, ajudar a cuidar de idosos ou mesmo realizar tarefas domésticas rotineiras. A crescente escassez de mão de obra está incentivando o desenvolvimento dos robôs em escala humana. A Goldman Sachs Research prevê um mercado de mais de US$ 6 bilhões a ser alcançado daqui a apenas 10 a 15 anos.

Para concretizar essa oportunidade, as equipes de engenharia precisam atender aos dois requisitos de motion mais importantes para um robô humanoide de sucesso:

1. Minimizar o consumo de energia prolongando a vida útil da bateria.

2. Maximizar a densidade de torque, de forma que os robôs possam carregar seu próprio peso enquanto manipulam cargas dinâmicas externas significativas.

Esses dois requisitos estão intimamente relacionados e precisam ser resolvidos simultaneamente, no mesmo motor. É por isso que a Kollmorgen acredita que motores e atuadores devem ser projetados especificamente para robôs, em vez de se basearem nos requisitos de motion de drones ou outras aplicações não robóticas.

Entendendo os desafios de torque, velocidade, peso e eficiência

O limite máximo de peso recomendado para trabalhadores humanos de acordo com a Equação de Elevação do Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional é de 23 kg. A UPS exige rotulagem e procedimentos especiais quando o envio contém embalagens com mais de 31,5 kg. A implementação da Diretiva de Movimentação Manual de Cargas na União Europeia varia de acordo com o estado membro, mas vários países especificam um limite de 25 kg para homens e de 15 kg para mulheres.

Esses limites de peso fornecem uma diretriz geral para as cargas dinâmicas que a maioria dos robôs humanoides deverá carregar, mas os robôs também precisam suportar e mover seu próprio peso, que, em uma escala verdadeiramente humana, poderia ser duas a três vezes o peso da carga.

Robôs fixos e colaborativos que trabalham em ambientes de fabricação já conseguiram alcançar e superar essa capacidade de movimentação de carga há anos. No entanto, considere que mesmo os robôs industriais mais sofisticados e flexíveis normalmente oferecem entre 6 e 7 graus de liberdade. Por sua vez, os robôs humanoides podem ter de 30 a 40 eixos de movimento ou mais. Esses eixos dão ao humanoide a liberdade de se movimentar, movimentar coisas no ambiente e realizar tarefas sofisticadas semelhantes às humanas.

Cada um desses eixos adiciona peso e volume ao robô, além de consumir energia. São muito importantes os avanços na inteligência artificial, nos sistemas visuais, nos sensores cinestésicos e na velocidade de processamento de dados. Mas nada poderia ser mais crucial para a engenharia de uma nova geração de robôs humanoides de sucesso do que maximizar a densidade de torque, minimizar o tamanho e o peso e reduzir o consumo de energia em cada junta robótica.

Entendendo os requisitos do servomotor

Tamanho, peso e torque do motor são as principais especificações para articulações robóticas de humanoides. Calcular a proporção ideal de velocidade-torque-carga é relativamente simples para um robô colaborativo industrial, mas os humanoides apresentam um conjunto diferente de desafios.

As articulações de humanoides não operam na faixa de velocidade relativamente estreita de um cobot. Para navegar e realizar o trabalho em um ambiente imprevisível, cada junta humanoide deve ser capaz de acelerações bidirecionais muito rápidas, de zero a altas velocidades e vice-versa, em uma dança contínua e dinâmica de equilíbrio, precisão e potência.

Dados esses requisitos, as medidas convencionais de desempenho do motor, como torque contínuo e classificações de velocidade, têm uso limitado na seleção de motores. Em vez disso, os benchmarks relevantes devem basear-se na constante do motor, ou Km, calculada dividindo a constante de torque (Kt) pela raiz quadrada da resistência linha a linha dos enrolamentos do motor (Km = Kt/sqrt Rm). Km é essencialmente uma medida de eficiência do motor, quando são comparados motores de tamanho semelhante.

Um motor altamente eficiente opera com aumento térmico mínimo, ajudando a garantir um desempenho confiável para o motor e componentes sensíveis ao calor, como lubrificantes e componentes eletrônicos, dentro dos limites rígidos de uma junta robótica. O cálculo de Km por grama de peso do motor também fornece dados úteis para escolher os motores mais leves e que proporcionarão o desempenho necessário.

Uma forma adicional de otimizar o torque em uma junta robótica leve e compacta é usar motores que aproveitem a regra D2L, que, basicamente, estabelece que duplicar o comprimento do braço de momento resulta em um aumento de quatro vezes no torque sem afetar o comprimento axial do motor. Em outras palavras, a regra D2L permite que construir uma junta mais potente com um simples aumento no diâmetro do motor, mantendo no mínimo a importante largura da junta.

Escolhendo os motores certos e desenvolvidos para robôs

Servomotores projetados especificamente para os requisitos de tamanho, peso e desempenho dos robôs podem ajudar as equipes de engenharia a projetar e construir um robô humanoide mais capaz e mais comercializável. O principal exemplo de motor desenvolvido para robôs é a série TBM2G de servomotores sem carcaça da Kollmorgen.

Os motores TBM2G estão disponíveis em sete tamanhos de carcaça, e todos podem ser otimizados em torno de três comprimentos de carcaça diferentes. Esta é uma enorme vantagem sobre os motores dos concorrentes, que normalmente estão disponíveis em apenas três a cinco tamanhos de carcaça. Com tantas opções, os motores TBM2G podem ser especificados para atingir o equilíbrio ideal de tamanho/peso e torque para cada junta de cada robô, dependendo do uso pretendido para o robô.

Quando são somadas as diversas articulações robóticas que compõem um humanoide, a economia de peso e tamanho com cada junta pode resultar em um robô substancialmente mais leve, que requer muito menos energia para suportar e mover seu próprio peso. Compactos, leves, e do tamanho certo, os motores TBM2G são ideais para atingir esse objetivo de engenharia.

Esses inovadores motores sem carcaça também incorporam materiais avançados e diversas opções de enrolamento para ajudar os engenheiros a obter soluções mecatrônicas otimizadas em todas as demandas de velocidade e torque das juntas robóticas humanoides. Os servomotores sem carcaça TBM2G oferecem:

  • Aceleração rápida com torque consistente em todo o conjunto de requisitos de juntas robóticas de alto desempenho.
  • Maior torque contínuo em pacotes menores, com formatos que aproveitam a regra D2L.
  • Resposta confiável e precisão para motion altamente dinâmico, uma exigência em braços e pernas humanoides.
  • Eficiência energética superior em toda a faixa operacional em aplicações móveis alimentadas a 48 VCC e inferior.
  • Baixo aumento térmico para prolongar a vida útil de lubrificantes, de componentes eletrônicos e de outros componentes de juntas robóticas.
  • Um furo passante com diâmetro interno grande para acomodar encoders, cabos, eixos, ferramentas e muito mais.

A série TBM2G se une a uma seleção completa de soluções de motores sem carcaça da Kollmorgen. Saiba mais sobre o conhecimento da Kollmorgen em robótica e humanoides e entre em contato conosco para consultar um dos nossos especialistas em robótica. Juntos, podemos dar vida aos robôs humanoides do futuro.

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