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Três dicas para acelerar o desenvolvimento de humanoides - do conceito ao protótipo e a produção

Robôs humanoides se tornarão uma oportunidade de mais de US$ 6 bilhões nos próximos 10 a 15 anos.1 Muitos laboratórios, institutos de pesquisa e startups já perceberam isso e estão correndo para desenvolver conceitos e protótipos antes de seus concorrentes. Mas a meta, é claro, deve ser a de projetar e criar um robô que possa ser rapidamente fabricado e liberado para comercialização, um humanoide que os clientes vão adotar.

Na falta dos recursos de desenvolvimento e fabricação disponíveis para empresas de robótica bem estabelecidas, as equipes de design que muitas vezes nascem em instituições acadêmicas começam resolvendo os desafios que entendem melhor. No caso de motion robótico, significa começar com um conceito de atuadores que controlem o movimento das juntas robóticas.

O conceito de atuador pode começar com uma tese de um PhD, por exemplo, e o objetivo inicial é para fazer com que um único eixo funcione de acordo com uma determinada especificação. No entanto, os robôs humanoides podem incorporar facilmente 40 ou mais juntas diferentes com diferentes requisitos de movimento, desde tornozelos, joelhos e quadris, que devem suportar e equilibrar todo o peso do robô, até ombros, cotovelos e pulsos, que devem manipular cargas com precisão em uma ampla variedade de movimentos.

Passar de um conceito inicial de eixo único para um protótipo funcional de vários eixos requer atuadores projetados e dimensionados para atender aos diversos requisitos de todas as juntas do humanoide. Alcançar esta integração em larga escala com base no conceito inicial do atuador é um grande obstáculo para chegar a um humanoide fácil de ser fabricado e comercializado.

A Kollmorgen tem uma extensa experiência em ajudar engenheiros de robótica a levar seus conceitos do projeto a um produto que seja comercializado com sucesso. As três dicas a seguir ajudarão você a criar um humanoide bem integrado e altamente proficiente.

1: Simplificar desde o princípio

Os atuadores, por todo o robô humanoide, devem atender a objetivos diferentes, portanto, o desafio é simplificar o design como um todo. Muitas equipes de engenharia começam projetando e otimizando um único atuador, mas, mais cedo ou mais tarde, terão que travar uma batalha para descobrir como fazer o conceito completo do robô funcionar harmonicamente.

Normalmente, é necessário passar da fase de P&D para uma fase de investimento, para atrair o capital de risco que poderá tornar a empresa autossuficiente. Podem ser necessárias várias iterações de protótipo para obter um robô que funcione da maneira ideal. Quando o projeto é finalizado, a solução precisa escalar para ser oferecida ao mercado, seja para venda ou como serviço.

É nesta fase de formação de produto que as empresas costumam descobrir o risco oculto no processo de desenvolvimento: um robô que funciona bem em protótipo, mas é difícil ou caro para ser fabricado em escala. Os humanoides são tão complexos, com tantas partes móveis que é fácil negligenciar a capacidade de fabricação durante a fase de projeto. Descobrir problemas de fabricação tarde demais significa um redesenho caro ou ter que avançar com um robô cuja fabricação é excessivamente cara e pode não ser aceito pelo mercado.

Para minimizar esse risco, recomendamos começar com um conjunto de projetos de atuadores que compartilhem uma arquitetura básica comum, mas com flexibilidade de ser escalada em tamanho e torque para atender às necessidades das diferentes juntas por todo o corpo do humanoide. O atuador que você aperfeiçoa na fase de P&D pode funcionar bem para uma determinada junta de braço ou perna, mas pode ser muito volumoso, pesado ou caro para funcionar bem em outras juntas no projeto completo do robô.

Para controlar os custos e garantir a capacidade de fabricação, deve-se usar elementos de design comuns nas juntas que tem funções semelhantes, como atuação rotativa ou linear, simultaneamente garantindo que o projeto possa ter o tamanho ampliado ou reduzido conforme a necessidade. Ao adotar uma abordagem sistêmica total desde o início, você simplifica a integração de motores e outros componentes de junta no projeto do robô transformado em produto.

2: Escolher projetos de engrenagens e motores que atendam às necessidades da maioria ou de todas as juntas

No movimento humano, joelhos, quadris, ombros, cotovelos e muitas outras articulações trabalham juntos em uma coordenação altamente dinâmica. Para simular essas capacidades, um robô humanoide pode exigir 40 graus de liberdade ou até mais. Sua equipe de engenharia deve modelar cada um desses eixos para entender os requisitos exatos de torque na saída de cada redutor.

Com base nessa análise, você poderá especificar a relação de transmissão mais adequada para cada junta. Acreditamos que é essencial basear o design do motor no projeto da transmissão, e não o contrário. Para a maioria das juntas de robôs humanoides, a engrenagem harmônica, também conhecida como engrenagem de onda de deformação, permitirá uma junta mais leve e compacta, com folga zero – considerações cruciais para otimizar o tamanho geral e a precisão do seu robô.

As caixas de engrenagens harmônicas normalmente fornecem uma taxa de redução de engrenagem na faixa de 80:1 a 180:1. Para que os humanoides mantenham o equilíbrio e façam um trabalho eficaz em um ambiente imprevisível, eles precisam de juntas que possam acelerar/desacelerar de forma relativamente rápida. Para isso, será necessário equipar os conjuntos de engrenagens com motores que possam fornecer torque consistente em uma ampla faixa de velocidade, incluindo velocidades na faixa de 2.000 rpm ou superiores.

Para controlar custos e garantir a capacidade de fabricação, procure engrenagens harmônicas disponíveis no mercado em tamanhos que atendam aos requisitos do maior número possível de juntas rotativas. Em seguida, procure um projeto de motor escalável e que funcione para atender aos requisitos de diâmetro, velocidade e torque de saída identificados para cada uma das caixas de engrenagens harmônicas selecionadas.

3: Confiar nos servomotores sem carcaça TBM2G da Kollmorgen para simplificar a integração

Praticamente todos os servomotores sem carcaça do mercado hoje são projetados para outras finalidades que não as juntas robóticas. Por exemplo, os motores projetados para drones fornecem torque ótimo somente em uma faixa de velocidade estreita. Os motores TBM2G da Kollmorgen são diferentes. Eles são projetados especialmente para robôs.

Os motores TBM2G são dimensionados para ser integrados com facilidade na engrenagem harmônica amplamente disponível mais adequada para uso em juntas robóticas. E estão disponíveis numa diversidade completa de tamanhos para se adaptarem a praticamente todas as juntas humanoides, que vão, por exemplo, desde juntas maiores, como dos quadris e dos joelhos, até ombros, cotovelos e pulsos, que são mais compactos. Embora a maioria dos motores sem carcaça esteja disponível em apenas dois ou três tamanhos de carcaça, os motores TBM2G oferecem sete diâmetros diferentes, que variam de 50 mm a 115 mm, e três comprimentos de pilha de 8 mm, 13 mm e 26 mm, um total de 21 tamanhos.

Esses motores também são projetados para fornecer torque consistente em toda a faixa de velocidade, atendendo aos requisitos de movimento excepcionalmente dinâmicos que diferenciam os humanoides de muitas outras aplicações robóticas. E fornecem desempenho excepcional operando a uma temperatura máxima do enrolamento de apenas 85 °C. Outros motores da mesma classe só oferecem desempenho total quando operam a temperaturas de até 155 °C, uma temperatura que pode degradar rapidamente os lubrificantes de engrenagens e afetar a confiabilidade dos componentes eletrônicos de feedback.

Dica bônus: Colaborar com um especialista

A Kollmorgen é mais do que um fornecedor de motion. Com centenas de anos de experiência coletiva e milhares de aplicações bem-sucedidas, temos o compromisso de ajudar os engenheiros de robótica a serem bem-sucedidos. Sabemos o que o movimento robótico exige, desde cobots industriais de alta produtividade, passando por robôs cirúrgicos precisos e delicados, até a crescente geração de robôs humanoides que prometem liberar os humanos de tarefas repetitivas, árduas e por vezes perigosas, ao mesmo tempo que alcançam maior produtividade e novas possibilidades.

Pronto para dar vida ao seu conceito de robô humanoide? Entre em contato conosco em https://www.kollmorgen.com/pt-br/service-and-support/contato para tratar das suas necessidades e objetivos com um especialista da Kollmorgen em robótica.

1. Robôs Humanoides: Mais próximos do que você imagina, Goldman Sachs, 15 de novembro de 2022

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