Flerrobotsamarbete: Från intelligens hos enskilda robotar till systemintelligens

Hej, jag heter Allen Li och är grundare av HONPINE.

Under de senaste åren har vi tänkt djupt på en fråga: Vad kommer att definiera nästa utvecklingsfas inom robotteknik? Kommer det att handla om att göra en enskild robot allt mer kapabel, eller om att möjliggöra för flera robotar att arbeta tillsammans som ett intelligent system?

Jag anser att båda riktningarna är viktiga. Intelligensen hos enskilda robotar kommer att fortsätta utvecklas, men när robotar används i allt mer komplexa tillämpningar såsom logistik, tillverkning, byggnation, inspektion, specialiserade arbetsuppgifter, humanoid robotik och intelligent automation finns det tydliga gränser för vad en robot kan åstadkomma på egen hand.

Det som intresserar mig ännu mer är övergången från robotar som arbetar självständigt till robotar som blir sammankopplade systemnoder och kan dela information, fördela uppgifter, samordna rörelser och reagera på förändringar i sin miljö.

Därför tror jag att samarbete mellan flera robotar kommer att bli en av de viktiga riktningarna för robotteknikens framtida utveckling.

Samarbete mellan flera robotar är mer än att bara lägga till fler robotar

När människor först tänker på ett system med flera robotar är det naturligt att anta att om en robot kan utföra en uppgift, bör tio robotar kunna utföra tio gånger så många uppgifter.

I praktiken är det betydligt mer komplicerat.

När en enskild robot arbetar självständigt är den grundläggande frågan vanligtvis: ”Hur kan jag slutföra min uppgift?”

När flera robotar arbetar i samma miljö blir frågan mycket svårare: ”Hur kan vi slutföra våra uppgifter tillsammans utan att störa varandra?”

Tänk på ett automatiserat lager där flera AGV:er transporterar material samtidigt. Om två mobila robotar närmar sig en smal passage samtidigt, vilken robot ska ha företräde? Om flera robotar är tillgängliga för samma uppgift, vilken ska väljas? Om roboten som befinner sig närmast uppgiften plötsligt slutar fungera, vilken robot ska ta över? Om flera robotar behöver gå in i samma arbetsområde, hur bör åtkomst och rörelse samordnas?

Detta är inte längre enbart problem med rörelsestyrning för en enskild robot. Det är problem med samordning och organisering på systemnivå.

Ett framgångsrikt flerrobotsystem kräver därför mer än ytterligare maskiner. Robotarna behöver en gemensam förståelse för sin egen status, andra robotars status, de uppgifter som utförs och de åtgärder som kan ske härnäst.

I en typisk ROS2-arkitektur för flera robotar samverkar distribuerad kommunikation, hantering av namnrymder, uppgiftsfördelning, formationsstyrning, tillståndssynkronisering och kollisionsundvikande för att skapa grunden för samordnad robotdrift.

Detta leder mig till en viktig slutsats: Robotteknikens framtida konkurrenskraft kommer inte bara att bero på hur kapabel en enskild robot är, utan även på hur effektivt ett helt robotsystem kan arbeta tillsammans.

Från intelligens hos en enskild robot till systemintelligens

Jag anser att detta innebär en viktig övergång för robotindustrin.

Traditionellt fokuserar vi, när vi utvärderar en robot, på parametrar som nyttolast, positioneringsnoggrannhet, hastighet, repeterbarhet, ledmoment, styvhet och tillförlitlighet. Dessa specifikationer kommer att förbli grundläggande.

När robotar däremot börjar arbeta som samordnade system behöver vi ställa en bredare uppsättning frågor.

Kan en robot kontinuerligt förstå var andra robotar befinner sig? Kan den veta vilka uppgifter andra robotar utför? Kan den dela sin egen driftstatus i realtid? Kan den identifiera onormala förhållanden innan de leder till fel? Kan systemet snabbt omfördela uppgifter när driftförhållandena ändras? Vad händer om kommunikationen avbryts eller en robot blir otillgänglig?

Dessa frågor visar på en grundläggande förändring i robotarkitekturen.

En robot är inte längre bara en maskin som utför en fördefinierad uppgift. Den blir en nätverksansluten, tillståndsmedveten och samverkande intelligent nod.

Utvecklingen av flerrobotsystem omfattar redan distribuerad kommunikation, uppgiftsfördelning, tillståndssynkronisering, formationsstyrning och kollisionsundvikande. När dessa tekniker mognar kommer gränsen mellan den enskilda roboten och det större robotsystemet att bli allt mer sammankopplad.

Detta får mig att tänka på en annan fråga som är särskilt viktig för oss på HONPINE:

Om robotarnas intelligens flyttas upp till systemnivån, vad bör då hända med de leder som fysiskt skapar robotens rörelse?

Robotleder bör bli mer än robotens ”muskler”

Detta är en av frågorna som vi har utforskat på HONPINE.

I den traditionella definitionen av en robotled är huvudansvaret enkelt: att omvandla rörelsekommandot från styrenheten till mekanisk rörelse.

En typisk integrerad robotledsmodul kan därför bestå av en precisionsväxel, motor, encoder, broms och drivsystem. Denna arkitektur har visat sig vara mycket effektiv för konventionella industrirobotar.

Men jag tror att framtidens robotar kommer att behöva något mer.

Om en robot förväntas delta i samarbete mellan flera robotar kan dess leder inte enbart veta hur mycket de har beordrats att rotera. De behöver också förstå sitt eget driftstillstånd.

Vad är den faktiska utgående positionen? Vad är den aktuella hastigheten? Vilken last bär leden? Ligger temperaturen inom ett säkert intervall? Fungerar kommunikationslänken korrekt? Fungerar bromsen normalt? Finns det en onormal skillnad mellan positionen på motorsidan och utgångssidan? Upplever leden ett onormalt vridmoment eller ett överlasttillstånd?

När denna information kontinuerligt kan samlas in och överföras till robotens styrsystem blir leden mer än ett passivt ställdon.

Den blir en viktig källa till information om robotens rörelsetillstånd.

Så här förstår jag nästa generation av intelligenta robotleder.

Varför dubbla encodrar blir allt viktigare

Detta är också anledningen till att HONPINE lägger stor vikt vid teknik med dubbla encodrar.

I en konventionell konfiguration med en encoder kan systemet få återkoppling från motorsidan. Robotens faktiska mekaniska rörelse sker dock på reduktionsmekanismens utgångssida.

Mängden motorrotation representerar inte nödvändigtvis den exakta rörelse som sker vid den slutliga utgången.

Av denna anledning kan encodrar på motor- och utgångssidan fylla olika men kompletterande funktioner.

Encodern på motorsidan kan ge återkoppling för motorkommutering, hastighetsreglering och motorposition. Encodern på utgångssidan kan direkt mäta robotledens faktiska position efter transmissionssteget.

I takt med att robotar ställer högre krav på rörelsenoggrannhet, dynamisk respons och tillståndsövervakning blir återkoppling från utgångssidan allt mer värdefull.

För samarbete mellan flera robotar blir detta ännu viktigare. Om varje led noggrant kan fastställa sitt eget faktiska rörelsetillstånd kan robotstyrenheten bygga en mer tillförlitlig realtidsmodell av roboten.

Ur detta perspektiv är dubbla encodrar inte bara ett sätt att förbättra ledens positioneringsnoggrannhet. De ger en mer fullständig återkopplingsmekanism för att förstå robotens faktiska rörelsetillstånd.

Från positionsåterkoppling till vridmoments- och kraftavkänning

Att veta var en led är positionerad räcker dock inte för många framtida robottillämpningar.

För samarbetsrobotar, humanoida robotar, kraftstyrda system och manipulation med flera robotar blir en annan fråga avgörande:

Hur mycket kraft eller vridmoment utsätts roboten för?

Tänk på två robotar som arbetar tillsammans för att bära samma föremål. Om varje robot endast känner till sin egen position men saknar information om den kraft eller det vridmoment som appliceras på föremålet blir det mycket svårare att upprätthålla stabil och samordnad rörelse.

Humanoida robotar står inför en liknande utmaning när de interagerar fysiskt med människor eller sin omgivning. Positionsinformation ensam kan inte fullständigt beskriva samspelet mellan roboten och omvärlden.

Därför anser jag att utvecklingen av robotledsmoduler gradvis kommer att gå från positionsåterkoppling till en kombination av positions-, vridmoments-, kraft- och heltäckande information om ledens tillstånd.

Frågan är inte längre bara huruvida en led kan röra sig exakt. Vi behöver också förstå om leden kan känna av vad som händer under rörelsen med hög precision.

För HONPINE gör detta integrerade robotleder med vridmomentsavkänning till ett viktigt område för fortsatt forskning och utveckling.

Robotleder blir nätverksanslutna rörelsenoder

En annan viktig trend är robotledernas ökande uppkoppling.

I traditionella robotarkitekturer kan relationen mellan styrenheten och leden vara relativt enkel: styrenheten skickar ett kommando och leden utför det.

Framtida robotsystem kommer sannolikt att kräva en mycket mer omfattande interaktion.

Varje led kan bli en nod i robotens realtidsstyrningsnätverk. Den kan ta emot rörelsekommandon och samtidigt rapportera information såsom position, hastighet, vridmoment, temperatur, ström, felstatus, bromsstatus och säkerhetsstatus.

Detta koncept passar naturligt ihop med utvecklingen av distribuerade flerrobotsystem, där realtidskommunikation och tillståndssynkronisering är avgörande för samordnad drift.

Ur HONPINE:s perspektiv innebär detta att utvecklingen av en robotledsmodul inte enbart kan fokusera på mekanisk prestanda.

Vi behöver beakta den kompletta arkitekturen för mekanisk transmission, elektrisk integration, avkänning, kommunikation och säkerhet.

Precisionsväxeln förblir grundläggande, men värdet hos den kompletta leden kommer i allt högre grad från hur effektivt dessa tekniker samverkar.

Säkerhet kommer att bli en grundläggande förmåga hos intelligenta robotleder

När robotar kommer närmare människor blir säkerheten allt viktigare.

Detta gäller särskilt samarbetsrobotar, humanoida robotar, mobila robotar, ingenjörsrobotar och andra system som arbetar i dynamiska miljöer. Ett fel i en led kan påverka inte bara roboten själv utan även driften av hela robotsystemet.

Framtida robotledsmoduler behöver därför mer heltäckande säkerhetsmekanismer, inklusive överströmsskydd, övertemperaturskydd, detektering av encoderfel, övervakning av positionsavvikelse, detektering av onormalt vridmoment, detektering av kommunikationsfel och säker vridmomentsstyrning.

Till exempel integrerar HONPINE:sHAG-serie STO (Safe Torque Off) som en del av sin säkerhetsarkitektur, utöver bromsfunktionalitet.

En broms och STO fyller olika syften. En broms kan bidra till att bibehålla en leds mekaniska position under särskilda förhållanden, medan STO tillhandahåller en säkerhetsfunktion på drivenhetsnivå som hindrar motorn från att generera vridmoment.

Ur mitt perspektiv bör dessa funktioner inte ses som ersättningar för varandra. De kan utgöra kompletterande lager i en mer heltäckande säkerhetsarkitektur för robotar.

Jag tror att säkerhetsfunktioner gradvis kommer att gå från att vara valfria funktioner till att bli grundläggande förmågor hos intelligenta robotleder.

Varför HONPINE omprövar robotledsmodulen

När vi sammanför alla dessa utvecklingar blir det tydligt att framtidens robotled sannolikt kommer att vara mycket mer än en kombination av en harmonisk växel, motor, encoder och broms.

En avancerad integrerad robotled kan kombinera precisionstransmission, motorteknik, återkoppling med dubbla encodrar, vridmomentsavkänning, integrerad drivelektronik, realtidskommunikation, säkerhetsfunktioner och övervakning av ledens tillstånd i en kompakt arkitektur.

Ännu viktigare är att dessa funktioner inte bör finnas som isolerade komponenter. De behöver fungera tillsammans som en integrerad intelligent rörelsenod.

Detta är en viktig riktning förHONPINE:s robotledsmodulinom forskning och utveckling.

Vi är inte bara intresserade av att göra robotleder mindre, lättare eller kapabla till högre vridmoment. Dessa är fortfarande viktiga tekniska mål, men de utgör inte hela bilden.

Vi frågar oss också hur en robotled kan tillhandahålla mer kompletta förmågor för avkänning av rörelsetillstånd, kommunikation, säkerhet och utförande.

Det är detta som jag anser kommer att skilja nästa generation av intelligenta ställdon från konventionella robotställdon.

HONPINE:s riktning för nästa generation av robotledsmoduler

Ur ett produkt- och teknikperspektiv anser jag att HONPINE bör utveckla flera kompletterande robotledsplattformar för olika robottillämpningar.

HPJM: Robotleder med hög tillförlitlighet och högt vridmoment

HPJM är positionerad för tillämpningar där högt vridmoment, styvhet, tillförlitlighet och långsiktig stabilitet är avgörande.

Industrirobotar, ingenjörsrobotar, mobila robotar och tunga robotsystem kräver ofta mer än positioneringsnoggrannhet. Deras ledmoduler måste tåla krävande belastningar samtidigt som de bibehåller tillförlitlig rörelseprestanda under långa driftperioder.

För dessa tillämpningar förblir utvecklingsprioriteringarna högt vridmoment, hög styvhet, precisionstransmission och hög tillförlitlighet.

HAG: Integrerad drivning, säkerhet och kommunikation

HAG representerar en annan riktning mot en mer högintegrerad intelligent robotled.

Genom att integrera precisionsväxeln, motor, encodrar, drivelektronik, kommunikationsgränssnitt och säkerhetsfunktioner i en kompakt ledarkitektur kan vi minska komplexiteten i systemintegrationen och göra leden enklare att integrera i kompletta robotplattformar.

Denna arkitektur är särskilt relevant för humanoida robotar, samarbetsrobotar, mobila robotar och andra tillämpningar där utrymme, kablage, systemintegration och distribuerad styrning är viktiga faktorer.

TCHL: Robotleder för kraftstyrning och dynamisk interaktion

För samarbetsrobotar, humanoida robotar och robotsystem som kräver kontrollerad fysisk interaktion blir vridmomentsinformation allt viktigare.

Integrerad vridmomentsavkänning gör det möjligt för roboten att förstå inte bara sina leders position och rörelse, utan även de krafter och vridmoment som är kopplade till dessa rörelser.

Enligt min uppfattning är frågan för en framtida robotled inte längre bara:

Kan denna led röra sig exakt?

Den är också:

Kan denna led exakt förstå vad den utsätts för medan den rör sig?

Därför kommer robotleder med vridmomentsavkänning att vara en viktig del av HONPINE:s framtida tekniska färdplan.

Den verkliga möjligheten är ledintelligens

Om jag skulle sammanfatta HONPINE:s syn på nästa generation av robotledsmoduler skulle jag inte fokusera på en enskild hårdvaruspecifikation.

Det koncept som jag anser förtjänar mest uppmärksamhet är ledintelligens.

En intelligent robotled bör kunna övervaka sitt eget driftstillstånd och tillhandahålla användbar information till robotstyrenheten.

Den bör till exempel kunna identifiera onormala temperaturförhållanden, känna igen ovanliga skillnader mellan encoderåterkoppling från motor- och utgångssidan, upptäcka onormalt vridmoment, reagera på lämpligt sätt vid kommunikationsavbrott och vid behov övergå till ett fördefinierat säkert tillstånd.

När driftdata ackumuleras kan leden även stödja hälsoövervakning och tidig feldetektering.

Med andra ord bör leden utvecklas från att enbart utföra kommandon till en mer komplett förmåga som omfattar avkänning, övervakning, återkoppling, skydd och rörelseutförande.

Det är här jag anser att intelligenta ställdon kommer att skapa betydande värde för framtida robotsystem.

Vad händer med robotledsmoduler i eran av samarbete mellan flera robotar?

Låt oss återvända till frågan vi började med.

Varför kommer samarbete mellan flera robotar att bli allt viktigare?

Eftersom robotar gradvis utvecklas från självständiga maskiner till sammankopplade system som kan dela information, fördela uppgifter, samordna rörelser och gemensamt reagera på förändrade förhållanden.

I detta system ansvarar mjukvara på högre nivå för uppgiftsplanering, vägplanering, uppgiftsfördelning, robotsamordning och beslutsfattande på systemnivå.

Robotleden ansvarar för att omvandla dessa beslut till exakta, tillförlitliga och säkra fysiska rörelser.

Detta gör robotledsmodulen till ett avgörande gränssnitt mellan robotintelligens och robotrörelse.

I takt med att robotarkitekturer utvecklas kan systemet på överordnad nivå bli allt mer intelligent, medan leden behöver tillhandahålla allt mer exakt avkänning, kommunikation, säkerhet och rörelseutförande.

Leden blir därför en viktig del av robotens intelligenta rörelselager.

HONPINE bör inte bara bygga en bättre växel

Detta är en av frågorna som jag ofta överväger som grundare av HONPINE.

Om vi definierar oss själva enbart som en växeltillverkare fokuserar vår forskning och utveckling naturligt på transmissionseffektivitet, noggrannhet, livslängd, vridmomentskapacitet, styvhet, storlek och vikt.

Detta är grundläggande tekniker, och HONPINE kommer att fortsätta investera i dem.

När jag däremot ser på robotteknikens bredare utveckling anser jag att vår ambition bör sträcka sig längre.

Vi bör fortsätta utvecklas från precisionsväxlar till ställdon, från ställdon till integrerade robotledsmoduler och från integrerade ledmoduler till intelligenta rörelsenoder.

Detta handlar inte bara om att lägga till fler produkter i vår portfölj.

Det innebär en förändring i hur vi förstår rollen för centrala rörelsekomponenter inom robotteknik.

En harmonisk precisionsväxel utgör grunden för exakt transmission.

Ett integrerat ställdon kombinerar transmissions- och motorteknik.

En intelligent robotled tillför avkänning, styrning, kommunikation och säkerhet.

Tillsammans kan dessa tekniker skapa ett avgörande rörelselager mellan robotens intelligens och dess fysiska interaktion med den verkliga världen.

Framtidens robot kanske inte bara är en robot

Jag anser att robotindustrin rör sig mot en betydande strukturell förändring.

Tidigare talade vi främst om vad en robot kunde göra.

I framtiden kan vi allt oftare komma att tala om vad ett robotsystem kan åstadkomma.

Vi brukade fokusera på hur kapabel en enskild robot kunde bli.

Nästa fråga är hur flera robotar kan samarbeta för att utföra uppgifter som skulle vara svåra eller omöjliga för en enskild maskin.

När robottekniken går från enskilda maskiner mot samordnade system och från intelligens hos en enskild robot till systemintelligens måste robotledsmoduler också utvecklas.

De kan inte förbli enbart robotens mekaniska ”muskler”.

De behöver bli intelligenta rörelsekomponenter som kan känna av driftförhållanden, utföra exakta rörelser, kommunicera med robotens styrsystem och bidra till systemets övergripande säkerhet och tillförlitlighet.

Detta är den riktning som jag anser att HONPINE bör fortsätta investera i.

Vårt mål är inte bara att tillverka en bättre harmonisk växel eller en robotled med högre prestanda.

Vi vill bidra till att bygga det intelligenta rörelselagret för framtidens robotar.

Så ser jag HONPINE:s roll i nästa fas av robottekniken.

Driver framtidens intelligenta automation.

— Allen Li

Grundare, HONPINE