Utvecklingen av humanoida robotar börjar med att välja rätt tillverkare av harmoniska växelreducerare

De senaste framstegen inom humanoid robotik är inte resultatet av ett enda tekniskt språng, utan snarare en sammansmältning av mer prisvärd och avancerad hårdvara och mjukvara. Utvecklingen av AI-system, rörelsestyrningssystem och robotkroppar spelar alla avgörande roller i den övergripande utvecklingen av humanoida robotar. Stora aktörer investerar kraftigt, och länder samt branscher ger olika grader av stöd för att främja storskalig implementering. Robotkomponenter såsom harmoniska växelreducerare utvecklas också ständigt och uppnår tekniska genombrott.

Marknadstrender för humanoida robotar

Enligt Bank of America Global Research (B of A Global Research) kommer leveranserna av humanoida robotar att visa stark tillväxt under det kommande decenniet. Denna tillväxt kommer att drivas av ökande slutkundsefterfrågan på grund av en åldrande befolkning och arbetskraftsbrist, förbättringar inom teknik (särskilt AI och rörelsestyrning) och produktdesign, lägre Bill of Materials (BOM)-kostnader samt expansionen av slutanvändningsområden. BofA Global Research är optimistiska när det gäller den långsiktiga efterfrågan på humanoida robotar när de börjar användas i stor skala i hem och inom tjänstesektorn.

B of A Global Research prognostiserar att de globala leveranserna av humanoida robotar kommer att nå 18,000 enheter år 2025. År 2030-35 förväntar de sig att de årliga leveranserna kommer att nå 1 million enheter (vilket motsvarar en ökning med 400,000 enheter jämfört med 2025 års nivåer, och att den kumulativa globala försäljningen når 10 million enheter). Detta motsvarar en Compound Annual Growth Rate (CAGR) på 88% från 2025 till 2035E.

Skillnaden mellan humanoida robotar och industrirobotar

Industrirobotar utför vanligtvis förprogrammerade processer och uppgifter baserade på modulära algoritmer, med fokus på statisk noggrannhet i specifika, standardiserade scenarier. Humanoida robotar måste däremot anpassa sig till mycket osäkra och öppna miljöer, integrera multimodal information från hörsel- och visuella sensorer för att autonomt planera och utföra handlingar. Detta representerar en kombination av tillverkningsteknik och AI-teknik.

Den grundläggande strukturen hos en humanoid robot

Den typiska strukturen hos en humanoid robot kan delas in i tre lager: AI-systemet, rörelsestyrningssystemet och robotkroppen:

System för artificiell intelligens (AI): Humanoidrobotens "hjärna", huvudsakligen sammansatt av AI-chip och algoritmer. Ansvarar för informationsbehandling och beslutsfattande på hög nivå (uppgiftsuppdelning, miljöförståelse, modellresonemang etc.) samt mänsklig interaktion.

Rörelsestyrningssystem: Humanoidrobotens "lillhjärna", som huvudsakligen består av styrenheter och rörelsestyrningsalgoritmer. Ansvarar främst för rörelsekoordinering, kroppsbalance och bananavigering.

Robotkropp: Innehåller kärnhårdvaran för insamling av miljödata och utförande av rörelser, inklusive visionssystemet, sensorsystemet, aktuatorer, fingerfärdiga händer, energisystemet och strukturmaterial.

Styrsystemet i en humanoid robot har två lager:

Systemet för artificiell intelligens hanterar styrning på hög nivå (informationsbehandling, beslutsfattande), med stöd av AI-chip och algoritmer.

Rörelsestyrningssystemet hanterar styrning på låg nivå (rörelsekoordinering, kroppsbalance), med stöd av styrenheter och rörelsestyrningsalgoritmer.

Chip: Chip som används i humanoida robotar inkluderar huvudsakligen processorchip, styrchip och busshanteringschip. Processorchip utgör kärnan i robotens "hjärna" och används främst för modellinferens och beräkning. Den dominerande tekniken för närvarande är en CPU (Central Processing Unit) plus GPU (Graphics Processing Unit)-arkitektur, vilket också är den mest mogna.

Styralgoritm och Embodied AI: Styralgoritmen är kärnan i humanoidrobotens styrsystem och gör det möjligt för roboten att uppfatta sin omgivning, bearbeta stora mängder sensordata, fatta beslut i realtid och utföra handlingar. Traditionella styralgoritmer använder en hierarkisk design mellan AI-systemet ("hjärnan") och rörelsestyrningssystemet ("lillhjärnan").

Omvänt använder vissa ledande företag inom humanoida robotar end-to-end-modeller. Dessa modeller kan generera handlingskommandon direkt från inkommande sensordata (syn, språk, kraft etc.), kringgå komplexa mellanliggande bearbetningssteg, och utförs av ett enda neuralt nätverk. Jämfört med hierarkiska metoder erbjuder end-to-end-modeller starkare generaliseringsförmåga, högre effektivitet och lägre krav på feature engineering. De kräver dock vanligtvis stora mängder träningsdata, vilket kan vara en kortsiktig flaskhals.

Robotaktuator-modul

Drivsystemet är kärnan i rörelsestyrningen hos humanoida robotar. Det inkluderar elektriska, elektrohydrauliska och pneumatiska aktuatorer, som driver eller styr systemkomponenter genom att omvandla energi till fysisk rörelse. Även om elektrohydrauliska aktuatorer erbjuder det högsta utgående vridmomentet, är de dyrare och medför risk för oljeläckage. Pneumatiska aktuatorer är billigare men har lägre precision och utgående kraft. Tack vare hög precision, snabb respons och rimlig kostnad har elektriska aktuatorer blivit det vanligaste valet för humanoida robotar.

Elektriska aktuatorer består av

Servodrivning

Servomotor: Vanligtvis en ramlös vridmomentmotor för utmatning av vridmoment.

Transmissionssystem: Harmoniska/planetväxlar (för roterande aktuatorer) omvandlar vridmoment; planetrullskruvar (för linjära aktuatorer) omvandlar roterande rörelse till linjär rörelse.

Sensorsystem: Kodare och vridmoment/kraftsensorer för insamling av systemdata.

Baserat på funktion kategoriseras elektriska aktuatorer som roterande aktuatorer (för roterande leder som nacke, axel, handled, armbåge) eller linjära aktuatorer (för leder som kräver linjär rörelse såsom armar, anklar, knän).

Fingerfärdiga händer

Fingerfärdiga händer är viktiga ändeffektorer för humanoida robotar för att utföra komplexa och känsliga uppgifter, såsom att plocka upp små föremål och hantera ömtåliga objekt. Nuvarande designer från olika tillverkare sträcker sig från 6 till 42 frihetsgrader (DoF), jämfört med 27 DoF för en mänsklig hand. Generellt kan en design med 6-DoF för fingerfärdiga händer uppnå 60-70% av den mänskliga handens funktionalitet.

Reducerare
En reducerare är en mekanisk anordning som används i humanoida robotar, industrirobotar och verktygsmaskiner för att minska motor/engine-hastigheten och öka utgående vridmoment. De tre huvudtyperna är: planetväxlar, harmoniska växelreducerare och RV (Rotary Vector)-reducerare. För närvarande används i vanliga humanoidrobotdesigner ofta harmoniska växelreducerare eller planetväxlar för roterande aktuatorer.

Planetrullskruvar
Planetrullskruvar är högpresterande mekaniska komponenter som används i linjära aktuatorer för att omvandla det roterande vridmoment som levereras av en servomotor till linjär rörelse. Jämfört med kulskruvar erbjuder de fördelar såsom längre livslängd, högre lastkapacitet, högre transmissionseffektivitet och bättre styvhet. Därför används de i stor utsträckning inom branscher såsom humanoid robotik, flyg- och rymdteknik samt tunga verktygsmaskiner.

Ramlös vridmomentmotor
Den ramlösa vridmomentmotorn är en typ av permanentmagnetmotor. Till skillnad från traditionella motorer består den endast av en rotor och en stator, utan hölje, axel, lager eller återkopplingssystem. Detta eliminerar behovet av mekaniska transmissionsdelar såsom kugghjul eller axlar, och driver lasten direkt via magnetisk kraft. Denna design uppnår hög vridmomenttäthet och prestanda i en kompakt struktur och används ofta i tillämpningar som kräver högt vridmoment och låg hastighet, såsom robotleder, medicinsk utrustning och flyg- och rymdsystem.

Sensorsystem
Sensorsystemet i en humanoid robot samlar in miljödata som skickas till rörelsestyrningsmodulen för att justera robotens rörelser. Det omfattar kameror, LiDAR (Light Detection and Ranging) och olika typer av sensorer. Antalet sensorer kan variera från 30 till över 200, beroende på robotens funktioner.

Visionssystem

Ett komplext, intelligent system som använder flera typer av kameror (stereokameror, Time-of-Flight (ToF)-kameror, strukturerat ljus-kameror) och LiDAR för att fånga visuell information om omgivningen, vilket förbättrar robotens förmåga till perception, navigering och rörelsestyrning.

Kraft- och vridmomentsensorer

Kraftsensorer mäter applicerad kraft eller tryck (huvudsakligen för linjära aktuatorer) och omvandlar detta till en elektrisk signal för mätning, styrning och övervakning. Vridmomentsensorer mäter applicerat vridmoment eller roterande kraft.

Tröghetsmätenhet (IMU)

Mäter robotens acceleration, vinkelhastighet och andra rörelseparametrar, vilket hjälper roboten att känna av sin egen hållning, rörelsetillstånd och att upprätthålla balans. Används också inom konsumentelektronik, fordonsindustrin och flyg- och rymdteknik.

Taktila sensorer

Används vanligtvis i de fingerfärdiga händerna hos humanoida robotar (vanligtvis 10 sensorer per robot, en per finger) för att mäta kraft och tryck mellan sensorn och ett objekt. De efterliknar receptorerna i människans fingrar, en avgörande del av mänsklig hud.

Den harmoniska växelreduceraren spelar en nyckelroll här

Mitt i den explosiva efterfrågan på humanoida robotar dominerar harmoniska växelreducerare tack vare sina fördelar i form av lättviktsdesign och hög vridmomenttäthet, medan planetväxlar kompletterar i tunga applikationer. För närvarande driver två stora tekniska vägar – finstansningsprocesser för flexibla hjul och materialsubstitution för styva hjul – iterativa uppgraderingar inom materialtekniken för reducerare. Långsiktig massproduktion av 10 million humanoida robotar beräknas driva en marknad på ¥19.15 billion för stål till harmoniska växelreducerare, med en potentiell marknad på ¥3.83 billion för tekniksubstitution med finstansat stål/segjärn. Precisionsreducerare är robotarnas kärnkomponenter.

Harmoniska växelreducerare erbjuder betydande fördelar: liten storlek, låg vikt, stort reduktionsförhållande och hög vridmomenttäthet, vilket möjliggör effektiv drift i trånga utrymmen. De bibehåller också god prestanda under specifika förhållanden såsom begränsade utrymmen och miljöer med medelhög strålning. Dessa egenskaper har lett till att de används brett inom mobil robotik. Precisionsplanetväxlar används däremot främst i komponenter med lägre precisionskrav och erbjuder högre styvhet, längre livslängd och relativt lägre kostnad. Därför uppfyller kombinationen av harmoniska växelreducerare och precisionsplanetväxlar i humanoida robotar effektivt behoven för kraftöverföring i olika leder.

Framtiden för humanoida robotar

Ökad efterfrågan på kundanpassning

I takt med att användningsområdena expanderar uppstår nya krav inom olika sektorer. Efterfrågan på kundanpassning ökar. Industriella logistikrobotar, servicerobotar, medicinska rehabiliteringsrobotar, utbildnings-/forskningsrobotar, underhållnings-IP-robotar och specialrobotar har alla olika designkrav. Till exempel måste specialrobotar arbeta i tuffa miljöer, utbildningsrobotar kräver hög kostnadseffektivitet, servicerobotar fokuserar på att uppgradera interaktionsförmågan och logistikrobotar kräver hög rörelseflexibilitet. HONPINE är engagerat i att tillhandahålla lösningar för olika robottillverkare och utvecklare.

Striktare kostnadskontroll

Utvecklingen av humanoida robotar är i grunden en tävling om kapital, som ytterst söker avkastning på stora investeringar. Biltillverkare, företag inom mobila enheter, mjukvaruföretag och andra har anslutit sig till branschen. Konkurrens mellan leverantörer av humanoida robotar kommer att bli normen.

Modularisering och snabb installation

I takt med att robotfunktioner kontinuerligt uppgraderas är förmågan att snabbt montera robotar för att snabbt lansera nya funktioner på marknaden en viktig konkurrensfaktor. Många kunder köper direkt förintegrerade robotledsmoduler. En typisk ledmodul består av en reducerare (vanligtvis en precisionsharmonisk växelreducerare), en drivning, en absolutkodare, en broms, en ramlös vridmomentmotor, en inkrementell kodare och den integrerade ledmonteringen. Att köpa moduler istället för att anskaffa enskilda delar minskar inköpskostnaderna, förkortar installationstiden och påskyndar FoU.

Hur man väljer en leverantör av robotdelar

Att välja en leverantör med starka FoU-kapaciteter är avgörande för effektiv teknisk en-till-en-samverkan. HONPINE tilldelar dedikerad teknisk support till varje kund och erbjuder en-till-en-service från modellval och installationsvägledning efter försäljning ner till detaljer såsom vägledning för fetttätning av harmoniska växelreducerare. Många kunder säger att HONPINE är som deras pålitliga partner. Under hela utvecklingen av humanoida robotar är vi alltid redo att hjälpa till att lösa utmaningar relaterade till precisionstransmission när de uppstår. Detta spelar en nyckelroll för att påskynda utvecklingstidslinjer och minska FoU-kostnader.

HONPINE specialiserar sig på precisionsutrustning för transmission, inklusive harmoniska växelreducerare, planetväxlar, robotledsmoduler, roterande robotaktuatorer och RV-reducerare. Som ett integrerat företag som hanterar försäljning, produktion och FoU har vi tillhandahållit precisionslösningar för transmission till över 200,000 företag sedan 2018. Vi erbjuder en-till-en-vägledning och etablerar dedikerade tekniska kommunikationsgrupper för varje projekt. Effektiv service och kostnadseffektiva produkter är anledningarna till att många kunder väljer oss och upprätthåller långsiktiga partnerskap.