Выбор типа привода определяет эффективность человекоподобных роботов
Революция в робототехнике стремительно набирает обороты и человекоподобные роботы все чаще готовы выполнять реальные рабочие задачи в таких разных отраслях, как логистика, строительство, лесозаготовка и тяжелое производство. Но один аспект по-прежнему имеет решающее значение для их успеха — технология приводов.
Приводы обеспечивают способность человекоподобных роботов двигаться, поднимать предметы и надежно взаимодействовать со сложным окружением. Выбор приводов — механических соединений, приводимых в действие электричеством или гидравликой — должен основываться на конкретных условиях эксплуатации робота.
Проектирование начинается с условий эксплуатации
В основе выбора приводов лежит определение условий эксплуатации — расчет того, какую силу или крутящий момент должен обеспечивать сустав робота, при каких условиях, с какой точностью и долговечностью. Проектные решения, принятые без учета этого основополагающего фактора, могут привести к чрезмерным затратам, неэффективности или сбоям в критически важных системах.
Сценарии использования могут быть самыми разными: от деликатных задач, таких как перемещение хрупких посылок, до “тяжелых” движений, требующих постоянного высокого крутящего момента, ударопрочности и прочности в основных суставах, таких как бедра, плечи и колени. Будущее человекоподобной робототехники будет зависеть от мощности исполнительных двигателей.
Электромеханические шарниры: точность и бережное взаимодействие
Электромеханические приводы (как правило, бесщеточные двигатели постоянного тока с прецизионными шестернями или электрические линейные приводы) отлично подходят для задач, требующих точного позиционирования, рекуперации энергии и бережного взаимодействия человека с роботом. Они хорошо подходят для задач, связанных с нагрузками от легких до умеренных – обычно до нескольких десятков килограммов на шарнир в зависимости от конструкции и рабочего цикла. Благодаря присущей им точности они идеально подходят для позиционирования и робототехники, требующей энергоэффективности, поскольку позволяют рекуперировать энергию во время движения.
Кроме того, электромеханические соединения обеспечивают чистоту и бесшумность работы и идеально подходят для условий, в которых приоритетом является минимальное техническое обслуживание. Однако их основные недостатки проявляются при высоких требованиях к крутящему моменту или в случаях, когда решающее значение имеют постоянная сила и устойчивость к ударам, особенно в соединениях, несущих большие нагрузки.
Гидравлические и электрогидростатические приводы: мощность и надежность
Гидравлические приводы уже давно ценятся за исключительную удельную мощность и надежность. Она превосходит электромеханические решения по созданию компактных шарниров с большим усилием, необходимым для основных тяжело нагружаемых частей гуманоидных роботов — бедер, плеч и коленей.
Когда груз расположен неудобно, смещен от центра тела робота или требует постоянного высокого крутящего момента и амортизации – без гидравлики не обойтись – она обеспечивает “компактную” мощность и контроль, необходимые для работы с высокими нагрузками.
Электрогидростатические приводы (ЭГСП) представляют собой передовую гидравлическую технологию, сочетающую в себе преимущества гидравлических систем с точки зрения мощности с эффективностью и управляемостью электроприводов. ЭГСП объединяют насос и привод в замкнутый гидравлический контур на каждом соединении, обеспечивая локальную и эффективную подачу гидравлической энергии без громоздкости и сложности централизованных гидравлических систем. Это делает их более компактными, экологичными и простыми в управлении, сохраняя при этом отказоустойчивость и высокую удельную мощность. Пользователи могут избежать резкого увеличения затрат из-за незапланированных простоев гидравлических систем и обеспечить бесперебойную работу.
Интеллектуальная цифровая гидравлика: недостающее звено
Интеллектуальная цифровая гидравлика объединяет в себе сложные датчики, встроенную управляющую электронику и программно-определяемые характеристики для создания исполнительных механизмов, которые могут делать гораздо больше, чем просто приводить в движение конечности. Они служат важнейшим интерфейсом, преобразующим высокоуровневое планирование искусственного интеллекта в точное, адаптивное физическое исполнение в реальном мире — зачастую хаотичном и динамичном.
Интеллектуальные цифровые гидравлические компоненты со встроенными датчиками положения, давления, температуры и нагрузки предоставляют данные с обратной связью для управления в режиме реального времени, профилактического обслуживания и повышения уровня безопасности. Эта цифровая система позволяет исполнительным механизмам динамически регулировать производительность, оптимизировать энергопотребление, мгновенно реагировать на сбои и обеспечивать безопасность в условиях совместной работы людей и роботов.
Энергия и стоимость: баланс производительности и совокупной стоимости применения
При выборе привода необходимо тщательно проанализировать энергоэффективность, рабочие циклы, терморегулирование, сложность системы и совокупную стоимость владения в сравнении с первоначальными капитальными затратами. Хотя электромеханические соединения часто имеют более низкую первоначальную стоимость и проще интегрируются в систему, их преимущество в плане технического обслуживания проявляется в основном в менее нагруженных или высокоточных системах. При постоянных высоких нагрузках они могут требовать более частого обслуживания или сталкиваться с ограничениями по температуре.
Гидравлические и электрогидростатические системы, как правило, обеспечивают более высокую удельную мощность и непрерывную подачу усилия, но требуют более высоких первоначальных затрат и более сложного управления энергопотреблением. Однако такие инновации, как интеллектуальные силовые агрегаты, компактные сервопропорциональные клапаны и встроенное программное обеспечение для управления — области, в которых постоянно повышается энергоэффективность и снижаются затраты на техническое обслуживание, а также уменьшается долгосрочная нагрузку на владельца.
Оставайтесь на месте, тратьте меньше
Гидравлические и электрогидростатические (ЭГ) приводные системы также обладают еще одним важным преимуществом: они могут удерживать груз или фиксировать положение без постоянного энергопотребления. Обычные электрические приводы, напротив, должны постоянно подавать ток для создания удерживающего момента во время статических операций — например, когда рука робота-гуманоида удерживает объект неподвижно. Постоянное потребление энергии приводит к потерям на сопротивление и нагреву, что снижает эффективность и ограничивает возможность длительного использования. Механические тормоза могут помочь, но они увеличивают вес, габариты и усложняют конструкцию.
Гидравлические системы и системы с электрогидравлическим приводом, естественно, лишены этих недостатков благодаря использованию гидравлической энергии. Благодаря практически несжимаемости гидравлической жидкости и использованию обратных клапанов привод фиксируется в заданном положении. В этом состоянии система остается под давлением, и для компенсации небольших внутренних утечек требуется минимальная энергия. Энергия расходуется только во время движения или регулировки давления, что соответствует принципу «энергия по требованию» и обеспечивает гораздо более высокую эффективность по сравнению с чисто электромеханическими приводами.
При использовании в человекоподобных роботах эти показатели эффективности увеличиваются. Снижение постоянного потребления электроэнергии уменьшает выделение тепла, потребность в охлаждении и энергопотребление. В результате увеличивается время автономной работы, снижается потребность в аккумуляторах, а сами системы становятся легче и экономичнее. Это делает шарниры на основе ЭГСП идеальными для задач, требующих частого статического удержания или контроля баланса.
Архитектурные решения: централизованная или децентрализованная гидравлика в роботах
Еще одно важное решение — использовать централизованную гидравлическую систему, которая подает энергию через распределительные линии к нескольким сочленениям, или децентрализованные гидроагрегаты, установленные непосредственно на каждом сочленении. Централизованная гидравлика по-прежнему выгодна, когда требуется очень высокая скорость потока или давление, а также когда использование общих компонентов снижает вес и стоимость.
Однако децентрализованные архитектуры с энергонезависимыми модулями памяти обладают преимуществами в виде модульности, снижения сложности подключения, локальной отказоустойчивости и повышенной динамической адаптивности. Децентрализация также обеспечивает более тесную интеграцию датчиков и систем управления, что крайне важно для современных робототехнических систем, требующих высокой надежности и производительности на уровне сочленений.
Сервопропорциональные клапаны, интеллектуальные силовые блоки и гидростатические приводные системы – поддерживают оба подхода, предоставляя разработчикам роботов возможность гибко оптимизировать архитектуру в зависимости от конкретных сценариев использования и приоритетов в отношении производительности.
Удовлетворение любопытства и преодоление скептицизма в отрасли
Сообщество робототехников, естественно, проявляет любопытство и иногда скептически относится к достижениям в области гидравлических и гибридных приводов. Важно понимать, что интеллектуальная цифровая гидравлика и передовые технологии сервоклапанов уже хорошо зарекомендовали себя, полностью готовы к использованию и применяются в таких отраслях, как робототехника, деревообработка, испытания и аэрокосмическая промышленность. Проблемы, связанные со сложностью и стоимостью, активно решаются с помощью встроенной электроники, аддитивного производства и искусственного интеллекта. Эта эволюция указывает на то, что в будущем человекоподобные роботы не будут ограничены приводными технологиями, а, наоборот, будут использовать их возможности, открывая новые горизонты в плане силы, точности, безопасности и эффективности.
Приглашение к совместным инновациям
Будущее человекоподобных роботов уже наступило, и оно строится на продуманном выборе приводов, соответствующих реальным нагрузкам. При разработке электромеханических прецизионных манипуляторов или компактных гидравлических шарниров с высоким усилием команды робототехников сталкиваются с целым рядом возможностей и проблем.
Мы приглашаем основателей робототехнических компаний, инженеров, руководителей научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также конечных пользователей к непосредственному участию. Инженеры Гидро-Тест готовы решать самые сложные проблемы, как текущие, так и ожидаемые. Благодаря сотрудничеству и экспертным знаниям мы предлагаем индивидуальную поддержку для решения проблем и ускорения внедрения человекоподобных роботов нового поколения, которые способны произвести революцию в различных отраслях.
Будущее человекоподобных роботов уже наступило. Они мощные, точные, умные и готовы приступить к работе.
Источник материала: domin.com