Roboty humanoidalne stanowią łącznik między sztuczną inteligencją a prawdziwym, fizycznym światem. Potrafią nie tylko przetwarzać cyfrowe informacje, ale też przekształcać je w konkretne działania. Jeśli sekwencja ruchów jest wykonywana płynnie i bezpiecznie, są w stanie realizować szereg zadań, które wcześniej były zarezerwowane dla ludzi – m.in. w niebezpiecznych środowiskach, w bezpośrednim kontakcie z pracownikami lub w ramach powtarzających się procesów. Pomagają w gospodarstwach domowych, zapewniają wsparcie podczas rehabilitacji, wchodzą w interakcje z osobami starszymi i są wykorzystywane w handlu detalicznym. Ich siła wynika z uniwersalności i zdolności przystosowania do ludzkich środowisk.
Warunkiem koniecznym dla niezawodnej funkcjonalności robota humanoidalnego jest złożona interakcja między precyzyjną mechaniką a wysokowydajną technologią napędów. To właśnie ta współpraca ma wpływ na to, jak płynnie podnoszone jest ramię, jak szybko reaguje noga lub jak delikatny jest chwyt palcami. W przypadku technologii napędów kluczowymi wymaganiami są przede wszystkim miniaturyzacja, efektywność energetyczna i precyzja – stanowią one podstawę każdego ruchu.
ROBOTYKA HUMANOIDALNA WYMAGA ZRĘCZNOŚCI RUCHÓW
Dłoń jest prawdopodobnie najczęściej wykorzystywanym przez człowieka narzędziem. Zręczność, precyzja ruchów i informacje zwrotne w postaci bodźców sensorycznych sprawiają, że stanowi ona element łączący ciało z otoczeniem. Odtworzenie tej fascynującej funkcjonalności w sztucznej dłoni stanowi jedno z największych, a jednocześnie najbardziej obiecujących, wyzwań w robotyce.
Niezależnie od zastosowania – czy to w robotach usługowych i wspomagających, w przemyśle, czy w nowoczesnej protetyce – od rąk robotycznych oczekuje się, że będą robić wszystko to, co ręka człowieka doskonaliła przez tysiące lat: koordynować złożone ruchy, stosować różne techniki chwytania, reagować na bodźce zewnętrzne i precyzyjnie używać siły. Nie wystarczy jednak odpowiedni kształt i mobilność – potrzebne są także miniaturowe silniki, inteligentne sterowanie i zdolność dostosowywania się do zmiennych warunków otoczenia.
Robotyka humanoidalna tematem Dnia klienta FAULHABER
W swoim przemówieniu inauguracyjnym zatytułowanym „Inteligentna manipulacja – precyzyjna motoryka robotów humanoidalnych” prof. Homayoon Kazerooni przedstawił, jak bliska jest już ta przyszłość. Znany badacz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley podczas Dnia klienta FAULHABER podzielił się fascynującymi spostrzeżeniami na temat obecnego stanu robotyki humanoidalnej oraz technologii, która ma potencjał wprowadzenia fundamentalnych zmian w świecie pracy.
„Humanoidy istnieją naprawdę” – tym przesłaniem prof. Kazerooni jasno pokazał, że potencjał robotów humanoidalnych wykracza daleko poza laboratoria badawcze: w przypadku produkcji, montażu, konserwacji, logistyki i magazynowania otwierają one zupełnie nowe możliwości dla automatyzacji przemysłowej.
Na przykładzie pracowników produkcyjnych prof. Kazerooni zilustrował trzy podstawowe elementy ludzkiej pracy: inteligencję, wizję i manipulację. „Zwykła inteligencja”, czyli myślenie, w przypadku robotów humanoidalnych realizowana jest za pomocą sztucznej inteligencji. Za wizję odpowiadają kamery i systemy przetwarzania obrazu, a za manipulację, tj. chwytanie i przemieszczanie – wysoce rozwinięte robotyczne dłonie i chwytaki. Stosunkowo szybko przekonujemy się, że współczesne roboty humanoidalne są już bliskie osiągnięcia podstawowych zdolności charakterystycznych dla człowieka – inteligencji poznawczej, percepcji i precyzyjnych zdolności motorycznych.
***
Homayoon Kazerooni jest profesorem inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i należy do czołowych międzynarodowych ekspertów w dziedzinie robotyki, egzoszkieletów i systemów współpracy człowiek-maszyna. Wykorzystując ponad 30-letnie doświadczenie badawcze, odpowiada za kształtowanie rozwoju nowoczesnych systemów wspomagających i robotycznych, które w sposób inteligentny łączą ludzi z maszynami. Jako założyciel suitX (firmy Ottobock) i Ekso Bionics znacznie przyczynił się do przeniesienia egzoszkieletów z fazy badań do zastosowań praktycznych – w medycynie, przemyśle i rehabilitacji.
Ręka człowieka ma niezwykle złożoną i precyzyjnie zaprojektowaną strukturę, na którą składa się 27 kości, ponad 30 stawów i mięśni, a także niezliczona liczba ścięgien zapewniających maksymalną elastyczność i kontrolę. Sztuczną rękę trzeba więc zaprojektować tak, aby była wytrzymała i elastyczna, lekka i stabilna, a także kompaktowa i wydajna. Musi spełnić wysokie wymagania dotyczące materiałów, konstrukcji i, co najważniejsze, technologii napędu! Silniki elektryczne zapewniają silne ruchy, czujniki dostarczają niezbędnych informacji zwrotnych, a inteligentne systemy sterowania koordynują procesy w czasie rzeczywistym.
Krótko mówiąc, aby robotyczna ręka poruszała się w sposób możliwie najbardziej zbliżony do ludzkiego, potrzebne są precyzja i odpowiednio dostrojone komponenty wewnętrzne. Celem jest zapewnienie symbiozy między technologią i biologią – czy to w celu przywrócenia utraconych zdolności, czy rozszerzenia ludzkich możliwości. Przejście od humanoidalnej robotyki do nowoczesnej protetyki jest płynne. Obie dyscypliny wykorzystują podobne zasady techniczne, aby umożliwić ruchy jak najbardziej zbliżone do modelu ludzkiego.
SILNIKI MINIATUROWE ZAPEWNIAJĄCE PRECYZYJNĄ MOTORYKĘ
Aby móc poruszać każdym palcem robotycznej dłoni osobno, poszczególne palce są napędzane przez co najmniej jeden siłownik. Chcąc umożliwić wykonywanie najbardziej złożonych sekwencji ruchów, często stosuje się ponad 20 napędów w jednej ręce. Nie trzeba dodawać, że napędy, które składają się zazwyczaj z silnika, enkodera, przekładni planetarnej, śruby pociągowej i sterownika, muszą być niezwykle kompaktowe. Tylko w ten sposób poszczególne palce mogą układać się w różne wzorce chwytu – od delikatnych ruchów po mocny chwyt. Silniki DC z rodziny FAULHABER SXR szczególnie dobrze sprawdzają się w przypadku tego wymagającego zastosowania. Dzięki innowacyjnej geometrii uzwojenia, wysokowydajnym magnesom ziem rzadkich i różnorodnym kombinacjom precyzyjnych przekładni planetarnych zapewniają idealne warunki dla robotycznych dłoni.
Oprócz funkcjonalności i precyzji decydującą rolę odgrywają masa i efektywność energetyczna. Mimo złożonej konstrukcji współczesne robotyczne dłonie muszą być lekkie – zazwyczaj ważą od 300 do 500 g – i jednocześnie zapewniać długi czas pracy baterii. Ważne jest również przystosowanie do codziennego użytku, a także wytrzymałość. Podstawowe wymagania obejmują wodoodporność, łatwość czyszczenia i odporność mechaniczną. Tylko w przypadku połączenia technologii, niezawodności i komfortu użytkownika dłoń może być uważana za „najnowocześniejszą”.
BXI umożliwia wykonywanie ruchów przypominających ruchy człowieka
Niezależnie od tego, czy chodzi o delikatny ruch palców, czy o energiczny ruch stawów – kompaktowe i inteligentnie sterowane systemy napędowe stanowią podstawę dalszego rozwoju robotyki humanoidalnej. W taki sposób powstał również system FAULHABER BXI. Silnik z wirnikiem wewnętrznym serii 9317 BXI G łączy wyjątkową gęstość mocy z wysoką wytrzymałością i wyznacza nowe standardy dla zintegrowanych systemów napędowych.
System BXI jest dotychczas najpotężniejszym zintegrowanym systemem w asortymencie firmy FAULHABER. Został opracowany specjalnie z myślą o wysokich wymaganiach nowoczesnych teraźniejszych i przyszłych zastosowań robotyki. Silnik, zintegrowana przekładnia planetarna krokowa i enkoder o wysokiej rozdzielczości tworzą kompaktową, funkcjonalną konstrukcję, która umożliwia osiągnięcie maksymalnej wydajności przy jednoczesnym zachowaniu minimalnej przestrzeni montażowej – jest to decydujący warunek w przypadku tworzenia niezawodnych napędów do przegubów o dużej mocy w robotach humanoidalnych nowej generacji.
Dane techniczne
Model BXI wyposażono w płaską, kompaktową obudowę aluminiową, jest też odporny na korozję i zoptymalizowany pod kątem chłodzenia. Wysoki maksymalny moment obrotowy do 20 Nm umożliwia płynne i dynamiczne ruchy, zapewniając krótki czas reakcji i precyzyjną kontrolę ruchu. Dzięki zakresowi napięcia do 50 V, dostępnym interfejsom i długości zaledwie 34 mm system BXI da się łatwo zintegrować.
INTERDYSCYPLINARNOŚĆ JAKO KLUCZ DO SUKCESU
Obecnie prawdziwy postęp w rozwoju rąk robotycznych dokonuje się przede wszystkim dzięki ścisłej współpracy różnych dyscyplin: medycyny, materiałoznawstwa, inżynierii komputerowej, systemów czujników i techniki napędów. Dzięki temu możliwe jest tworzenie zaawansowanych technicznie rozwiązań, nadających się również do codziennego użytku.
Wiedza medyczna umożliwia zrozumienie anatomii, biomechaniki i potrzeb użytkowników. Kompetencje związane z materiałoznawstwem pozwalają na tworzenie lekkich, wytrzymałych i estetycznych konstrukcji, a wykorzystanie inżynierii komputerowej i technologii sterowania umożliwia tworzenie inteligentnych układów sterowania, systemów adaptacyjnych i wydajnych systemów przetwarzania danych. To właśnie dzięki tej ścisłej współpracy powstają rozwiązania, które nie tylko działają, ale są również akceptowane.
Źródło: FAULHABER Polska Sp. z o.o.
Więcej na www.faulhaber.com
