智能柔性执行器SCA具有集成度高、精度高、总线控制、功能灵活、成本低等特点。照片由受访者提供
机器人可以倒茶、倒水、导航、跳舞、回答问题……刚刚召开的2019世界机器人大会再次让观众惊叹不已。越来越多更加灵活、智能的服务机器人正向我们走来。人机共存的智能时代正在加速发展。
就像人一样,关节决定了机器人的灵活性。本次机器人大会上,前沿驱动(北京)科技有限公司INNFOS研发团队带来了自主研发数年的全系列智能柔性执行器(SCA)(Smart Compliant Actuator),以及两款基于该技术的产品。非常关心。
智能柔性执行器一直是机器人尤其是服务机器人研发和生产的难点。 SCA如何克服这个问题,这项技术有什么特别之处?
柔性关节制约我国服务机器人发展
智能柔性执行器,或者说柔性关节,对于机器人的重要性不言而喻。机器人的所有动作都离不开关节。
“业界根据人体的肌肉和骨骼来模拟机器人关节的自由度。通常我们所说的自由度就是关节的数量。例如,在工厂的四轴机械臂中,一个轴是一个关节。” INNFOS联合创始人朱自明解释说,对于一个机器人来说,关节成本占到硬件总成本的70%以上。
此外,服务机器人和工业机器人的关节要求也截然不同。
朱自明表示,工业机器人要求长期稳定,对灵活性和适应性要求不高。 “他们只需要按照计划好的路径前进,不需要做太多改变。服务机器人则不同。他们可以行走和移动。诸如此类的功能自然需要极高的关节灵活性,因此工业机器人的关节大多是刚性执行器,而服务机器人则需要智能柔性执行器。”
此前最著名的人形机器人来自波士顿动力公司。早在2017年,该公司的机器人跳跃、旋转和后空翻的视频就震惊了整个机器人界。大家感叹这个机器人的关节太灵活了。
但这并不意味着智能柔性关节不再是问题。相反,“据我们所知,目前世界上掌握智能柔性关节技术的公司只有三四家。其中,波士顿动力的技术没有对外开放,MASA也没有公开”转为民用”。朱子明说道。
正因为如此,到目前为止,工业机器人大多采用体积大、刚性强的传统伺服系统。但服务机器人由于机身尺寸的限制,无法使用传统的伺服系统,只能配备更多用于航模、玩具等开发中的伺服系统。
“舵机故障率高,噪音大,智能化不够。这就是为什么我们总觉得现在的服务机器人总感觉有点笨拙。”朱自明表示kaiyun全站网页版登录,缺乏高性能柔性关节已成为服务机器人发展的一大障碍。
“所以我们从零开始,花了7年时间开发智能柔性执行器SCA。”朱子明说道。
技术秘密在于核心动力系统集成
简单来说,本次大会上展示的智能柔性执行器SCA,将传统工业伺服系统缩小到舵机大小,并兼顾了两者的优点。 “当工业伺服系统应用于服务机器人时开yun体育app官网网页登录入口,要解决的核心问题是如何在不牺牲性能的情况下将其缩小到适合服务机器人的尺寸。”朱子明说道。
工业伺服系统包括电机、驱动器、减速器、编码器等核心部件。如何将这些原本独立的部件集成在一起,就像将很多芯片集成到一块电路板上一样?答案是从底层开始,开发可匹配的电机、驱动器等,以最大限度地提高效率。
“首先,我们选择了超薄外转子电机,它可以做得非常扁平。以前应用领域比较小,没有批量生产。但是,通过研究,我们发现它的扁平特性非常适合集成执行。”朱子明说道。
在找到合适的电机后,研发团队根据电机的特性开发了高度匹配的驱动器、编码器等器件。
例如,通用型传统工业伺服驱动器适用于多种类型的电机,但大多数情况下都会存在冗余。 “我们为选定的电机开发了特定的驱动器,以减少冗余。”朱子明说,“所以我们这几年一直在做的一件事就是不断调整和探索这些组件之间的关系,弄清楚如何让它们在尽可能小的空间内相互配合,发挥更大的作用。”角色。”
最终,SCA 实现了相同的性能,并且尺寸仅为传统伺服系统的十分之一。更重要的是,我国机器人领域电机、减速器等核心部件由人控制的局面可能会发生一些变化。众所周知,精密减速机、控制器、伺服电机等机器人核心零部件一直被国外几家大公司垄断,国内企业尚不具备自主生产核心零部件的能力。核心零部件受制于人的后果是,不仅价格降不下来,而且利润微薄,供货周期长。
“几年前,我们向国际知名厂商订购了一台价值超过60万元的电机,这个金额与其他厂商相比是极小的,所以没有议价的余地,至少要等几个月。”朱自明表示,这种情况对于国内机器人厂商来说很正常。
“因为我们是从电机、驱动器等起步,我们自己掌握了所有核心技术,所以我们不会再像以前那样被动,而且我们对国内外客户的供货速度非常快。”朱子明说道。
降低硬件成本,促进整个行业发展
基于SCA,研发团队正在开发适合不同机器人的柔性关节,包括为四足机器人量身定制的柔性关节,以及SCA的复合材料版本。
业内专家介绍,四足机器人需要完成站立、行走、弹跳、装载等动作,甚至在不同的道路环境下完成相应的任务,因此其对执行器的要求更加严格。
一般来说,四足机器人需要执行器具有高扭矩密度、高功率密度、控制系统高度集成、控制灵活等特点。为了满足四足机器人的扭矩需求,INNFOS研发团队嵌入了减速器,在保证机械机构紧凑的同时增加扭矩。同时,减速器的嵌入使得执行器在整机质量453.1克的情况下,能够达到19.8牛顿米的峰值扭矩,这也大大增加了其扭矩密度,更加符合扭矩和扭矩密度的要求四足机器人。 “我们可以通过电流环实现低成本的力控制。同时,我们采用准直驱技术,采用小减速比配合高扭矩密度的电机,实现低成本高输出。实现力控制“在这种情况下。”朱子明说道。
灵活控制是机器人产品的重要特征。研究人员在执行器内部添加了一系列传感元件,它们与处理器配合监测内部电流的状态。最后kaiyun.ccm,在先进的动力学算法的支持下,可以实现执行器的柔性技术,实现真正安全实用的人机交互。
团队发布的SCA复合版本将柔性关节的价格降低到了千元以内。 “这项技术中的所有动力系统都与标准版本相同。我们降低成本的秘诀在于使用具有良好散热和精度的复合材料,但成本更低。”朱子明透露。
同时,执行器内置高性能多核浮点处理器,专门用于处理电机的运行数据,实现实时高精度控制。
数百元的柔性关节对于服务机器人的发展具有深远的意义。 “硬件成本的大幅降低无疑会促进整个行业的发展,尤其是在教育和研发领域的普及。”朱子明相信。