AI-сгенерированный обзор: Заявка на IPO YuShu Technology на Sci-Tech Board одобрена. Роботы на Специальной программе Весеннего фестиваля перешли от вращения платка к кувыркам и боевым искусствам, а роботы от производителей смартфонов побили человеческий рекорд на полумарафоне. В статье подробно разбираются четыре основные аппаратные системы роботов: каркас, суставы, датчики и электрические и вычислительные компоненты. Материалы каркаса эволюционировали от стали к алюминиевым, магниевым и титановым сплавам, требуя баланса между снижением веса и ударопрочностью; исполнительные механизмы — самые дорогие компоненты, составляющие около 51%, делятся на вращательные и линейные, включая редукторы, двигатели, винтовые передачи, энкодеры и другие прецизионные детали; датчики включают ИМУ, камеры, лазерные сканеры и тактильные системы; чипы используют архитектуру «мозг + мозжечок». Статья отмечает, что, хотя компоненты имеют более чем 80% пересечения с цепочками поставок смартфонов и автомобилей, настоящая сложность заключается в системной интеграции, инженерном балансе и обеспечении согласованности при массовом производстве; зрелость цепочки поставок является ключевым фактором эволюции роботов.

Автор статьи, источник: 36氪

Проблема «физического тела» роботов-андроидов

1 июня заявка на IPO компании Yushu Technology на Sci-Tech Board была одобрена комитетом по проверке листинга Шанхайской фондовой биржи. Незадолго до этого Yushu представила своего первого пилотируемого трансформируемого робота-меха. Насколько далеко мы находимся от реального внедрения роботов?

В прошлом году на весеннем фестивале роботы еще кружили платками и танцевали яохэ, а в этом году они сразу перешли к сложным кувыркам и боевым искусствам. Сейчас даже роботы, созданные производителями смартфонов, способны побить человеческие рекорды на полуконе. Почему за последние два года эволюция самих роботов прошла так быстро?

Чтобы лучше понять эволюцию роботов, мы посетили несколько ведущих робототехнических компаний и поговорили с несколькими отраслевыми экспертами: в чем заключаются основные трудности создания роботов? Действительно ли барьеры для входа в робототехнику низки? И что же на самом деле составляет конкурентное преимущество робототехнических компаний?

В этой статье мы подробно разберем все компоненты робота; после полного ознакомления вы сможете собрать робота самостоятельно.

01 Материал каркаса: баланс между снижением веса и ударопрочностью

На роботах используется множество различных типов оборудования, которые можно условно разделить на четыре системы: скелет, поддерживающий всю структуру, суставы, приводящие в движение скелет, датчики, воспринимающие окружающую среду, и электрические и вычислительные системы, управляющие телом. Начнем с скелета.

Если автомобиль, движущийся со скоростью 60 км/ч, врежется в манекен, от огромного удара манекен разлетится вдребезги. Для человекоподобного робота выдерживать такие удары уже стало «повседневностью».

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Каждый раз, когда робот выполняет сальто и касается земли, на него действует ускорение в десятки g, что может быть выше, чем у автомобилей и космических аппаратов, и сопоставимо с ускорением при столкновении автомобиля со стеной.

Это ставит перед структурными материалами робота серьезные задачи: чтобы выполнять кувырки, тело должно быть достаточно легким, но при этом обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать такие огромные ударные нагрузки, иначе при одном кувырке детали могут разлететься. Поэтому первая задача робота — исследование материалов для каркаса.

Первый в мире полноразмерный робот WABOT-1 был изготовлен в основном из стали и весил около 160 кг; возможно, даже один прыжок оставил бы вмятину на полу, не говоря уже о кувырках.

Позже, от Honda ASIMO и ранних гидравлических версий Atlas от Boston Dynamics до первого поколения Tesla Optimus, алюминиевые сплавы стали стандартом, имея плотность всего в одну треть от стали.

Отрасль уже начала исследовать другие материалы, такие как магниевые сплавы, плотность которых на треть ниже, чем у алюминия, а также титановые сплавы с более высокой прочностью, например, для таких участков, как коленные и лодыжечные суставы, которые часто подвергаются ударным нагрузкам.

Интересно, что эти прочные каркасы поглощают удары для роботов, но поставщики, похоже, зарабатывают лишь «трудовой доход».

Бывший директор по закупкам робототехнической компании

Цена продажи каркаса в конце, за вычетом содержания собственного металла и отходов, на самом деле очень низкая. В итоге каркас продается по стоимости металла плюс стоимость обработки; большая часть затрат все еще приходится на металл, и снизить цену невозможно. Стоимость обработки находится в разумном диапазоне; если объемы увеличатся, стоимость обработки снизится до очень низкого уровня, поскольку здесь нет значительных барьеров.

Помимо этих основных элементов, внешние детали робота можно разделить на два типа:

Один тип — декоративные и защитные элементы, которые в основном используются на груди, спине и голове; материалы варьируются от пластика и искусственной кожи TPU до тканей, и их основная цель — снизить износ и сделать ощущения более приятными. Хотя некоторые роботы выглядят как металлические, на самом деле их корпус выполнен из пластика с металлической покраской.

Другой тип — это бионические кожные покровы для роботов, которые должны не только ощущаться как человеческая кожа, но и содержать сенсоры тактильного восприятия под поверхностью.

За скелетом и кожей настоящие причины, позволяющие роботу выполнять различные сверхсложные движения, — это суставы, которые являются самой дорогостоящей, наиболее технологически насыщенной и наиболее интересной частью всего робототехнического оборудования.

02 Разбор исполнителя: суставы — самая дорогая и сложная часть

Вы, наверное, уже видели много видео, где роботы танцуют и делают сальто — это делается сначала с помощью захвата движений человека, а затем модель обучается и применяется к движениям конечностей.

Несколько лет назад, когда мы видели, как Atlas от Boston Dynamics выполняет сальто назад, это казалось нам очень удивительным, но сейчас, возможно, все уже воспринимают это как нечто обыденное, и причина этого в том, что суставы роботов перешли от гидравлических систем к электродвигателям.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Раньше мы не могли создать такие мощные суставы — производительность суставов那时候非常差，空翻是很难翻的起来的，最近这一两年关节的技术进步非常非常大。

Суставы в отрасли называются исполнительными механизмами и в основном делятся на вращательные и линейные исполнительные механизмы. Сначала рассмотрим пример плеча, чтобы понять, как они приводят в движение тело.

Плечо имеет три степени свободы: мах вперед-назад, подъем вверх-вниз и вращение внутрь-наружу, известные как тангаж (pitch), крен (roll) и рыскание (yaw). Поскольку эти движения по сути являются вращениями, комбинация трех исполнительных механизмов вращения позволяет руке свободно перемещаться в трех направлениях: X, Y и Z.

На уровне коленного сустава обычно требуется только одна степень свободы, поэтому достаточно одного вращательного или линейного исполнительного механизма. Линейный исполнительный механизм, подобно мышцам человеческого тела, приводит в движение верхнюю и нижнюю кости за счет растяжения.

А для выполнения одного экстремального движения требуется тесная координация десятков исполнительных механизмов по всему телу; любая задержка в реакции или небольшое отклонение в силе приведет к падению.

Какова структура этих исполнительных механизмов? И вращательный, и линейный исполнительные механизмы имеют систему сервопривода, состоящую из двигателя, энкодера, драйвера и датчиков. Главное различие между ними заключается в том, что вращательный исполнительный механизм представляет собой сервомотор с редуктором, а линейный — сервомотор с винтовой парой.

Давайте начнем с редуктора.

Возможно, вы слышали об этом устройстве: первый шестерня поворачивается на 10 оборотов, вторая — только на 1 оборот, третья — всего на 0,1 оборота, всего 100 шестерен, и так далее; чтобы последняя шестерня сделала один полный оборот, первой нужно повернуться на гугол (Googol) оборотов, то есть единицу с 100 нулями после нее — энергия, необходимая для этого, превышает общую энергию всей вселенной.

Это крупный редуктор, по сути огромный рычаг, жертвующий скоростью ради силы. Почему суставам робота нужны редукторы?

Поскольку двигатели по своей природе обладают «высокой скоростью и низким крутящим моментом»: скорость может легко достигать десятков тысяч оборотов в минуту, но выходной крутящий момент относительно мал. Суставы роботов требуют точного управления, и нам сложно заставить двигатель вращаться всего на несколько градусов, одновременно поднимая очень тяжелые предметы, поэтому необходимо снижение скорости для уменьшения числа оборотов и увеличения крутящего момента. Чем больше передаточное отношение (то есть соотношение шестерен), тем сильнее снижается скорость и тем выше выходной крутящий момент.

В отрасли наиболее часто используются три типа редукторов: планетарный, гармонический и RV-редуктор. Мы объясним их с помощью модели.

Сначала планетарный редуктор, его название очень образное: двигатель соединен с центральным зубчатым колесом, которое приводит в движение три планетарных шестерни, а те, в свою очередь, заставляют вращаться внешнее большое зубчатое колесо, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Он компактный и недорогой, но обеспечивает небольшое снижение скорости; при той же частоте вращения двигателя выходной крутящий момент ниже, поэтому он часто используется в суставах рук.

Для получения большей силы используется гармонический редуктор. В его центре находится волновой генератор, который деформирует гибкое колесо в эллипс. Обычно между гибким колесом и неподвижным внешним зубчатым колесом разница составляет всего два зубца. Гибкое колесо сцепляется с жестким колесом только в двух симметричных зонах, поэтому при одном полном обороте волнового генератора гибкое колесо поворачивается всего на два зубца, что позволяет достичь очень большого передаточного отношения.

Выходной крутящий момент редуктора с гармоническим приводом высокий и точный, он часто используется в локтевых и плечевых суставах роботов для обеспечения точного управления рукой.

Как упоминалось ранее, при выполнении заднего сальто роботом на него действуют силы, эквивалентные удару автомобиля, что создает серьезные требования к редукторам в определенных узлах. Однако гибкая структура гармонического редуктора означает его слабую устойчивость к ударным нагрузкам, и в таких случаях необходимо использовать RV-редуктор.

Редуктор RV состоит из первой ступени с планетарными шестернями и второй ступени с циклоидальными игольчатыми колесами. После снижения скорости на первой ступени эксцентриковый кулачок приводит циклоидальный диск в эксцентрическое движение, при этом диск зацепляется с игольчатыми зубьями на корпусе, заставляя корпус вращаться.

Благодаря этому не только достигается большой передаточный коэффициент, но и благодаря одновременному зацеплению нескольких зубьев циклоидального диска обеспечивается высокая жесткость и повышенная ударопрочность, что делает его популярным выбором для тазобедренных, коленных суставов и поясницы роботов, где требуется высокая ударопрочность.

Редуктор — это очень точный компонент, сложный в обработке, и сложно обеспечить стабильность при длительном износе — это самая сложная часть всего сустава.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

При массовом производстве и использовании требования к точности зубчатых передач и стабильности при длительной работе очень высоки. Например, если через 1000 часов работы возникают различные посторонние шумы или снижается производительность, алгоритмы управления движением могут быть неспособны эффективно скорректировать ситуацию, что проявляется в роботе как ухудшение ходьбы — он может начать идти все более криво.

Роботы могут выполнять множество экстремальных движений и сами падать; такие удары могут повредить внутренние мелкие шестерни. Как создать шестерни, которые будут обладать отличной производительностью, низкой стоимостью, долговечностью и при этом выдерживать удары при падении без повреждений? Это крайне сложный «невозможный треугольник».

Другими словами, создать один редуктор несложно, сложно создать десять тысяч редукторов с одинаковыми характеристиками и долговечностью.

Далее рассмотрим линейный привод и его ключевой компонент — винт.

Линейный исполнительный механизм наиболее похож на мышцы человеческого тела: когда мы двигаем рукой, не суставы активно вращаются, а мышцы, соединяющие две кости, сокращаются. Поэтому линейный исполнительный механизм выполняет только одно движение — толкание и тягу.

Некоторые роботы используют линейные приводы в коленях, имитируя движение человеческих мышц путем толкания и тяги. Когда несколько линейных приводов комбинируются с определенной структурой, они могут обеспечивать вращение сустава. Такой способ движения применяется также в запястьях, лодыжках и других участках.

Самым простым способом создания линейного привода является гидравлическое устройство; ранее старая версия Atlas от Boston Dynamics использовала в основном гидравлические цилиндры, обладая преимуществами высокой мощности, устойчивости к ударным нагрузкам и высокой удельной мощности. Почему старая версия? Потому что новая версия перешла на электропривод, поскольку гидравлические системы сложны, склонны к утечкам масла и имеют меньшую точность управления по сравнению с электроприводами.

Но двигатель может вращаться только, для получения поступательного движения необходим «преобразователь» — ходовой винт.

Винтовой вал имеет резьбу, и при вращении он приводит гайку в поступательное движение, что аналогично закручиванию винта. Для уменьшения трения внутри винтового вала устанавливаются шарики — это шарико-винтовая передача. Некоторые модели заменяют шарики на ролики, что обеспечивает более длительный срок службы, большую нагрузочную способность и лучшую жесткость — это планетарная ролико-винтовая передача. Кроме того, иногда используются т-образные винтовые валы.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Сейчас наиболее часто используются роликовые винтовые пары, которые требуют чрезвычайно высокой точности обработки, а также очень высокой согласованности на протяжении всего длинного хода; если в середине есть какие-либо отклонения, это представляет серьезный вызов для алгоритмов управления между различными машинами.

В некоторых линейных исполнительных механизмах также используются редукторы для повышения крутящего момента двигателя. Однако в настоящее время применение линейных исполнительных механизмов в отрасли ограничено по трем основным причинам: низкая динамическая производительность, сложность производства и высокая стоимость.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Сейчас наибольшее массовое производство в отрасли приходится на вращательные соединения. Линейные приводы также применяются в отрасли; их особенность заключается в том, что они могут выдерживать большую нагрузку и в некоторых состояниях сохраняют стабильную позицию даже без питания — они способны к самоблокировке. Однако мы считаем, что их недостаток — это несколько более низкая динамическая производительность, поскольку большая нагрузка и высокий коэффициент редукции приводят к снижению реактивности и менее быстрым движениям. Еще одна значительная сложность заключается в трудности массового и низкозатратного производства. Поэтому на данный момент мы считаем, что они еще не подходят для широкой коммерциализации. Поскольку их используют мало, объемы поставок невелики, а проверка в реальных сценариях клиентов ограничена, их стоимость остается высокой.

После передачи давайте поговорим о самой силе, то есть о двигателе и сервосистеме.

В робототехнике обычно используются безрамные крутящие моторы, которые по сравнению с традиционными моторами не имеют корпуса и подшипников, сохраняя только самые ключевые компоненты; это делается для минимального уменьшения размеров, чтобы можно было непосредственно встроить их внутрь суставов.

Кисть руки имеет особую конструкцию: в ней используются более компактные бесщеточные моторы, соответственно, их выходная мощность ниже. Сложность создания кисти руки даже выше, чем создание всего робота.

Основные сложности с электродвигателем заключаются в трех аспектах: энергоэффективность и теплоотвод, размеры и стабильность производительности. Сначала рассмотрим энергоэффективность и теплоотвод.

Электронные устройства неизбежно выделяют тепло; когда тепло накапливается слишком сильно и превышает нормальный рабочий диапазон, производительность снижается, поэтому эффективность двигателя — то есть, насколько много энергии действительно используется для выполнения работы — особенно важна. При перегреве система управления вынуждена снижать мощность — например, если во время полупереворота внезапно «подкачивают ноги», устройство резко падает на землю.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Ранние образцы, которые мы делали раньше, могли выполнять эти экстремальные движения только один раз в течение 10 минут. После одного цикла характеристики скорости и крутящего момента полностью менялись, возможно, из-за нагрева внутри — в таких случаях нужно было сначала охладить устройство, дождаться снижения температуры, прежде чем продолжать. Ещё одна серьёзная проблема — это энергоэффективность: сколько введённой энергии превращается в тепло. Например, разница между 5% и 3% огромна. Всё это ограничивает производительность, и даже при наличии мощного аппаратного обеспечения я не осмеливаюсь дальше повышать производительность.

Между 3% и 5% может показаться, что разница незначительна, но следует учитывать, что нагрев двигателя не является линейным.

При выполнении суставом предельного движения мгновенный ток может быть в 3–5 раз выше обычного, а тепловыделение — в 9–25 раз выше номинального уровня. Это означает, что скорость накопления тепла значительно превышает предельную способность сустава к пассивному рассеиванию тепла. При выполнении одного сальто температура сустава может сразу подняться с повышения на 10 градусов до 50 градусов. Поэтому после выполнения движения двигатель должен охладиться, чтобы робот мог приступить к следующему действию.

Чтобы повысить энергоэффективность двигателя, необходимо работать с материалами двигателя, технологией намотки и конструкцией — здесь мы не будем подробно останавливаться на этом.

В настоящее время охлаждение многих суставов в основном происходит пассивно, поскольку корпус выполнен из большого количества металла и можно представить его как огромный радиатор; дополнительное охлаждение с помощью воздушного или жидкостного охлаждения применяется только для суставов с очень высокой мощностью, например, для ног.

Кроме того, добавление дополнительных мер по охлаждению создает второе ограничение — по габаритам.

Инженеры стремятся максимально уменьшить размеры приводов суставов, чтобы снизить вес и стоимость, а также потому, что чем больше объем, тем больше момент инерции, и тем сложнее изменить состояние движения.

Например, когда вы вращаете веревку, чем короче веревка, тем быстрее она вращается; если веревка удлиняется, скорость вращения замедляется, и для остановки требуется больше времени на замедление.

Третья сложность — это стабильность производительности, то есть при каком входном токе电机 достигает определённой скорости вращения и какого момента может достичь; в отрасли это называется TN-кривой. Это влияет на алгоритмы управления роботом.

Например, при прохождении неровной поверхности шестимерный датчик момента силы на лодыжке фиксирует колебания; для поддержания равновесия необходимо динамически регулировать ток для управления крутящим моментом двигателя. Если TN-кривая нестабильна, система управления может отправлять те же команды, но крутящий момент двигателя отклоняется, в результате чего происходит падение.

Кроме того, кривая TN оказывает большое влияние на обучение алгоритма, поскольку роботизированные алгоритмы сначала обучаются в симуляционной системе; если кривая TN в симуляционной системе сильно отличается от реальной, это приведет к отклонениям в реальной производительности.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Я введу в имитационную систему кривую, и на практике этот двигатель сможет достичь или даже превзойти эту кривую, тогда он сможет выполнить требуемую производительность и необходимые движения. Если же наоборот — при низких оборотах всё в порядке, но при повышении скорости его производительность падает, то определённые предельные движения будут недоступны, поскольку самые сложные движения требуют чрезвычайно высокой скорости и огромной мощности.

Для точного управления количеством оборотов двигателя необходима сервосистема, состоящая в основном из энкодера, драйвера и датчиков.

Энкодер используется для измерения угла, скорости и положения ротора двигателя, чтобы система знала, в каком состоянии находится двигатель.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Энкодер действительно очень важен: поскольку в роботе есть редуктор, необходимо использовать два энкодера, чтобы точно знать положение как входного, так и выходного валов, и обеспечить более точное управление.

Драйвер будет регулировать напряжение и ток, подаваемые на двигатель, на основе обратной связи от энкодера и управляющих команд от «мозжечка».

Существует множество типов датчиков, например, датчики крутящего момента измеряют выходной крутящий момент, датчики температуры измеряют температуру двигателя и предотвращают перегрев и т.д.

Вот основные компоненты исполнительного устройства. Далее поговорим о самом исполнительном устройстве в целом: почему оно является ключом к снижению затрат? В чем разница между разработкой собственного решения и закупкой?

По оценкам Bank of America, исполнительные механизмы являются самыми дорогими компонентами роботов, составляя около 51%.

Бывший директор по закупкам робототехнической компании

Как руки, так и мотор, мотор и контроллер — ваши мышцы (исполнительные механизмы) дороже, чем ваши кости, чем ваши глаза (датчики), мозг (чип) и даже ваше сердце (батарея).

Таким образом, исполнитель является ключом к массовому производству и снижению затрат в будущем, и главным фактором является то, что китайская цепочка поставок чрезвычайно конкурентна: ранее многие компоненты, требовавшие точной обработки на заводах других стран, теперь можно найти в качестве замены внутри страны.

Например, Wolong Electric Drive для электродвигателей, Lǜde Harmonic Drive и Shuanghuan Transmission для редукторов, Zhongdalide и другие, а также компании, которые напрямую предоставляют полные исполнительные механизмы, такие как Sanhua Intelligent Control и Tuopu.

Поскольку готовые исполнительные устройства можно приобрести на рынке, зачем робототехническим компаниям тратить время и усилия на собственную разработку? Сравним эти два подхода.

Если приобретать готовые изделия, можно снизить затраты на разработку и повысить эффективность разработки, но соответствующие затраты на материалы будут выше, будет сложнее настраивать продукт под свои потребности, а производительность также может быть ниже.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Большинство (исполнителей) компаний не будут создавать для вас что-то специально по вашему запросу — они продают вам только стандартные компоненты, стоимость которых относительно высока. Если у компании сама команда мала и накопленный опыт ограничен, разумнее будет приобрести готовое решение у других — это позволит быстрее реализовать проект.

Если разрабатывать самостоятельно, можно лучше соответствовать требованиям и алгоритмам, обеспечивая более высокую производительность, но это потребует значительных усилий на разработку.

Выбор того или иного пути в большей степени зависит от масштаба компании и затрат: согласно нашему исследованию, в настоящее время ведущие робототехнические компании чаще предпочитают разработку собственных решений, а иногда даже участвуют в проектировании у поставщиков.

Таким образом, суставы робота — это не просто сборка деталей, а достижение баланса между мощностью, точностью, долговечностью, стоимостью и весом в крайне компактном объеме, что делает его самой сложной частью всего тела, поскольку это новая отрасль, для которой ранее не существовала зрелая цепочка поставок, и все находятся на стадии исследований.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

(На начальном этапе) многие оборудование на производственных линиях не существовали в отрасли, и нам пришлось самостоятельно проектировать (производить) оборудование.

Одних прочных суставов недостаточно — как роботу узнать, как устойчиво стоять? Как воспринимать мир? Давайте поговорим о датчиках.

Современные роботы в большинстве случаев трудно опрокидываются, независимо от того, как вмешивается человек. Для достижения такого равновесия на аппаратном уровне необходимо полагаться на различные датчики, расположенные в теле робота.

С одной стороны, это приводная сервосистема, упомянутая ранее, которая с частотой тысячи раз в секунду корректирует выходные параметры, используя энкодеры и датчики крутящего момента в суставах для получения данных о текущем положении и нагрузке каждого сустава в реальном времени.

С другой стороны, одного «ощущения конечностей» недостаточно; как и человеку, которому необходим вестибулярный аппарат внутреннего уха для восприятия наклона и вращения тела, роботу требуется инерциальная измерительная единица (IMU).

IMU очень распространен, например, когда вы поворачиваете телефон, изображение также поворачивается — это работает благодаря IMU.

IMU — это комбинация нескольких датчиков, наиболее важными из которых являются два: акселерометр, измеряющий ускорение по трем осям X, Y, Z, и гироскоп, измеряющий угловую скорость по трем осям: тангаж, рыскание и крен. Кроме того, в IMU добавляется магнитометр, который работает как электронный компас для калибровки.

Объединив эти данные, IMU может в реальном времени определять состояние движения робота: когда мы пинаем его, тело мгновенно получает ускорение и начинает падать вперёд, назад, влево или вправо. После обнаружения этих изменений IMU передаёт данные в «мозжечок», который рассчитывает, насколько необходимо увеличить или уменьшить крутящий момент для каждого сустава, чтобы стабилизировать тело. Этот компонент широко используется в смартфонах, автомобилях и других устройствах, поэтому его технология и применение относительно зрелы.

Для предотвращения падений важен IMU, но для повседневных действий более важной является защита от столкновений, а для обнаружения препятствий наиболее важна визуальная система.

«Глаза» робота очень похожи на автопилот автомобиля, но не совсем одинаковы. Распространённым решением является сочетание камер, лазерного лидара и миллиметрового радара. Исключением является Tesla Optimus — известно, что Маск является сторонником чисто визуального подхода и использует только камеры.

В использовании датчиков роботы почти такие же, как автомобили, и многие поставщики также перешли из автомобильной цепочки поставок. Однако, хотя датчики одни и те же, их фактические спецификации сильно различаются; возьмем, например, более дорогой лазерный лидар.

Во-первых, требования к дальности измерения различаются. Автомобили должны двигаться по автострадам, поэтому лидару необходимо обнаруживать препятствия на расстоянии 150–200 метров. Роботы в основном работают в помещении, и для них достаточно 10–20 метров. Более короткая дальность измерения означает, что мощность, размер и стоимость лидара также могут быть ниже.

Во-вторых, различаются плотность облака точек и способ сканирования. Автомобили распознают такие крупные объекты, как машины, люди и препятствия, поэтому плотность облака точек может быть ниже, тогда как роботам необходимо поднимать отвертку со стола или подбирать монеты с пола — это мелкие объекты, требующие более высокой плотности облака точек.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Мы хотим, чтобы облако точек было очень плотным. Сейчас мы используем неповторяющееся сканирование: если вы немного постоите на одном месте, облако точек становится плотнее. Это очень хорошо для нас, потому что наш робот часто не выполняет интенсивные операции — он действует медленно, как человек, который выполняет многие задачи постепенно. В то же время автомобили требуют высокой стабильности, реального времени и повторяемости.

Третье — разное расположение и размеры. Автомобиль может установить лидар на крыше или бампере, и большие размеры не имеют значения, но у робота тело меньше, поэтому необходимо использовать более компактные модули.

Четвертое — разные требования к надежности. Например, автомобили постоянно эксплуатируются на открытом воздухе и требуют более высоких рабочих температур, тогда как роботы подвергаются большим ударным нагрузкам и требуют более высокой виброустойчивости.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Раньше, когда я работал над автомобильными стандартами, минимальный требуемый диапазон температур для лидара составлял от -40 до 85 градусов, но для роботов, по крайней мере на данный момент, это совершенно не требуется. Таким образом, многие конструктивные решения в автомобилях, направленные на надежность, для роботов являются избыточными. При автомобильной аварии ускорение может достигать уровня, необходимого для одного обычного кувырка робота, поэтому наши требования к стабильности в условиях вибрации очень высоки.

Хотя лазерные радары для автомобилей уже очень зрелы, лазерные радары для роботов находятся на ранней стадии развития отрасли.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Мы хотим, чтобы устройство стало компактнее, облако точек — плотнее, дальность действия — короче, но угол обзора (FOV) — шире. Эти требования пока не были реализованы.

На камерах, согласно информации от бывшего руководителя аппаратного обеспечения искусственного интеллекта в Tesla, они выбрали автомобильные камеры, но внутренний путь разработки неоднократно менялся.

Лю Сянкэ (Керри)

Бывший руководитель аппаратного обеспечения искусственного интеллекта Tesla

Текущее решение основано на камерах в автомобиле, 5 мегапикселей. Первоначальные версии использовали множество камер, разное разрешение, снижали частоту кадров и повышали разрешение. Почему так делали? Потому что Илон поставил задачу, чтобы робот мог продеть нить в иголку. Мы рассчитали, что для выполнения этой задачи необходимо разрешение более 15 мегапикселей.

Также потому, что команда программного обеспечения заявила, что если изменить даже пиксели и камеру, требования к переобучению модели, время и объем работы возрастут слишком сильно. Что делать, если это невозможно? Рассматривали возможность добавления автофокуса к камере. Но позже, похоже, стало ясно, что это, возможно, и не обязательно, поэтому все постоянно меняется.

Далее поговорим о тактильных ощущениях; для реализации тактильности существует четыре основных способа:

Наиболее распространены пьезорезистивные, которые преобразуют давление в сопротивление, изменяя электрический сигнал, например, используются в электронных весах.

Второй тип — емкостный, с эластичным диэлектриком между верхним и нижним слоями; при приложении давления расстояние между электродами уменьшается, и емкость изменяется.

Третий тип — пьезоэлектрический: при приложении силы к материалу сразу же возникает напряжение, например, в маленьком устройстве для искрообразования в зажигалке.

Четвертый тип — оптический, на поверхности используется эластичный материал, который деформируется под нагрузкой и фиксируется камерой; это сейчас самый популярный метод.

Осязание должно быть трехмерным: оно должно воспринимать не только давление, но и трение на поверхности. Например, когда мы берем бутылку колы, рука сжимает ее и поднимает вверх; если пальцы ощущают скольжение бутылки, они увеличивают усилие сжатия, чтобы предотвратить соскальзывание.

Но это также создает большие вызовы для материалов и алгоритмов.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Во-первых, на уровне самого датчика, поскольку по сути он состоит из материалов, и любые материалы трудно хорошо декоррелировать по трем направлениям (XYZ), поэтому точность значительно сложнее достичь, чем в одномерной силовой системе — как сделать его точным? Во-вторых, как объединить такие сложные данные трехмерного тактильного восприятия с моделями управления — это тоже крайне сложно, поскольку объем данных сейчас очень мал.

Под этими вызовами промышленные роботы ранее почти не оснащались тактильными датчиками.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

В продуктах, которые будут массово производиться в течение всего 2025 года, тактильные технологии используются крайне редко, практически отсутствуют — не только у нас, но и во всей отрасли, поскольку эта технология нестабильна.

Нужно учитывать, как обеспечить сохранение формы при длительном использовании, поскольку даже незначительная деформация может полностью изменить выходной сигнал. Кроме того, нельзя допускать дрейфа производительности — форма и положение не должны повреждаться, при этом материал должен быть слегка мягким и при этом очень износостойким, что само по себе противоречиво.

Но в этом году ситуация, кажется, немного изменилась. Наш собеседник отметил, что к 2026 году появляется надежда на масштабированное производство, а далее важно лучше интегрировать тактильные системы в сбор и обучение данным. В целом, отрасль тактильных технологий все еще находится на очень ранней стадии, и мы с нетерпением ждем дальнейших достижений.

В дополнение к упомянутым выше датчикам, роботу также требуются датчики температуры, влажности, шестимерного момента силы, UWB и другие, которые уже достаточно成熟, и мы не будем подробно останавливаться на них.

Сенсоры позволяют роботам воспринимать мир, суставы обеспечивают способность к движению, но для объединения этих двух компонентов необходим «центральный узел» — далее мы поговорим об этом центральном узле — электрической архитектуре.

В нашей предыдущей статье о роботизированных алгоритмах мы упоминали, что в отрасли разработана двухсистемная архитектура «System 1 + System 2», где System 1 отвечает за управление конечностями, а System 2 занимается сложными вычислениями; аналогично, на чипах используется комбинация «мозжечок + мозг».

Почему нельзя использовать один чип для всех задач? Потому что требования совершенно противоположны.

Чип для мозга, чтобы думать «как делать дела», требует высокой вычислительной мощности и большого объема памяти, желательно, чтобы крупные модели работали на устройстве — задержка в несколько секунд в основном не имеет значения.

В настоящее время большинство роботизированных систем используют чипы Orin от NVIDIA. В 2025 году NVIDIA представила чип Thor, обладающий еще более высокой производительностью и предназначенный специально для роботов и физического ИИ, который, как ожидается, станет стандартом в будущем.

За исключением Tesla Optimus, он использует собственные чипы, причем два чипа.

Лю Сянкэ (Керри)

Бывший руководитель аппаратного обеспечения искусственного интеллекта Tesla

Роботы не являются автономными транспортными средствами, поэтому такие соображения безопасности не применяются. Сам Илон считает: «Эта избыточность безопасности не нужна, одного чипа достаточно». После создания однochиповой системы он вдруг понял, что это неправильно: модель мира для роботов требует гораздо большей вычислительной мощности, чем для автономных транспортных средств. Даже для автономных транспортных средств два чипа — это уже с трудом, как же роботу справиться с одним? Он сам осознал это и сказал: «Нет-нет, вернемся к двум чипам».

Кроме того, на CES в начале этого года Qualcomm также представила чип Dragonwing IQ10 для роботов и объявила о сотрудничестве с Figure.

А для чипов мозжечка, которые должны «управлять телом», не требуется высокая вычислительная мощность, но обязательны высокая оперативность, стабильность и скорость реакции — задержка всего в несколько миллисекунд может привести к падению.

Например, при сальто или танцах робот в основном использует заранее записанные движения, но мы замечаем, что его ноги всё ещё совершают мелкие шаги — это мозжечок динамически регулирует равновесие, подобно «инстинктивной реакции» человека.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Мозжечок требует очень высокой скорости, поэтому частота внутри мозжечка может составлять 1 кГц.

В настоящее время микроконтроллеры обычно представляют собой MCU, основными вариантами являются серии STM32 от STMicroelectronics, i.MX RT от NXP и RZ от Renesas.

Сейчас мы также наблюдаем новую тенденцию: отрасль пытается интегрировать чипы мозга и мозжечка. В этой области Tesla находится на передовой и изначально выбрала именно этот путь.

Лю Сянкэ (Керри)

Бывший руководитель аппаратного обеспечения искусственного интеллекта Tesla

Мы изначально предполагали, что использовался собственный чип Hardware 4. Как через один чип, на котором сосредоточены мозг и мозжечок Tesla, организовать архитектуру связи для управления всем телом? Мы потратили некоторое время на изучение такого решения: в одном SOC одновременно находятся ASIC для вычислений и многоядерный CPU, который может использоваться для обработки функций мозжечка; этот высокочастотный CPU обладает крайне низкой задержкой.

Помимо Tesla, другие компании также исследуют интеграционные решения.

Например, в марте этого года Lingjing Zhiyuan выпустила архитектуру Дворжака, интегрировав три функции — «мозг-мозжечок-кора» — на одном чипе. Какие преимущества дает объединение всех функций на одном чипе?

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Сначала я считаю, что главное преимущество в том, что теперь всё сделано на одной плате, поэтому объём грудной клетки и трассировка становятся намного проще. Во-вторых, чем дальше, тем важнее становится координация между мозгом и мозжечком. Например, когда кто-то бросает в вас дротик, вы смотрите и предсказываете траекторию полёта — это делает мозг, а когда вы вытягиваете руку, чтобы поймать его — это мозжечок. Чем быстрее обмен информацией между этими двумя структурами, тем легче выполнить очень сложные движения. Если мозг и мозжечок будут объединены на одном чипе, связь между ними будет чрезвычайно быстрой, и мозг сможет в реальном времени управлять движениями мозжечка и получать обратную связь с очень высокой скоростью.

Однако, согласно мнению отрасли, унифицированные чипы для больших и малых мозгов находятся на очень ранней стадии, и компании-производители роботов перейдут к интегрированным собственным чипам только после того, как объемы поставок роботов станут достаточными, а рынок — достаточно большим, как это сделали сегодня компании по производству интеллектуальных автомобилей.

Наконец, необходимы аккумуляторы, обеспечивающие энергией всё тело, как сердце робота. Основная задача — повысить ёмкость при меньшей плотности; основными поставщиками являются CATL, LG и EVE Energy.

Также присутствуют жгуты проводов, распространенные по всему телу, подобно нервам и сосудам, для связи и питания между устройствами. Основными поставщиками являются Luxshare Precision, TE Connectivity, Amphenol и другие.

Разнообразие поставщиков роботов слишком велико, чтобы перечислять их все; здесь представлена обзорная диаграмма — при желании вы можете увеличить и изучить её подробнее.

Увидев это, вы, вероятно, уже научились собирать робота, но не спешите — если вы действительно попробуете сделать это самостоятельно, вы обнаружите, что возникает множество проблем, потому что главная сложность создания робота — это баланс между различными инженерными аспектами.

Наконец, давайте обсудим трудности сборки и масштабного производства, а также причины стремительного прогресса робототехники за последние два года.

05 Сборка и серийное производство: работоспособность не означает удобство

Если вы смотрели недавний роботизированный марафон, вы заметили множество интересных моментов на месте события.

Некоторые спокойно садятся где попало, вызывая аплодисменты соседнего робота; другие, бегая, подворачивают ногу, пьянеют, теряют руки, врезаются в газоны или после столкновения с дорожным барьером разлетаются на кусочки.

Также выделились очень впечатляющие результаты, например, робот Honor, который занял первые шесть мест и установил новый рекорд человека на полумарафоне.

Однако это также вызвало некоторые обсуждения: если производители телефонов могут так хорошо справляться с роботами, означает ли это, что в этой отрасли нет барьеров для входа?

Ответ эксперта: Да, и нет. Сначала рассмотрим часть «Да».

Как мы уже упоминали ранее, различные компоненты, поставщики и отрасли смартфонов и автопрома сильно пересекаются; более того, некоторые алгоритмы можно повторно использовать в автономном вождении. Именно поэтому Honor, Xiaomi, Tesla и Xpeng решили войти в рынок робототехники.

Бывший директор по закупкам робототехнической компании

Степень пересечения поставщиков в разделе электрических и силовых систем превышает 90%. Даже если формы для механической системы (каркасная структура) различаются, многие поставщики все равно схожи. Электропривод — это единственный компонент, который может иметь наименьшую связь с автомобилями, поскольку в автомобилях не требуется предоставление такого же высокого крутящего момента. Однако такие детали, как редукторы и шестерни, в автомобилях встречаются в огромном количестве, как и датчики. Таким образом, более 80% компонентов могут быть унифицированы.

Теоретически, если вы знаете этих поставщиков, вы можете собрать робота самостоятельно. Но между «работает» и «удобен в использовании» — огромная пропасть, именно это и есть часть No.

Например, после сборки распределение веса может быть неравномерным, из-за чего центр тяжести робота смещается; для поддержания равновесия при ходьбе некоторые суставы должны прилагать дополнительные усилия, что увеличивает энергопотребление, сокращает время автономной работы и даже влияет на стабильность походки.

Или в лаборатории час работы — без проблем, но при запуске в реальных условиях на 100 часов начинают проявляться различные неисправности: например, один винт ослаб, один провод износился, смазка в одном соединении высохла, один датчик начал дрейфовать — всё это требует постоянной настройки, чтобы найти баланс.

Бывший директор по закупкам робототехнической компании

Каждую деталь я разбиваю на поставщиков, и мне кажется, что сложность у каждого поставщика не высока; на мой взгляд, настоящая сложность — это системная интеграция.。

Больше речь идет о том, что вы наложили на него ограничения — например, вы хотите снизить вес и сделать его более легким до определенного уровня, но, зафиксировав его в человеческой форме, вы должны достичь уровня человеческой мощности момента и точности — вот в чем сложность, это больше вопрос инженерных компромиссов.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Часто покупаемые на рынке стандартные продукты не удовлетворяют нас и не соответствуют требованиям наших реальных алгоритмических приложений, поэтому все это — ключевые компоненты, которые мы должны делать сами.

Создание коммерчески жизнеспособных и серийно производимых роботов также столкнется с проблемой согласованности.

Поскольку люфт в суставах, нулевая точка датчиков и параметры двигателей различаются для каждой единицы, для стабильного применения одной и той же алгоритмической системы к разным партиям корпусов необходимо произвести настройку каждого параметра.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Поместите десять роботов туда и отправьте им одинаковые параметры (команды) — их руки будут выходить в разные позиции.

Если при выполнении операции отклонение составляет всего несколько миллиметров, это может превратить попытку ухватить объект в его опрокидывание; поэтому крайне сложно правильно калибровать все датчики и исполнительные устройства роботов. Кроме того, после завершения калибровки невозможно гарантировать, что через год, когда многие компоненты износятся, а датчики искажаются, система сохранит стабильность — в таких случаях может потребоваться онлайн-калибровка, позволяющая роботу самостоятельно анализировать и корректировать ошибки. Это — невидимая работа, но без неё многие последующие проблемы невозможно решить.

Таким образом, настоящая сложность заключается не в «сборке», а в системной интеграции.

Вернёмся к робототехническому марафону: в этом году не только скорость значительно улучшилась, но и общая степень завершённости повысилась. Посмотрите на эволюцию движений роботов за последние два года — от ходьбы до вращения платочка, а затем танцев и боевых искусств. Почему эволюция за последние два года прошла так быстро? Самая важная причина — зрелость цепочки поставок.

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

В течение последних одного-двух лет индустрия роботов не пользовалась такой популярностью, как сейчас; тогда люди не создавали лидары специально для роботов, а говорили: «Это для логистических автомобилей, возьмите и используйте». В то время нам приходилось умолять других, и к роботам относились с недоверием.

Как мы уже говорили ранее, многие этапы цепочки поставок роботов пересекаются с автомобильной промышленностью. Ранее поставщикам приходилось сталкиваться с внутренними конфликтами ресурсов: при ограниченном объеме производства следует ли приоритизировать отрасли с уже коммерчески зрелыми решениями или модифицировать производственные линии, чтобы сделать ставку на робототехнику, чей коммерческий рынок еще не сформировался?

Бывший директор по закупкам робототехнической компании

Раньше я считал, что рынок еще не достиг этого уровня и, возможно, отстает на один-два порядка от настоящих массовых продуктов, таких как телефоны и автомобили. Поэтому поставщики также играют в игру, поскольку их внутренние ресурсы ограничены.

Сейчас, по мере того как рынок роботов становится все более популярным, поставщики начинают охотно создавать специальные формы и производить продукты специально для роботов. Считается, что с ростом спроса и уточнением коммерческих путей цепочка поставок будет продолжать расти, как снежный ком.

Каким будет следующий шаг на пути к следующей вехе?

06 Следующая веха: от сальто назад к ловле листа

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Я несколько дней назад посетил Шанхайский цирк, и после просмотра представления у меня сложилось впечатление, что в роботах есть еще очень многое, что нужно улучшить.

Артист, идущий по канату на высоте десятков метров с завязанными глазами, и жонглёр, заставляющий десятки тарелок вращаться одновременно с помощью одной палочки, демонстрируют то, что человечество развивало в течение нескольких миллионов лет: исключительную восприимчивость, инстинктивное равновесие и тактильную обратную связь на уровне микрометров.

Хотя роботы сейчас могут выполнять сальто и боевые искусства, они всё ещё далеки от человека.

Я спросил Ван Чуаня, каких следующих вех он ожидает от робота, и его ответ меня немного удивил. Он не упомянул ничего более сложного или причудливого — вместо этого он описал очень простой, базовый жест, отражающий человеческую интуитивную способность «сенсорно-моторной интеграции»: «поймать листок, падающий с дерева».

Ван Чуан

Партнер Чжиюань / старший вице-президент / президент отдела общих операций

Есть листок, я могу подойти к нему и, протянув руку, легко схватить его.

Просто легкий ветерок пронесся, пролетев через лес, а «оно» прошло, протянуло руку и «случайно» поймало листок. Когда настал этот день, роботы приблизились к нашей жизни еще на шаг.