AI-згенерований огляд: Заявка на IPO YuShu Technology на науково-технічній платформі пройшла схвалення, роботи виступили на Весняному фестивалі, перейшовши від обертання хустки до кульбитів і бойових мистецтв, а роботи від виробників смартфонів побили світовий рекорд у напівмарафоні. У статті детально розглядаються чотири основні системи робота: скелет, суглоби, датчики та електрична та обчислювальна системи. Матеріали скелета еволюціонували від сталі до алюмінієвих, магнієвих та титанових сплавів, що вимагає балансу між зменшенням ваги та стійкістю до ударів; приводи є найдорожчими компонентами, що становлять приблизно 51%, і поділяються на обертальні та лінійні приводи, що включають такі прецизійні деталі, як редуктори, двигуни, гвинтові передачі та енкодери; датчики включають IMU, камери, лазерні сканери та тактильні системи; чипи використовують архітектуру «мозок + мозочок». Стаття зазначає, що хоча компоненти мають понад 80% спільності з ланцюжками постачання смартфонів та автомобілів, справжні труднощі полягають у системній інтеграції, інженерному балансуванні та стабільності масового виробництва, і саме зрілість ланцюжка постачання є ключовим фактором еволюції робототехніки.

Автор статті, джерело: 36氪

«Тілесний парадокс» роботів-андроїдів

1 червня компанія Yushu Technology отримала схвалення комітету з перевірки лістингу Шанхайської фондовій біржі щодо подання на IPO на науково-технічній платформі. Нещодавно Yushu також представила свій перший пасажирський змінний механічний костюм. Наскільки далеко ми ще від реального застосування роботів?

Рік тому на Весняному фестивалі роботи ще крутіли хусточками і танцювали сяньго, а зараз вони вже виконують складні кульгаві та бойові мистецтва. Зараз навіть роботи, виготовлені виробниками смартфонів, здатні побити рекорди людини на напівконях. Чому еволюція роботів за останні два роки відбулася настільки швидко?

Щоб краще зрозуміти еволюцію роботів, ми відвідали кілька провідних компаній-виробників роботів та поговорили з деякими фахівцями галузі: які саме труднощі виникають під час створення роботів? Чи дійсно бар’єри для входу в цю галузь низькі? І що саме є конкурентним перевагою компаній, що виробляють роботів?

У цій статті ми детально розберемо всі компоненти робота, і після повного ознайомлення ви зможете зібрати свого власного робота.

01 Матеріал каркасу: баланс між зниженням ваги та ударостійкістю

Роботи мають різноманітне обладнання, яке можна умовно поділити на чотири системи: скелет, що утворює всю структуру, суглоби, що забезпечують рух скелета, датчики, що відчувають оточення, та електричні та обчислювальні системи, що керують тілом. Почнемо зі скелета.

Якщо автомобіль, що рухається зі швидкістю 60 км/год, зіткнеться з манекеном, від величезного удару манекен вилетить і розлетиться на шматки. Для людиноподібного робота витримувати такий удар уже стало «щоденним».

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Кожен кульгавий переворот робота створює навантаження в кілька десятків g, що може бути вищим, ніж у автомобілів і космічних апаратів, і порівнянним із прискоренням при зіткненні автомобіля зі стіною.

Це ставить виклик щодо матеріалів конструкції робота: щоб виконати переворот, тіло має бути достатньо легким, але водночас міцним, щоб витримувати такі великі ударні навантаження, інакше під час одного перевороту деталі можуть розлетітися. Тож першим викликом для робота є дослідження матеріалів для скелета.

Світова перша повнорозмірна робота WABOT-1 була виготовлена переважно зі сталі, її вага сягала приблизно 160 кг; можливо, навіть один стрибок міг би зробити дірку в підлозі, не кажучи вже про кульбити.

Пізніше, від Honda ASIMO та ранніх гідравлічних версій Atlas від Boston Dynamics до першого покоління Tesla Optimus, алюмінієві сплави стали домінуючими — їх щільність становить лише третину щільності сталі.

Зараз галузь почала досліджувати більше матеріалів, таких як магнієві сплави, що мають густину на третину нижчу, ніж алюміній, а також локально використовуються титанові сплави з вищою міцністю, наприклад, для колінних суглобів, лодижок та інших ділянок, які часто піддаються ударним навантаженням.

Цікаво, що ці жорсткі скелети поглинають удари для роботів, але постачальники, схоже, заробляють лише «напружений дохід».

Був директором по закупівлям у компанії-робототехніку

Ціна продажу каркасу після вирахування вмісту металу та відходів насправді дуже низька. Каркас все ще продається за вартість металу + вартість обробки, і основна вартість — це сам метал, знизити ціну неможливо. Вартість обробки знаходиться в розумних межах, і якщо обсяги зростуть, вартість обробки знизиться до дуже низького рівня, оскільки немає великих бар’єрів для входу.

Крім цих основних каркасів, зовнішні деталі робота можна поділити на дві категорії:

Один тип — це декоративні та захисні елементи, які використовуються переважно на грудях, спині та голові; матеріали варіюються від пластику та штучної шкіри TPU до тканини, і вони призначені для зменшення зносу та поліпшення тактильних відчуттів. Хоча деякі роботи виглядають як металеві, насправді їх корпуси виготовлені з пластику з металевим покриттям.

Інший тип — це біонічні шкіри для роботів, які мають не лише дотик, схожий на людський, а й сенсори дотику, вбудовані під шкірою.

За кістками та шкірою, що дозволяє роботам виконувати різноманітні надскладні рухи, — це суглоби, які є найбільш витратною, технологічно насиченою та найбільш історично насиченою частиною всього робототехнічного обладнання.

02 Розбір виконавчого пристрою: суглоби — це найдорожчі та найскладніші частини

Ви, напевно, бачили багато відео, де роботи танцюють або виконують сальто — це робиться шляхом захоплення рухів людини, а потім навчання моделі для відображення цих рухів на кінцівках.

Кілька років тому, коли ми бачили, як Atlas від Boston Dynamics виконує сальто назад, це викликало велике здивування, але зараз, ймовірно, більшість вважає це звичним — причина полягає в тому, що суглоби роботів перейшли від гідравлічних систем до електродвигунів.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Раніше ми не могли виготовити такі круті суглоби, тоді всі характеристики суглобів були дуже поганими, і виконати сальто було важко, але за останні два роки технології суглобів значно покращилися.

Суглоби в галузі відомі як приводи, їх основною класифікацією є обертальні та лінійні приводи. Спочатку розглянемо плече як приклад, щоб зрозуміти, як вони забезпечують рух тіла.

Плече має три ступені свободи: махи вперед-назад, піднімання вгору-вниз, внутрішнє та зовнішнє обертання, що називаються тангажем (pitch), креном (roll) і курсом (yaw). Оскільки ці рухи за суттю є обертаннями, за допомогою комбінації трьох обертальних приводів рука може вільно рухатися у трьох напрямках: X, Y і Z.

На рівні колінного суглоба зазвичай достатньо одного ступеня вільності, тому достатньо використовувати один обертальний або лінійний привід. Лінійний привід, як м’язи людського тіла, переміщує верхню та нижню кістки за рахунок розтягування.

А виконання одного екстремального руху вимагає тісної координації десятків приводів у всьому тілі: будь-яка затримка в реакції або незначне відхилення сили призведе до падіння.

Яка структура цих виконавчих пристроїв? І обертальні, і лінійні виконавчі пристрої мають сервосистему, що складається з двигуна, енкодера, приводу та датчиків. Основна відмінність полягає в тому, що обертальний виконавчий пристрій — це сервомотор з редуктором, а лінійний виконавчий пристрій — це сервомотор з гвинтовою парою.

Почнемо з редуктора.

Можливо, ви чули про цей пристрій: перше колесо обертається 10 разів, друге — лише 1 раз, третє — лише 0,1 раза, загалом 100 коліс, і так далі; щоб останнє колесо зробило один оберт, перше має зробити гугол (Googol) обертів, тобто 1 зі 100 нулями, що вимагає енергії, більшої, ніж загальна енергія всесвіту.

Це великий редуктор, що по суті є величезним важелем, який жертвує швидкістю на користь сили. Чому суглоби робота потребують редуктора?

Оскільки двигуни за природою є «високошвидкісними, з низьким крутним моментом»: їхня швидкість може легко досягати десятків тисяч обертів на хвилину, але вихідний крутний момент є відносно малим. Для суглобів робота необхідний точний контроль, і нам важко змусити двигун обертатися лише на кілька градусів, водночас піднімаючи дуже важкі предмети, тому потрібно зменшити швидкість, щоб підвищити крутний момент. Чим більший передаточний коефіцієнт (тобто співвідношення шестерень), тим більше зменшується швидкість і тим вищий вихідний крутний момент.

Найпоширенішими типами редукторів у галузі є планетарний, гармонічний та RV-редуктор. Ми використаємо модель, щоб пояснити це.

Спочатку планетарний редуктор, його назва дуже наочна: двигун з’єднаний з центральним шестернею, яка приводить у рух три планетарні шестерні, а ті, в свою чергу, обертають зовнішнє велике колесо, подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Він має компактну конструкцію та низьку вартість, але забезпечує невелике зменшення швидкості; при тій самій частоті обертання двигуна вихідний крутий момент нижчий, тому його часто використовують у суглобах рук.

Для отримання більшої сили використовуються гармонійні редуктори. У їхній центральній частині знаходиться хвильовий генератор, який розтягує гнучке колесо у еліпс. Зазвичай між гнучким колесом і зовнішнім фіксованим металевим колесом різниця становить лише 2 зубці, і лише дві симетричні ділянки гнучкого колеса зачеплені з металевим колесом. Тому під час одного повного оберту хвильового генератора гнучке колесо повертається лише на 2 зубці, що дозволяє досягти дуже великої передаточної відношення.

Вихідний крутильний момент гармонічного редуктора високий і має високу точність, тому його часто використовують у лікотьових та плечових суглобах роботів для точного керування руками.

Як згадувалося раніше, під час виконання заднього перевороту роботом на нього діє сила, що дорівнює удару автомобіля, що створює величезний виклик для редукторів у певних ділянках. Однак гнучка структура гармонійного редуктора означає погану стійкість до ударів, тому тут застосовують RV-редуктор.

Редуктор RV складається з першого ступеня планетарних шестерень і другого ступеня циклоїдальних шестерень з голками; після зменшення швидкості на першому ступені ексцентрична кулачкова шестерня приводить у рух циклоїдальний диск, який зачеплюється з голками на корпусі, змушуючи корпус обертатися.

Це не тільки забезпечує велике передатне відношення, але й через те, що циклоїдальний диск має кілька зубців, що одночасно зачепляються, він має високу жорсткість і кращу стійкість до ударів, тому його часто використовують у кульшових, колінних та хребетних суглобах роботів, де потрібна стійкість до ударів.

Редуктор — це дуже точний компонент, складний у виготовленні, і важко забезпечити стабільність під тривалим зношуванням — це найскладніша частина всього суглоба.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Коли шестерні виробляються та використовуються в великих кількостях, вимоги до точності та стабільності під тривалим навантаженням дуже високі. Наприклад, якщо через 1000 годин роботи виникають різні сторонні шуми або знижується продуктивність, алгоритми керування рухом можуть мати труднощі з корекцією — це проявляється у роботах: вони можуть ходити гірше, ніж раніше, або навіть поступово починати відхилятися вбік.

Роботи можуть виконувати багато екстремальних рухів і самі падати; ці удари можуть пошкодити маленькі шестерні всередині. Як зробити шестерні, які мають відмінну продуктивність, низьку вартість, довгий термін служби, а також витримують удари при падінні і не пошкоджуються легко? Це дуже складний неможливий трикутник.

Іншими словами, зробити один редуктор не важко, важко — зробити десять тисяч однакових за характеристиками та довговічних редукторів.

Давайте розглянемо лінійний привід та його ключовий компонент — ходовий гвинт.

Лінійний привід найбільше нагадує м’язи людського тіла: коли ми рухаємо рукою, не суглоби активно обертаються, а м’язи, що з’єднують кістки на обох кінцях, скорочуються. Тому лінійний привід виконує лише один тип руху — тягнення та штовхання.

Деякі роботи використовують лінійні приводи для колін, щоб імітувати рух м’язів людського коліна шляхом тягнення та штовхання. Коли кілька лінійних приводів комбінуються за допомогою певної структури, вони можуть забезпечувати обертання суглоба. Такий спосіб руху застосовується також до зап’ястя, лодижок та інших ділянок.

Найпростішим способом створення лінійного приводу є гідравлічна система; ранні версії Atlas від Boston Dynamics використовували головним чином гідравлічні циліндри, що надавали переваги у вигляді високої потужності, стійкості до ударів та високої питомої потужності. Чому ранні версії? Тому що нові версії перейшли на електроприводи, оскільки гідравлічні системи складніші, схильні до течій та мають нижчу точність керування порівняно з електроприводами.

Але двигун може обертатися тільки, щоб отримати поступальний рух, потрібен ще «перетворювач» — ходовий гвинт.

На ходовому гвинті є різьба, і під час обертання він переміщує гайку прямолінійно — цей процес схожий на закручування гвинта. Щоб зменшити тертя, всередину ходового гвинта додають кульки — це називається кульковим ходовим гвинтом. Деякі моделі замінюють кульки на ролики, що забезпечує більший термін служби, більшу навантажувальну здатність і кращу жорсткість — це планетарний роликовий ходовий гвинт. Крім того, іноді використовуються Т-подібні ходові гвинти.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Зараз найбільш поширеними є роликові гвинтові передачі, які вимагають дуже високої точності обробки, а також високої однорідності протягом довгого ходу; якщо є якісь недоліки посередині, це створює величезний виклик для алгоритмів керування між різними верстатами.

У деяких лінійних приводах також використовуються редуктори для отримання більшого крутного моменту від двигуна. Однак наразі застосування лінійних приводів у галузі обмежене, існує три основні причини: погана динамічна продуктивність, складність виробництва та висока вартість.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Наразі найбільш масово виробляються саме обертальні суглоби. Лінійні приводи також застосовуються в галузі; їхня особливість — здатність витримувати більші навантаження, а в деяких станах, навіть без живлення, вони зберігають стабільну позу і можуть самозаблокуватися. Однак ми вважаємо, що їхнім недоліком є трохи гірша динамічна продуктивність, оскільки велике навантаження та великий передаточний коефіцієнт призводять до меншої маневреності. Ще одна велика складність полягає в тому, що важко виробляти їх у великих обсягах і з низькими витратами. Тому наразі ми вважаємо, що вони ще не підходять для масового комерційного використання. Оскільки їх зараз використовують мало, обсяги поставок невеликі, а перевірка в реальних сценаріях клієнтів обмежена, загальні витрати залишаються високими.

Після передачі розглянемо саму силу — електродвигуни та сервосистеми.

У робототехніці для тіла робота зазвичай використовуються безрамні моментні двигуни, які порівняно з традиційними двигунами не мають корпусу та підшипників, зберігаючи лише найважливіші компоненти — це робиться для мінімізації розмірів, щоб їх можна було безпосередньо вбудувати всередину суглобів.

Кінчики мають особливу конструкцію: вони використовують менші за розміром мотори з порожнистим якорем, тому їх вихідна потужність відповідно нижча. Складність кінчиків навіть вища, ніж у всього робота.

Основні складності електродвигуна полягають у трьох аспектах: енергоефективність та охолодження, розмір та стабільність продуктивності. Спочатку розглянемо енергоефективність та охолодження.

Електронні пристрої не уникнуть вироблення тепла; коли тепло накопичується надто багато і перевищує нормальний робочий діапазон, продуктивність падає, тому ефективність двигуна — тобто реальна кількість енергії, що витрачається на виконання роботи — дуже важлива. Якщо пристрій перегріється, система керування змушена знизити потужність — наприклад, під час напів-сальто раптово «підламуються ноги», і пристрій падає на землю.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Наші найперші зразки раніше могли виконувати ці екстремальні дії лише один раз за 10 хвилин. Після одного циклу характеристики, такі як швидкість обертання та крутний момент, змінювалися, можливо, через перегрів, і тоді потрібно було спочатку дати пристрою охолонути, щоб температура знизилася, перш ніж продовжувати. Ще одна велика проблема — це ефективність: скільки введеної енергії перетворюється на тепло. Наприклад, різниця між 5% і 3% є дуже великою. Усе це обмежує продуктивність — навіть якщо моя апаратна потужність дуже висока, я не наважуюся збільшувати продуктивність далі.

Між 3% і 5% на перший погляд може здатися, що різниця невелика, але слід враховувати, що нагрівання двигуна не є лінійним.

Коли суглоб виконує граничний рух, миттєвий струм може бути в 3–5 разів вищим за звичайний, а кількість виділеного тепла — у 9–25 разів більшою, ніж у номінальному режимі. Це означає, що швидкість накопичення тепла значно перевищує межу пасивного охолодження суглоба. Під час одного сальто температура суглоба може стрибнути від підвищення на 10 градусів до 50 градусів. Тому після виконання руху двигуну потрібно охолодитися, щоб робот міг виконати наступний рух.

Щоб підвищити ефективність двигуна, потрібно звернути увагу на матеріали двигуна, технологію намотування та конструктивний дизайн — тут ми не будемо детально розглядати це.

Наразі більшість суглобів охолоджуються пасивно, оскільки корпус виготовлений з великої кількості металу, що можна уявити як великий радіатор; додаткове охолодження за допомогою повітря або рідини застосовується лише для суглобів з дуже високою потужністю, наприклад, для ніг.

Додавання додаткових заходів для охолодження створює другий виклик — обмеження за розміром.

Інженери прагнуть мінімізувати розміри суглобових моторів, щоб зменшити вагу та вартість, але головне — чим більший об’єм, тим більший момент інерції, і тим складніше змінювати стан руху.

Наприклад, коли ви обертаєте мотузку, чим коротша мотузка, тим швидше вона обертається; якщо мотузка стає довшою, швидкість обертання зменшується, і для зупинки знадобиться більше часу на згладжування.

Третє труднощем є стабільність продуктивності, тобто при якому струмі на вході двигуна його швидкість обертання та який крутний момент він може виробляти — у галузі це називається TN-кривою. Це впливає на алгоритми керування роботом.

Наприклад, коли ви проходите нерівну поверхню, шестивимірний датчик моменту сил на лодыжці відчуває похитування, і для підтримки рівноваги необхідно динамічно регулювати струм, щоб керувати крутним моментом двигуна. Якщо крива TN нестабільна, система керування може надсилати ті самі команди, але крутний момент двигуна відхиляється, що призводить до падіння.

Крива TN також сильно впливає на навчання алгоритму, оскільки роботи спочатку навчаються у симуляційній системі; якщо крива TN у симуляційній системі значно відрізняється від реальності, це призведе до відхилень у реальній продуктивності.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Я надам криву симуляційній системі; на практиці цей двигун здатний досягти або навіть перевищити цю криву, тому він зможе виконати будь-яку бажану продуктивність або рух. Якщо ж навпаки — при низьких обертах все добре, але при збільшенні швидкості продуктивність падає, тоді певні найскладніші рухи будуть неможливими, оскільки деякі з найважчих рухів вимагають надзвичайно високої швидкості та надзвичайної вибухової сили.

Для точного керування кількістю обертів двигуна необхідна сервосистема, яка складається з енкодера, приводу та датчиків.

Датчик використовується для вимірювання кута, швидкості та положення ротора двигуна, щоб система знала, у якому стані знаходиться двигун.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Кодувальник дійсно дуже важливий: через наявність редуктора в роботі необхідно використовувати подвійний кодувальник, щоб визначити положення як вхідного, так і вихідного кінця, щоб забезпечити більш точне керування.

Драйвер регулює напругу та струм, подавані на двигун, на основі зворотного зв’язку від кодувальника та керуючих команд від «мозочку».

Існує багато типів датчиків, наприклад, датчики моменту для вимірювання вихідного крутильного моменту, датчики температури для вимірювання температури двигуна, запобігання перегріву тощо.

Ось основні компоненти виконавчого пристрою. Тепер розглянемо загальний вигляд виконавчого пристрою і чому він є ключовим для зниження витрат. Яка різниця між розробкою власними силами та закупівлею?

За оцінками Bank of America, виконавчі механізми є найвартіснішими компонентами робота і становлять приблизно 51%.

Був директором по закупівлям у компанії-робототехніку

Незалежно від руки чи мотора, мотор (мотор) і контролер (контролер), тобто ваші м’язи (актуатори), коштують дорожче, ніж ваші кістки, ніж ваші очі (датчики), мозок (чіп), включаючи ваше серце (батарея).

Тому виконавець є ключовим фактором для масового виробництва та зниження витрат, і найважливішим фактором є те, що китайський ланцюг постачання надто конкуренційний: багато компонентів, які раніше треба було точно обробляти на заводах інших країн, зараз можна знайти альтернативи в Китаї.

Наприклад, WL Electric Drive для електродвигунів, Leader Harmonic Drive, Shuanghuan Transmission, Zhongdalide тощо, а також компанії, які безпосередньо надають повністю готові приводи, такі як Sanhua Intelligent Control, Tuopu тощо.

Оскільки в готовому вигляді виконавці можна купити на ринку, чому компанії-робототехніки витрачають час і зусилля на власну розробку? Порівняємо ці два підходи.

Якщо купувати готові вироби, можна знизити витрати на дослідження та розробку та підвищити ефективність розробки, але відповідні витрати на матеріали будуть вищими, важко буде налаштовувати їх під власні потреби, а продуктивність також буде нижчою.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Більшість (виконавчих) компаній не будуть створювати для вас щось на замовлення — вони продають лише стандартні компоненти, які, як правило, коштують досить дорого. Якщо у компанії невелика команда та недостатньо досвіду в галузі, краще купити готовий розв’язок — це дозволить швидше реалізувати проект.

Якщо розробляти власноруч, можна краще відповідати вимогам та алгоритмам, досягаючи вищої продуктивності, але це вимагатиме значних зусиль у розробці.

Вибір шляху більше залежить від розміру компанії та витрат: згідно з нашим дослідженням, найбільші робототехнічні компанії наразі переважно віддають перевагу розробці власних рішень і навіть залучаються до дизайну на стороні постачальників.

Таким чином, суглоби робота — це не просто з’єднання деталей, а досягнення балансу між силою, точністю, довговічністю, вартістю та вагою в надзвичайно малих розмірах, що робить його найскладнішою частиною всього тіла, оскільки це нова галузь, де ланцюжок поставок раніше був недосконалим, і всі перебувають у фазі дослідження.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

(На початковому етапі) багато обладнання на виробничих лініях не існувало в галузі, і нам довелося самим розробляти (виробляти) обладнання.

Міцні суглоби — це добре, але як роботу знати, як стояти міцно? Як він відчуває світ? Давайте поговоримо про сенсори.

Сучасні роботи в більшості випадків важко збити з рівноваги, навіть якщо людина втручається. Для досягнення такої рівноваги на апаратному рівні необхідно використовувати різні датчики, вбудовані в тіло.

З одного боку, це сервосистема двигуна, згадана раніше, яка за допомогою енкодера і датчика моменту, розташованих у суглобі, в реальному часі визначає поточне положення та навантаження кожного суглоба, а потім коригує вихід з частотою тисячі разів на секунду.

З іншого боку, одного «відчуття кінцівок» недостатньо; подібно до того, як людина використовує вестибулярну систему внутрішнього вуха для визначення нахилу та обертання тіла, у роботі цю функцію виконує інерційний вимірювальний модуль (IMU).

IMU дуже поширений, наприклад, коли ви повертаєте телефон, зображення також повертається — це завдяки IMU.

IMU — це комбінація кількох датчиків, найважливішими з яких є два: прискореномір, який вимірює прискорення по трьох осях X, Y, Z, та гіроскоп, який вимірює кутову швидкість по трьох осях: тангаж, курс і крен. Крім того, IMU може включати магнітометр, який діє як електронний компас для калібрування.

Зібравши ці дані, IMU може в реальному часі відчувати рух робота: коли ми штовхаємо його, тіло миттєво отримує прискорення та може падати вперед, назад або вбік. Після виявлення цих змін IMU передає дані «мозочку», який розраховує, скільки моменту потрібно додати або зменшити для кожного суглоба, щоб відновити рівновагу. Цей компонент широко використовується в смартфонах, автомобілях тощо, тому його технологія та застосування досить дорослі.

Запобігання падінням залежить від IMU, а для повсякденних дій важливішим є запобігання зіткненням, і для уникнення перешкод найбільше залежать від візуальної системи.

«Очі» робота дуже схожі на автопілот автомобіля, але не є повністю однаковими. Поширеним рішенням є поєднання кількох сенсорів: камери, лазерного радара та радара з хвилею в міліметровому діапазоні. Єдиним винятком є Tesla Optimus — відомо, що Маск є прихильником чисто візуального підходу і використовує лише камери.

Щодо використання датчиків, роботи майже такі ж, як автомобілі, і багато постачальників перейшли з автопромислової ланцюжки. Однак, хоча це ті самі датчики, їх конкретні специфікації значно відрізняються; ми наведемо приклад дорогого лазерного лідара.

Спочатку вимоги до діапазону вимірювання різні. Автомобілі мають їздити по швидкісних дорогах, тому лідару потрібно бачити перешкоди на відстані 150–200 метрів. Роботи переважно працюють у приміщеннях, і для них достатньо 10–20 метрів. Коротший діапазон вимірювання означає, що потужність, розмір і вартість лідару також можуть бути нижчими.

Друге — різна густина хмари точок і методи сканування. Автомобілі виявляють автомобілі, людей, перешкоди — це великі об’єкти, тому густина хмари точок може бути нижчою, але роботи повинні піднімати відвертку зі столу або підібрати монету з підлоги — це маленькі об’єкти, тому потрібна більша густина хмари точок.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Ми хочемо, щоб хмара точок була дуже щільною. Зараз ми використовуємо неповторне сканування: коли ви трохи постоїте на місці, хмара точок стає щільнішою. Для нас це дуже добре, бо наш робот часто не виконує дуже інтенсивних операцій — він діє, як людина: багато речей людина робить повільно. А автомобілі вимагають високої стабільності, реального часу та повторюваності.

Третє — різниця в місці встановлення та розмірі. Автомобіль може встановлювати лідар на даху або на бампері, і трохи більший розмір не має значення, але у робота тіло менше, тому потрібно використовувати менші модулі.

Четверте — вимоги до надійності різні. Наприклад, автомобілі постійно знаходяться на вулиці, тому вимоги до робочої температури вищі; роботи зазнають більших ударних навантажень, тому вимоги до вібраційної стійкості вищі.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Раніше, коли я працював над автопромисловими стандартами, мінімальні вимоги до лазерного радара становили від -40 до 85 градусів, але в робототехніці, принаймні зараз, це зовсім не потрібно. Тому багато проектних рішень в автомобілях, спрямованих на надійність, виглядають як надлишкові з точки зору роботів. Під час аварії автомобіль може витримувати прискорення, що дорівнює прискоренню, яке робот зазвичай випробовує під час одного повороту в повітрі, тому вимоги до стабільності в умовах вібрації у нас дуже високі.

Хоча лідар для автомобілів вже дуже досконалий, лідар для роботів все ще перебуває на початковій стадії розвитку галузі.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Ми хочемо, щоб пристрій став меншим, хмара точок — щільнішою, діапазон перегляду — коротшим, але FOV (кут огляду) — більшим, — ці вимоги досі не задоволені.

На камерах, згідно з інформацією колишнього керівника апаратного забезпечення штучного інтелекту в Tesla, вони вибрали автокамери, але шлях внутрішньої розробки неодноразово змінювався.

Лю Сянкэ (Керрі)

Був керівником апаратного забезпечення штучного інтелекту в Tesla

Поточний розрахунок базується на камерах у машині — 5 мільйонів пікселів. Ранній найперший варіант використовував багато камер, і піксельність у них відрізнялася: знижували частоту кадрів, а піксельність підвищували. Чому це робили? Бо тоді Ілон поставив вимогу, щоб робот міг прошити нитку через голку. Ми розрахували, що для виконання цієї вимоги потрібно мати більше 15 мільйонів пікселів, щоб було видно цей процес.

Також команди програмного забезпечення зазначили, що якщо змінити пікселі та камеру, вимоги до переосвіти моделі, час і обсяг роботи зростуть надто сильно. Що робити, якщо це неможливо? Вирішили додати автофокус до камери. Але потім, схоже, знову сказали, що це, можливо, не обов’язково, тому все постійно змінюється.

Далі розглянемо тактильні відчуття, для реалізації яких існує чотири основні шляхи:

Найпоширенішими є п’єзорезистивні, які перетворюють тиск на опір, змінюючи електричний сигнал, наприклад, використовуються в електронних вагах.

Другий тип — ємнісний, де верхній і нижній шари розділені пружним діелектриком; коли застосовується тиск, відстань між електродами зменшується, і ємність змінюється.

Третій — п'єзоелектричний: коли матеріал піддається напрузі, він безпосередньо генерує напругу, наприклад, пристрій для іскрового розряду в запальничці.

Четвертий тип — оптичний, з еластичним матеріалом на поверхні, який деформується під навантаженням і фіксується камерою — це найпопулярніший метод на даний момент.

Дотик повинен бути тривимірним: крім тиску, він повинен відчувати тертя на площині. Наприклад, коли ми піднімаємо пляшку з кока-коло, рука стискає пляшку і піднімає її вгору; якщо пальці відчувають тертя, що сприяє ковзанню пляшки, вони збільшують тиск, щоб запобігти випадінню.

Але це також ставить великі виклики перед матеріалами та алгоритмами.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Спочатку на рівні сенсорів, оскільки вони за суттю є матеріалами, і будь-який матеріал важко добре роз’єднати у трьох напрямках (XYZ), тому точність значно складніша, ніж у одновимірних силах — як зробити їх точними? По-друге, як поєднати такі складні дані тривимірного дотику з моделями керування — це також дуже складно, оскільки загальний обсяг даних дуже малий.

На тлі цих викликів раніше промислові роботи майже не оснащувалися тактильними датчиками.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Упродовж усіх продуктів, що будуть масово вироблятися у 2025 році, тактильна відповідь використовується дуже рідко, майже зовсім не використовується — не лише нами, а й усьом індустрією, бо ця технологія нестабільна.

Потрібно врахувати, як вони можуть тривалий час утримувати предмети, не деформуючись, оскільки навіть невелика деформація може повністю змінити вихідний сигнал. Крім того, не повинно відбуватися зміщення продуктивності — форма та положення не повинні пошкоджуватися, при цьому матеріал має бути трохи м’яким, але водночас дуже стійким до зносу, що само по собі є досить суперечливим завданням.

Але цього року ситуація, здається, трохи змінилася. Наші інтерв’юовані вважають, що до 2026 року з’явиться перспектива масового виробництва, а потім потрібно буде зрозуміти, як краще інтегрувати тактильні системи в збирання даних та навчання. Загалом, індустрія тактильних технологій все ще на дуже ранній стадії, і ми очікуємо багато подальших досягнень.

Крім згаданих раніше датчиків, роботу також необхідно оснастити датчиками температури, вологості, шестивимірними датчиками моменту, UWB тощо — усі вони досить дорослі, тому ми не будемо на них зупинятися.

Датчики дозволяють роботам відчувати світ, суглоби надають роботам здатність рухатися, але щоб поєднати це, потрібен «центральний орган». Давайте поговоримо про цей центральний орган — електричну архітектуру.

У попередній статті про роботизовані алгоритми ми згадували, що галузь розробила двосистемну архітектуру «System 1 + System 2», де System 1 відповідає за керування кінцівками, а System 2 виконує складні міркування; на чіпах також використовується комбінація «мозжечок + великий мозок».

Чому не використовувати один чіп для всього? Бо вимоги повністю протилежні.

Мозговий чіп, щоб думати про те, «як робити речі», потребує високої обчислювальної потужності та великої пам’яті, краще, щоб велика модель працювала на кінцевому пристрої — затримка в кілька секунд майже не має значення.

Наразі більшість роботів використовують чіп Orin від NVIDIA. У 2025 році NVIDIA представила чіп Thor, який має вищу продуктивність і розроблений спеціально для роботів та фізичного ІІ, і він передбачається як майбутній стандарт.

За винятком Tesla Optimus, він використовує власноруч розроблені чіпи, причому два чіпи.

Лю Сянкэ (Керрі)

Був керівником апаратного забезпечення штучного інтелекту в Tesla

Роботи не є автономними, тому такі міркування щодо безпеки до них не застосовуються. Сам Елон вважав: «Ця надлишкова безпека не потрібна — достатньо одного чіпа». Після створення однокристальної системи він зрозумів, що це не так: вимоги до обчислювальної потужності для світової моделі робота значно перевищують такі для автономного транспорту. Якщо для автономного транспорту двох чіпів майже не вистачає, то як робот зможе обійтися одним? Він сам швидко зрозумів свою помилку: «Ні-ні, повертаємося до двох чіпів».

Крім того, на CES на початку цього року Qualcomm також представила чіп для роботів Dragonwing IQ10 і оголосила про співпрацю з Figure.

Але для чіпів мозочка, які «керують тілом», не потрібна дуже висока обчислювальна потужність, але обов’язково висока часовість, стабільність і швидкість відгуку — навіть затримка в кілька мілісекунд може призвести до падіння.

Наприклад, під час виконання роботом сальто або танців використовуються заздалегідь записані рухи, але ми помічаємо, що його ноги все одно роблять дрібні кроки — це мозочок динамічно регулює рівновагу, подібно до «інстинктивних реакцій» людини.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Мозочок вимагає дуже високої швидкості, тому частота всередині мозочка може бути 1 кГц.

Наразі мікроконтролери (MCU) є типовими чіпами для мозочка, до найпопулярніших належать серії STM32 від STMicroelectronics, серії i.MX RT від NXP та серії RZ від Renesas.

Зараз ми також бачимо нову тенденцію: галузь намагається інтегрувати чіпи мозку та мозочка. Тут Tesla є лідером — вона з самого початку йшла саме цим шляхом.

Лю Сянкэ (Керрі)

Був керівником апаратного забезпечення штучного інтелекту в Tesla

Ми спочатку припустили, що тоді використовувався власний чіп комп’ютера Hardware 4. Мозок і мозочок Tesla зосереджені на одному чіпі — як через цей чіп за допомогою певної архітектури зв’язку керувати всіма діями тіла? Ми також витратили певний час на дослідження такого рішення: в одному SOC одночасно є ASIC для обчислень і багатоядерний CPU, який може використовуватися для обробки таких речей, як мозочок; цей CPU з високою частотою має дуже низьку затримку.

Крім Tesla, інші компанії також досліджують інтегровані рішення.

Наприклад, у березні цього року Lingjing Zhiyuan випустила архітектуру Дворжака, інтегрувавши три функції — «мозок-мозочок-кора» — на одному чіпі. Які переваги дає об’єднання всього на одному чіпі?

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Спочатку я вважаю найбільшою перевагою те, що тепер все виконано на одній платі, тому об’єм грудної клітки та трасування стають набагато простішими. Далі, щодо мозку й мозочка: чим далі, тим важливішим стає їхнє координування. Наприклад, коли хтось кидає в вас дартс, ви бачите та передбачаєте траєкторію дартса — це робить мозок, але коли ви витягуєте руку, щоб зловити його — це мозочок. Чим швидше відбувається зв’язок між цими двома, тим краще ви можете виконувати надзвичайно складні рухи. Якщо мозок і мозочок виконані разом, зв’язок між чіпами буде надзвичайно швидким, і мозок зможе реалізувати контроль над мозочком у реальному часі з дуже високою швидкістю зворотного зв’язку.

Проте, згідно з думкою галузі, єдина чіп-архітектура для мозку та мізку все ще перебуває на дуже ранній стадії, і компанії з робототехніки перейдуть до інтегрованих власних чіпів лише після того, як обсяги виробництва роботів стануть достатніми, а ринок — достатньо великим, подібно до того, як це зробили компанії з інтелектуальних автомобілів сьогодні.

Нарешті, потрібні батареї, які забезпечують енергією все тіло, подібно до серця робота. Основна вимога — досягти більшої ємності при меншій густині; основними постачальниками є CATL, LG, EVE Energy тощо.

Також є проводи, що розташовані по всьому тілу, подібно до нервів і судин, для зв’язку та живлення між пристроями. Основними постачальниками є Luxshare Precision, TE Connectivity, Amphenol тощо.

Щодо різноманітних видів постачання роботів, ми не будемо описувати їх усі; тут розміщено панорамну картинку — усім, хто цікавиться, можна збільшити та дослідити.

Дійшовши сюди, ви, мабуть, навчилися, як зробити робота, але не поспішайте — якщо ви справді спробуєте зробити це самі, ви помітите, що зустрінете проблеми скрізь, бо найбільша складність у створенні робота — це баланс між різними інженерними аспектами.

Нарешті давайте обговоримо проблеми зі збиранням та масовим виробництвом, а також причини стрімкого розвитку робототехніки за останні два роки.

05 Збірка та масове виробництво: працездатність не означає зручність

Якщо ви дивилися робототехнічний марафон минулого тижня, ви помітили б багато цікавих моментів на місці події.

Дехто сідав, де попало, і сусідні роботи аплодували; хтось під час бігу вивихнув ногу, напився, втратив руку, влетів на клумбу або розбився на шматки, споткнувшись про зниження швидкості.

Також дуже вдалими виявилися роботи Honor — вони посіли перші шість місць та побили світовий рекорд людини на півмарафоні.

Але це також викликало деякі обговорення: якщо виробники смартфонів можуть так добре впоратися з робототехнікою, чи означає це, що в цій галузі немає бар’єрів для входу?

Відповідь експертів: Так, і Ні. Спочатку розглянемо частину «Так».

Як ми згадували раніше, різні компоненти, постачальники та галузі смартфонів та автомобілебудування сильно перетинаються; далі, деякі алгоритми можна повторно використовувати в автопілотуванні — ось чому Honor, Xiaomi, Tesla та Xpeng вирішили зайнятися робототехнікою.

Був директором по закупівлям у компанії-робототехніку

Покриття постачальників у сфері електричних і енергетичних систем (електрика та обчислення) досягає більше 90%. Навіть якщо форми для механічних систем (каркас) різні, багато постачальників є схожими. Електропривід — це єдина область, яка може мати менший зв’язок із автомобілями, оскільки в автомобілях не потрібно забезпечувати великий крутильний момент. Однак деталі, такі як редуктори та шестерні, дуже поширені в автомобілях, а також датчики. Отже, більше 80% компонентів можуть бути однаковими.

Теоретично, якщо ви знаєте цих постачальників, ви можете зібрати робота самі. Але між «працює» і «зручний у використанні» лежить величезна прірва — ось що таке No.

Наприклад, після збірки розподіл ваги нерівномірний, центр тяжіння робота зміщується, і для збереження рівноваги під час ходьби деякі суглоби повинні додатково напружуватися, що збільшує споживання енергії, скорочує час автономної роботи і навіть впливає на стабільність кроку.

Або в лабораторії він працює без проблем протягом години, але в реальних умовах після 100 годин роботи з’являються різні проблеми: наприклад, один гвинт розкрутився, один кабель зношений, жир у суглобі висох, один датчик почав зміщуватися — все це потрібно постійно налаштовувати, щоб знайти баланс.

Був директором по закупівлям у компанії-робототехніку

Кожен компонент я розбиваю на постачальників, і мені здається, що складність кожного постачальника не висока, на мою думку, найскладнішим є саме системна інтеграція.

Більше йдеться про те, що ви наклали на нього обмеження, наприклад, ви хочете зменшити його вагу, зробити його легшим до певного рівня, але коли ви обмежуєте його формою людини, то його момент сили та точність мають досягти рівня людини — ось у чому полягає складність, більше йдеться про інженерні компроміси.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Часто товари, які можна купити на ринку, не задовольняють, вони не відповідають нашим вимогам до застосування алгоритмів, тому це всі ключові компоненти, які ми повинні виготовляти самі.

Для створення робота, який можна комерціалізувати та масово виробляти, знову виникне проблема зі сталістю.

Оскільки зазори в суглобах, нульові точки датчиків і параметри двигунів кожного пристрою відрізняються, для стабільного застосування однієї й тієї ж алгоритмічної системи до різних серій пристроїв необхідно налаштувати кожен із цих параметрів.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Поставте 10 роботів там і надішліть їм однакові параметри (команди) — їхні руки витягнуться в різні місця.

Якщо під час виконання операції відхилення становить кілька міліметрів, це може змінити ситуацію зі спроби схопити об’єкт на його перевертання — тоді дуже складно правильно калібрувати всі сенсори та виконавчі пристрої роботів. Крім того, після калібрування чи можна забезпечити стабільність через рік, коли багато компонентів витримують знос, а сенсори вже мають спотворення? У цьому випадку може знадобитися онлайн-калібрування, тобто здатність системи самостійно аналізувати похибки. Це все — невидима робота, але якщо її не зробити, багато проблем у подальшому не вдасться вирішити.

Тоже справжня складність — не «зібрати разом», а системна інтеграція.

Повернемося до робототехнічного марафону: цього року не лише швидкість значно зросла, але й загальна ступінь завершеності покращилася. Подивіться на еволюцію рухів роботів за останні два роки — від ходьби, до обертання хусточками, а потім танців і бойових мистецтв. Чому еволюція за ці два роки була настільки швидкою? Найважливіша причина — дозрівання ланцюжка постачання.

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Протягом останніх одного-двох років робототехнічна галузь не користувалася такою великою підтримкою, як зараз; тоді люди не вкладалися у створення лазерного сканування для роботів, а просто казали: «Це для вантажівок логістики, візьміть і використовуйте». Тоді ми просили інших, і всі ставилися до роботів зі скептицизмом.

Як ми вже зазначали раніше, багато ланок ланцюга постачання роботів перетинаються з автопромислом, і раніше для постачальників існувала проблема внутрішньої конкуренції за ресурси: при обмеженій потужності виробництва варто надавати пріоритет комерційно зрілим галузям чи модифікувати виробничі лінії, щоб зробити ставку на ринок роботів, ще не зрілий комерційно?

Був директором по закупівлям у компанії-робототехніку

Раніше я вважав, що ринок ще не досяг цього рівня і може відрізнятися на один-два порядки від справжніх масових продуктів, таких як мобільні телефони, автомобілі тощо. Тож постачальники також грають у гру, оскільки їхні внутрішні ресурси обмежені.

Зараз, зі зростанням популярності робототехнічного напрямку, постачальники починають охоче розробляти та виготовляти спеціалізовані продукти для роботів. Віримо, що зі зростанням попиту та чіткішою комерціалізаційною моделлю ланцюжок постачання продовжуватиме рости, як куля снігу.

Яким буде наступний крок на шляху до досягнення наступної віхи?

06 Наступна віха: від сальто до ловлі листка

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Кілька днів тому я відвідав Шанхайський цирк, і після перегляду вистави я зрозумів, що у роботах ще дуже багато чого потрібно покращити.

Актор, який йде по тонкій дротині на висоті десятків метрів з зав’язаними очима, та жонглер, який розкручує десятки тарілок одночасно лише однією паличкою, демонструють те, що людство розвивало протягом мільйонів років: екстремальну чутливість, інстинктивну рівновагу та дотик, що працює з точністю до мікронів.

Хоча зараз роботи можуть виконувати сальто та бойові мистецтва, вони все ще дуже далекі від людини.

Я запитав Вана Чуана, якій наступній віхі у розвитку робота він надає перевагу, і його відповідь дійсно мене здивувала. Він не згадав ніяких більш складних або фантастичних дій — натомість назвав дуже просту, але глибоко людську дію: «спіймати листя, що падає».

Ван Чуан

Партнер Чжіюань / старший віце-президент / президент відділу загальних операцій

Є листок, я можу підійти до нього, підняти руку — і він саме влізає мені в пальці.

Лише легкий вітерець пронесся крізь ліс, а «воно» пройшло, простягнуло руку і «випадково» спіймало листок. Коли настав цей день, роботи наблизилися до нашого життя ще на один крок.