Tại sao robot hình người mở ra một đại dương xanh mới cho các ứng dụng động cơ không lõi

 

Robot hình người, với tư cách là đại diện xuất sắc của robot đa năng và là vật mang lý tưởng của "trí thông minh hiện thân", một mặt được hưởng lợi từ sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo nói chung, mặt khác, bằng cách trở thành cầu nối giữa AI và thế giới thực với "trí tuệ hiện thân", dần dần phát triển thành nền tảng cuối cùng cho thế hệ trí tuệ nhân tạo nói chung tiếp theo. Trong các nhiệm vụ của robot, các mô hình lớn AI đảm nhận vai trò quan trọng trong việc suy luận và ra quyết định, chuyển đổi các hướng dẫn phức tạp thành các bước thực thi cho robot bằng cách phân tích các lệnh ngôn ngữ tự nhiên. Hơn nữa, việc bổ sung các mô hình lớn AI đa phương thức giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu quả của lý luận và ra quyết định, cung cấp hỗ trợ quan trọng cho robot hình người tiến tới khái quát hóa.

 

 

Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp robot phụ thuộc vào sự đổi mới trong công nghệ thành phần chính và sự ổn định của nguồn cung cấp chúng. Trong robot hình người, bộ giảm tốc, hệ thống servo và bộ điều khiển được coi là ba thành phần cốt lõi, cùng chiếm hơn 70% tổng chi phí. Ngoài ra, là một thành phần cốt lõi, không thể bỏ qua giá trị của động cơ. Ở các robot hình người như Optimus, chi phí động cơ chiếm khoảng 25% tổng giá trị thành phần.

 

Giả sử rằng khối lượng vận chuyển robot hình người trên toàn cầu sẽ đạt 5 triệu chiếc trong thập kỷ tới, nhu cầu về động cơ không lõi (không có lõi sắt) sẽ chứng kiến ​​sự tăng trưởng lớn của thị trường trong giai đoạn này. Dựa trên đơn giá, mức tăng thị trường cho động cơ không lõi có thể đạt 350 tỷ RMB, trong khi thị trường gia tăng cho động cơ không lõi dự kiến ​​sẽ vượt quá 78 tỷ RMB. Cùng với nhau, cả hai sẽ tạo thành một không gian thị trường rộng lớn trị giá 428 tỷ RMB.

 

 

Không giống như robot công nghiệp được sử dụng trong môi trường làm việc cố định, robot hình người chủ yếu phục vụ các tình huống cuộc sống hàng ngày của con người. Những robot này không chỉ cần khả năng nhận thức, ra quyết định và hành động mà còn cần mô phỏng các mô hình hành vi của con người để tương tác với môi trường và người dùng theo cách tự nhiên hơn. Do đó, động cơ, với tư cách là thành phần cốt lõi của bộ truyền động khớp, ảnh hưởng trực tiếp đến tính linh hoạt, độ chính xác và độ ổn định của robot.

 

Trong số các công nghệ truyền động khác nhau, truyền động động cơ điện có những ưu điểm vượt trội so với truyền động thủy lực. Giải pháp truyền động động cơ điện được hưởng lợi từ công nghệ điều khiển chuyển động hoàn thiện, cung cấp phản hồi theo thời gian thực về trạng thái chuyển động thông qua bộ mã hóa có độ chính xác cao để đảm bảo điều khiển chính xác. Đồng thời, giá thành của hệ thống truyền động động cơ điện thấp hơn so với hệ thống thủy lực, ít cần bảo trì hơn. Đặc tính tiết kiệm chi phí này khiến động cơ điện trở thành một trong những lựa chọn chủ đạo để phát triển robot hình người.

 

Trong số đó, động cơ không lõi, với đặc tính nhẹ, hiệu suất cao và quán tính thấp, đã trở thành thành phần chính trong việc cải thiện hiệu suất của robot hình người.Động cơ không lõi có thể cung cấp mật độ công suất lớn hơn và tốc độ phản hồi cao hơn với khối lượng nhỏ, cho phép robot thể hiện hiệu suất vượt trội trong điều khiển khớp nhiều bậc tự do. Ngoài ra, động cơ không lõi có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, giúp rô-bốt đạt được tuổi thọ pin lâu hơn.

 

1.1 Robot hình người hòa nhập vào cuộc sống hàng ngày, thể hiện sức mạnh công nghệ quốc gia

Robot hình người đã dần trở thành những trợ lý đáng tin cậy trong cuộc sống hàng ngày của con người, có khả năng hỗ trợ nhiều nhiệm vụ phức tạp. Không giống như robot công nghiệp thường làm việc trong môi trường cố định, robot hình người được thiết kế để hòa nhập với môi trường xung quanh hàng ngày của con người. Những robot này không chỉ sở hữu những khả năng cốt lõi như nhận thức, ra quyết định và hành động mà còn có đặc điểm di chuyển giống con người và thiết kế ngoại hình thân thiện, khiến chúng dễ dàng được con người chấp nhận hơn và tạo cảm giác quen thuộc. Bằng cách thích ứng linh hoạt với các môi trường khác nhau, robot hình người cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như gia đình, dịch vụ và chăm sóc sức khỏe.

 

Là thiết bị thông minh tiên tiến, robot hình người được coi là biểu tượng cho sức mạnh công nghệ quốc gia. Sự phát triển của chúng đòi hỏi phải vượt qua các rào cản công nghệ trên nhiều lĩnh vực, bao gồm kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện, khoa học vật liệu, công nghệ cảm biến, hệ thống điều khiển và trí tuệ nhân tạo. Với các đặc điểm ngoại hình giống con người, khả năng đi lại bằng hai chân và công nghệ điều khiển chuyển động có tính phối hợp cao, robot hình người có thể thực hiện các nhiệm vụ vật lý và giao tiếp với con người thông qua ngôn ngữ hoặc nét mặt. So với robot truyền thống, robot hình người thể hiện những lợi thế đáng kể về tương tác giữa người và máy, thích ứng với môi trường và tính linh hoạt trong nhiệm vụ.

 

 

1.2 Sự phát triển của robot hình người: Từ ý tưởng đến công nghiệp hóa

Khái niệm về robot đã tồn tại hơn một thế kỷ và nghiên cứu về robot hình người bắt đầu vào giữa{0} thế kỷ này, trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm cho đến giai đoạn đầu của quá trình công nghiệp hóa. Việc sử dụng sớm nhất thuật ngữ "robot" xuất phát từ vở kịch RUR (Rossum's Universal Robots) của nhà văn Séc Karel Čapek, có nghĩa là những nô lệ máy móc phục vụ nhân loại. Việc sản xuất hàng loạt robot công nghiệp bắt đầu từ những năm 1960, với cánh tay robot "UNIMATE" do công ty Unimation của Mỹ tung ra, mở ra kỷ nguyên của robot công nghiệp thương mại.

 

Việc nghiên cứu và phát triển robot hình người bắt đầu ở Nhật Bản và dần dần bước vào giai đoạn hệ thống hóa và có tính năng động cao:

 

Giai đoạn khám phá ban đầu (Khoảng những năm 1970): Năm 1973, Giáo sư Ichiro Kato của Đại học Waseda ở Nhật Bản đã phát triển robot hình người đầu tiên trên thế giới, WABOT-1, và cơ chế đi bằng hai chân WL-5 của nó đã đặt nền móng cho robot hình người robot.

 

Giai đoạn hội nhập công nghệ (thập niên 1980-1990): Năm 1986, Honda bắt đầu nghiên cứu về robot hình người ASIMO và đến năm 2000, mẫu ASIMO thế hệ đầu tiên được ra mắt, đánh dấu sự bước vào giai đoạn công nghệ tích hợp cao của robot hình người.

 

Giai đoạn đột phá về hiệu suất động (2000-2020): Năm 2016, Boston Dynamics của Hoa Kỳ đã cho ra mắt robot hai chân Atlas, với khả năng giữ thăng bằng mạnh mẽ và hiệu suất vượt chướng ngại vật, đã đạt đến tầm cao mới về chuyển động năng động và thực hiện nhiệm vụ trong môi trường nguy hiểm.

 

Giai đoạn công nghiệp hóa sớm (2020-hiện tại): Năm 2022, Tesla đã ra mắt nguyên mẫu robot hình người Optimus, trình diễn công nghệ truyền động động cơ và trí tuệ nhân tạo tích hợp cao tại Ngày Tesla AI. Phiên bản 2023 của Optimus có khả năng phân loại vật thể và cân bằng chính xác, báo hiệu rằng robot hình người đang dần hướng tới ứng dụng thực tế.

 

1.3 Tích hợp sâu giữa robot hình người và công nghệ động cơ

Sự phát triển không ngừng của robot hình người không thể tách rời khỏi sự hỗ trợ của công nghệ động cơ. Là thành phần cốt lõi của bộ truyền động khớp robot, động cơ không chỉ quyết định hiệu suất chuyển động của robot mà còn ảnh hưởng đến tính linh hoạt và độ bền của nó. Với độ chính xác cao, mức tiêu thụ năng lượng thấp và độ tin cậy, bộ truyền động động cơ đã dần trở thành giải pháp năng lượng được sử dụng phổ biến nhất cho robot hình người. Trong khi đó, động cơ không lõi với các ưu điểm như nhẹ, hiệu suất cao và quán tính thấp đang cung cấp hỗ trợ công nghệ quan trọng cho sự phát triển nhanh chóng của robot hình người.

 

Trong tương lai, với những đột phá hơn nữa về công nghệ, robot hình người sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong nhiều tình huống cuộc sống khác nhau, tiếp thêm sức sống mới cho sự phát triển kinh tế và xã hội toàn cầu. Điều này khiến thị trường ô tô, đặc biệt là thị trường ô tô không lõi, trở thành một đại dương xanh mới và rất được mong đợi.

 

1.4 Cấu trúc Robot hình người: Phân tích các thành phần chính

Cấu trúc chính của robot hình người có thể được chia thành ba mô-đun chính: bộ truyền động, bộ điều khiển và cảm biến. Các bộ phận chính như động cơ, bộ giảm tốc và cảm biến quyết định hiệu suất của robot. Dưới đây là phân tích chi tiết về các thành phần này:

 

1.4.1 Động cơ

Động cơ là cốt lõi của việc thực hiện chuyển động của robot hình người, bao gồm động cơ servo, động cơ bước, động cơ mô-men xoắn và động cơ hình cầu, cùng nhiều loại động cơ khác. Trong số đó, động cơ mô-men xoắn được coi là lý tưởng cho các khớp nối robot hình người có nhu cầu tốc độ thấp, mô-men xoắn cao do khả năng cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ trung bình và thấp. Tuy nhiên, độ khó nghiên cứu, sản xuất của họ tương đối cao, đòi hỏi phải có sự đột phá trong các nút thắt công nghệ.

 

1.4.2 Bộ giảm tốc

Bộ giảm tốc sóng hài được công nhận rộng rãi nhờ cấu trúc nhỏ gọn, tỷ số truyền cao và độ chính xác vượt trội, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho các bộ phận khớp nối của robot. Tuy nhiên, độ bền và tuổi thọ của chúng vẫn còn chỗ để cải thiện.

 

1.4.3 Cảm biến

Cảm biến đóng một vai trò quan trọng trong robot, đặc biệt là cảm biến mô-men xoắn, là một phần thiết yếu trong thiết kế khớp nối. Những cảm biến này, kết hợp với động cơ và bộ giảm tốc, tạo thành cụm khớp và cung cấp khả năng điều khiển chuyển động và phản hồi lực chính xác.

 

1.4.4 Phương pháp dẫn động chi trên

Các chi trên chủ yếu sử dụng thiết kế vít bi, giúp chuyển chuyển động tịnh tiến của các quả bóng thành chuyển động tuyến tính của vít. So với bộ truyền động dây đai hoặc xích, vít bi có ít ma sát hơn, chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn cũng như độ chính xác cao hơn.

 

1.4.5 Phương pháp dẫn động chi dưới

Vít lăn hành tinh, được biết đến với khả năng chống chịu tác động của ngoại lực và tuổi thọ lâu dài, đã trở thành lựa chọn chính cho các bộ truyền động chi dưới, đặc biệt thích hợp để xử lý các nhu cầu kiểm soát dáng đi phức tạp.

 

1.4.6 Khớp tay

Các khớp tay thường sử dụng động cơ corless. Những động cơ này có thiết kế đơn giản, nhẹ và là bộ phận truyền động lý tưởng cho chuyển động của ngón tay, cho phép điều khiển tốt hơn.

 

Ngoài ra, các lựa chọn vòng bi cho khớp nối tuyến tính và khớp quay bao gồm vòng bi tiếp xúc góc, vòng bi con lăn chéo và vòng bi rãnh sâu. Các thành phần này cùng nhau đảm bảo độ nhẹ, độ chính xác và độ tin cậy của robot.

 

 

Ưu điểm thông minh của động cơ truyền động

So với bộ truyền động thủy lực, bộ truyền động động cơ thể hiện hiệu suất thông minh đặc biệt vượt trội trong điều khiển chuyển động. Ví dụ, robot hình người của Tesla áp dụng công nghệ động cơ servo mật độ mô-men xoắn cao, với khả năng điều khiển chuyển động thông minh vượt xa các hệ thống thủy lực truyền thống. Thiết kế này không chỉ cho phép phản hồi theo thời gian thực về trạng thái chuyển động để đảm bảo độ chính xác của điều khiển mà còn giữ chi phí tương đối thấp, phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn.

 

Yêu cầu về hiệu suất đối với động cơ servo

Là cốt lõi của bộ truyền động robot, động cơ servo cần đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất sau:

• Khả năng phản hồi nhanh: Động cơ servo cần khởi động và dừng nhanh để thích ứng với môi trường năng động cao.
• Tỷ lệ mô-men xoắn trên quán tính khởi động cao: Động cơ servo phải cung cấp mô-men xoắn khởi động cao trong khi vẫn duy trì quán tính quay thấp.
• Điều khiển liên tục và đặc tính tuyến tính: Tốc độ động cơ cần điều chỉnh liên tục với những thay đổi trong tín hiệu điều khiển để đảm bảo thực hiện chính xác.
• Thiết kế nhỏ gọn: Động cơ servo phải có kích thước nhỏ và nhẹ để phù hợp với cách bố trí không gian nhỏ gọn của robot.
• Độ bền và khả năng quá tải: Động cơ servo phải chịu được các hoạt động quay tiến và lùi thường xuyên cũng như các hoạt động tăng/giảm tốc và chịu tải gấp nhiều lần tải định mức trong thời gian ngắn.

Những đặc điểm này làm cho động cơ servo không thể thiếu trong lĩnh vực robot, đặt nền tảng cho trí thông minh cao hơn và độ ổn định cao hơn trong robot.

 

Tiếp tục đọc: Trái tim của chuyển động robot - vai trò quyết định độ chính xác của động cơ - Phần 2