Die Entwicklung humanoider Roboter beginnt mit der Wahl des richtigen Herstellers von Harmonic-Drive-Getrieben

Die neuesten Fortschritte in der humanoiden Robotik sind nicht das Ergebnis eines einzelnen Technologiesprungs, sondern vielmehr die Verschmelzung von kostengünstigerer und fortschrittlicherer Hardware und Software. Die Entwicklung von KI-Systemen, Bewegungssteuerungssystemen und Roboterkörpern spielt jeweils eine entscheidende Rolle für den Gesamtfortschritt humanoider Roboter. Wichtige Akteure investieren massiv, wobei Länder und Branchen unterschiedlich starke Unterstützung leisten, um einen großflächigen Einsatz zu fördern. Roboterkomponenten wie Harmonic-Drive-Getriebe entwickeln sich ebenfalls ständig weiter und erzielen technologische Durchbrüche.

Markttrends bei humanoiden Robotern

Laut Bank of America Global Research (B of A Global Research) werden die Auslieferungen humanoider Roboter im nächsten Jahrzehnt stark wachsen. Dieses Wachstum wird durch die steigende Endnachfrage infolge einer alternden Bevölkerung und des Arbeitskräftemangels, durch Verbesserungen bei der Technologie (insbesondere KI und Bewegungssteuerung) und beim Produktdesign, durch niedrigere Bill of Materials (BOM)-Kosten sowie durch die Ausweitung der Endanwendungen angetrieben. BofA Global Research ist hinsichtlich der langfristigen Nachfrage nach humanoiden Robotern optimistisch, da sie in Haushalten und im Dienstleistungssektor in großem Maßstab eingesetzt werden.

B of A Global Research prognostiziert, dass die weltweiten Auslieferungen humanoider Roboter bis 2025 18,000 Einheiten erreichen werden. Für 2030-35 erwarten sie, dass die jährlichen Auslieferungen 1 million Einheiten erreichen werden (was einem Anstieg von 400,000 Einheiten gegenüber dem Niveau von 2025 entspricht und zu kumulierten weltweiten Verkäufen von 10 million Einheiten führt). Dies entspricht einer Compound Annual Growth Rate (CAGR) von 88% von 2025 bis 2035E.

Der Unterschied zwischen humanoiden Robotern und Industrierobotern

Industrieroboter führen in der Regel vorprogrammierte Prozesse und Aufgaben auf Basis modularer Algorithmen aus und streben nach statischer Genauigkeit in bestimmten, standardisierten Szenarien. Humanoide Roboter hingegen müssen sich an hochgradig unsichere und offene Umgebungen anpassen, multimodale Informationen aus auditiven und visuellen Sensoren integrieren und Aktionen autonom planen und ausführen. Dies stellt eine Kombination aus Fertigungs- und KI-Technologie dar.

Die Grundstruktur eines humanoiden Roboters

Die typische Struktur eines humanoiden Roboters kann in drei Ebenen unterteilt werden: das KI-System, das Bewegungssteuerungssystem und den Roboterkörper:

System für Künstliche Intelligenz (KI): Das "Gehirn" des humanoiden Roboters, das hauptsächlich aus KI-Chips und Algorithmen besteht. Verantwortlich für die Informationsverarbeitung und Entscheidungsfindung auf hoher Ebene (Aufgabenzerlegung, Umweltverständnis, Modellschlussfolgerung usw.) sowie für die Interaktion mit Menschen.

Bewegungssteuerungssystem: Das "Kleinhirn" des humanoiden Roboters, das hauptsächlich aus Steuerungen und Bewegungssteuerungsalgorithmen besteht. In erster Linie verantwortlich für Bewegungskoordination, Körperbalance und Pfadnavigation.

Roboterkörper: Enthält die Kernhardware für die Erfassung von Umweltdaten und die Ausführung von Bewegungen, einschließlich des Sichtsystems, des Sensorsystems, der Aktuatoren, der geschickten Hände, des Energiesystems und der Strukturmaterialien.

Das Steuerungssystem eines humanoiden Roboters hat zwei Ebenen:

Das System für Künstliche Intelligenz übernimmt die Steuerung auf hoher Ebene (Informationsverarbeitung, Entscheidungsfindung), unterstützt durch KI-Chips und Algorithmen.

Das Bewegungssteuerungssystem übernimmt die Steuerung auf niedriger Ebene (Bewegungskoordination, Körperbalance), unterstützt durch Steuerungen und Bewegungssteuerungsalgorithmen.

Chip: In humanoiden Robotern verwendete Chips umfassen hauptsächlich Prozessorchips, Steuerchips und Bus-Management-Chips. Prozessorchips bilden den Kern des "Gehirns" des Roboters und werden hauptsächlich für Modellinferenz und Berechnung verwendet. Die derzeit dominierende Technologie ist eine CPU (Central Processing Unit)- plus GPU (Graphics Processing Unit)-Architektur, die zugleich die ausgereifteste ist.

Steuerungsalgorithmus und verkörperte KI: Der Steuerungsalgorithmus ist der Kern des humanoiden Roboter-Steuerungssystems und ermöglicht es dem Roboter, seine Umgebung wahrzunehmen, große Mengen an Sensordaten zu verarbeiten, Entscheidungen in Echtzeit zu treffen und Aktionen auszuführen. Traditionelle Steuerungsalgorithmen verwenden ein hierarchisches Design zwischen dem KI-System ("Gehirn") und dem Bewegungssteuerungssystem ("Kleinhirn").

Im Gegensatz dazu setzen einige führende Unternehmen für humanoide Roboter auf End-to-End-Modelle. Diese Modelle können Aktionsbefehle direkt aus eingegebenen Sensordaten (Vision, Sprache, Kraft usw.) erzeugen, komplexe Zwischenverarbeitungsschritte umgehen und werden von einem einzigen neuronalen Netzwerk ausgeführt. Im Vergleich zu hierarchischen Methoden bieten End-to-End-Modelle eine stärkere Generalisierungsfähigkeit, höhere Effizienz und geringere Anforderungen an das Feature Engineering. Allerdings benötigen sie in der Regel große Mengen an Trainingsdaten, was kurzfristig einen Engpass darstellen kann.

Roboter-Aktuator-Modul

Das Antriebssystem ist der Kern der Bewegungssteuerung humanoider Roboter. Es umfasst elektrische, elektrohydraulische und pneumatische Aktuatoren, die Systemkomponenten antreiben oder steuern, indem sie Energie in physische Bewegung umwandeln. Obwohl elektrohydraulische Aktuatoren das höchste Ausgangsdrehmoment bieten, sind sie teurer und bergen das Risiko von Ölleckagen. Pneumatische Aktuatoren sind günstiger, haben jedoch eine geringere Präzision und Ausgangskraft. Aufgrund ihrer hohen Präzision, schnellen Reaktion und angemessenen Kosten sind elektrische Aktuatoren zur Mainstream-Wahl für humanoide Roboter geworden.

Elektrische Aktuatoren umfassen

Servoantrieb

Servomotor: Typischerweise ein rahmenloser Torquemotor zur Abgabe von Drehmoment.

Übertragungssystem: Harmonic-/Planetengetriebe (für Drehaktuatoren) wandeln Drehmoment um; Planetenrollengewindetriebe (für Linearaktuatoren) wandeln Drehbewegung in Linearbewegung um.

Sensorsystem: Encoder und Drehmoment-/Kraftsensoren zur Erfassung von Systemdaten.

Je nach Funktion werden elektrische Aktuatoren als Drehaktuatoren (für rotierende Gelenke wie Hals, Schulter, Handgelenk, Ellbogen) oder Linearaktuatoren (für Gelenke mit erforderlicher Linearbewegung wie Arme, Knöchel, Knie) kategorisiert.

Geschickte Hände

Geschickte Hände sind wichtige Endeffektoren humanoider Roboter für die Ausführung komplexer und feinfühliger Aufgaben, wie das Aufheben kleiner Gegenstände und das Handhaben zerbrechlicher Objekte. Aktuelle Designs verschiedener Hersteller reichen von 6 bis 42 Freiheitsgraden (DoF), verglichen mit den 27 DoF einer menschlichen Hand. Im Allgemeinen kann ein Design einer geschickten Hand mit 6 DoF 60-70% der Funktionalität einer menschlichen Hand erreichen.

Untersetzungsgetriebe
Ein Untersetzungsgetriebe ist eine mechanische Vorrichtung, die in humanoiden Robotern, Industrierobotern und Werkzeugmaschinen eingesetzt wird, um die Motor-/Maschinendrehzahl zu reduzieren und das Ausgangsdrehmoment zu erhöhen. Die drei Haupttypen sind: Planetengetriebe, Harmonic-Drive-Getriebe und RV (Rotary Vector)-Getriebe. Derzeit werden in gängigen Konstruktionen humanoider Roboter für Drehaktuatoren üblicherweise Harmonic-Drive-Getriebe oder Planetengetriebe verwendet.

Planetenrollengewindetriebe
Planetenrollengewindetriebe sind mechanische Hochleistungskomponenten, die in Linearaktuatoren eingesetzt werden, um das vom Servomotor abgegebene Rotationsdrehmoment in eine Linearbewegung umzuwandeln. Im Vergleich zu Kugelgewindetrieben bieten sie Vorteile wie längere Lebensdauer, höhere Tragfähigkeit, höheren Übertragungswirkungsgrad und bessere Steifigkeit. Daher werden sie in Branchen wie humanoider Robotik, Luft- und Raumfahrt sowie schweren Werkzeugmaschinen häufig eingesetzt.

Rahmenloser Torquemotor
Der rahmenlose Torquemotor ist eine Art Permanentmagnetmotor. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren besteht er nur aus Rotor und Stator, ohne Gehäuse, Welle, Lager oder Rückmeldesystem. Dadurch entfällt die Notwendigkeit mechanischer Übertragungsteile wie Zahnräder oder Wellen, da die Last direkt über Magnetkraft angetrieben wird. Dieses Design erreicht eine hohe Drehmomentdichte und Leistung in einer kompakten Struktur und wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die hohe Drehmomente und niedrige Drehzahlen erfordern, wie Robotergelenke, medizinische Geräte und Luft- und Raumfahrtsysteme.

Sensorsystem
Das Sensorsystem eines humanoiden Roboters sammelt Umweltdaten, die an das Bewegungssteuerungsmodul gesendet werden, um die Bewegungen des Roboters anzupassen. Es umfasst Kameras, LiDAR (Light Detection and Ranging) und verschiedene Sensortypen. Die Anzahl der Sensoren kann je nach Funktion des Roboters zwischen 30 und über 200 liegen.

Sichtsystem

Ein komplexes, intelligentes System, das mehrere Kameratypen (Stereokameras, Time-of-Flight (ToF)-Kameras, Kameras mit strukturiertem Licht) und LiDAR nutzt, um visuelle Informationen über die Umgebung zu erfassen und so die Wahrnehmungs-, Navigations- und Bewegungssteuerungsfähigkeiten des Roboters zu verbessern.

Kraft- und Drehmomentsensoren

Kraftsensoren messen die aufgebrachte Kraft oder den Druck (hauptsächlich für Linearaktuatoren) und wandeln diese in ein elektrisches Signal für Messung, Steuerung und Überwachung um. Drehmomentsensoren messen das aufgebrachte Drehmoment oder die Rotationskraft.

Trägheitsmesseinheit (IMU)

Misst die Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und andere Bewegungsparameter des Roboters und hilft dem Roboter, seine eigene Haltung und seinen Bewegungszustand zu erfassen und das Gleichgewicht zu halten. Wird auch in der Unterhaltungselektronik, in der Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Taktile Sensoren

Werden häufig in den geschickten Händen humanoider Roboter eingesetzt (typischerweise 10 Sensoren pro Roboter, einer pro Finger), um Kraft und Druck zwischen dem Sensor und einem Objekt zu messen. Sie ahmen die Rezeptoren in menschlichen Fingern nach, einem entscheidenden Bestandteil der menschlichen Haut.

Das Harmonic-Drive-Getriebe spielt hierbei eine Schlüsselrolle

Inmitten der explosionsartigen Nachfrage nach humanoiden Robotern dominieren Harmonic-Drive-Getriebe aufgrund ihrer Vorteile wie Leichtbauweise und hoher Drehmomentdichte, während Planetengetriebe in Schwerlastszenarien ergänzend eingesetzt werden. Derzeit treiben zwei große technische Wege – Feinschneidverfahren für Flexspline-Räder und Materialsubstitution für Circular-Spline-Räder – iterative Upgrades in der Materialtechnologie von Getrieben voran. Es wird geschätzt, dass die langfristige Massenproduktion von 10 million humanoiden Robotern einen Markt von ¥19.15 billion für Stahl für Harmonic-Drive-Getriebe antreiben wird, mit einem potenziellen Markt von ¥3.83 billion für die Technologiesubstitution durch Feinschneidstahl/Sphäroguss. Präzisionsgetriebe sind die Kernkomponenten von Robotern.

Harmonic-Drive-Getriebe bieten erhebliche Vorteile: kleine Größe, geringes Gewicht, großes Untersetzungsverhältnis und hohe Drehmomentdichte, wodurch ein effizienter Betrieb auf engstem Raum ermöglicht wird. Sie behalten auch unter spezifischen Bedingungen wie beengten Platzverhältnissen und Umgebungen mit mittlerer Strahlung gute Leistungseigenschaften bei. Diese Merkmale haben zu ihrer weiten Verbreitung in der mobilen Robotik geführt. Im Gegensatz dazu werden Präzisions-Planetengetriebe hauptsächlich in Komponenten mit geringeren Präzisionsanforderungen eingesetzt und bieten höhere Steifigkeit, längere Lebensdauer und relativ niedrigere Kosten. Daher erfüllt in humanoiden Robotern die Kombination aus Harmonic-Drive-Getrieben und Präzisions-Planetengetrieben effektiv die Anforderungen der Kraftübertragung verschiedener Gelenke.

Die Zukunft humanoider Roboter

Steigende Nachfrage nach kundenspezifischen Anpassungen

Mit der Ausweitung der Anwendungsfelder entstehen in verschiedenen Sektoren neue Anforderungen. Der Bedarf an kundenspezifischen Anpassungen steigt. Industrieroboter für die Logistik, Serviceroboter, medizinische Rehabilitationsroboter, Bildungs-/Forschungsroboter, Unterhaltungs-IP-Roboter und Spezialroboter haben jeweils unterschiedliche Designanforderungen. Beispielsweise müssen Spezialroboter in rauen Umgebungen arbeiten, Bildungsroboter erfordern ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis, Serviceroboter konzentrieren sich auf die Verbesserung der Interaktionsfähigkeiten und Logistikroboter benötigen eine hohe Aktionsflexibilität. HONPINE engagiert sich dafür, Lösungen für unterschiedliche Roboterhersteller und Entwickler bereitzustellen.

Strengere Kostenkontrolle

Die Entwicklung humanoider Roboter ist im Wesentlichen ein Wettstreit des Kapitals, das letztlich Renditen auf hohe Investitionen anstrebt. Automobilhersteller, Unternehmen für mobile Endgeräte, Softwarefirmen und andere sind in die Branche eingestiegen. Der Wettbewerb unter den Anbietern humanoider Roboter wird zur Norm werden.

Modularisierung und schnelle Installation

Da die Roboterfunktionen kontinuierlich verbessert werden, ist die Fähigkeit, Roboter schnell zusammenzubauen, um neue Funktionen zügig auf den Markt zu bringen, ein wichtiger Wettbewerbsfaktor. Viele Kunden kaufen direkt vorintegrierte Robotergelenkmodule. Ein typisches Gelenkmodul besteht aus einem Getriebe (in der Regel einem Präzisions-Harmonic-Drive-Getriebe), einem Antrieb, einem Absolutwertgeber, einer Bremse, einem rahmenlosen Torquemotor, einem Inkrementalgeber und der integrierten Gelenkbaugruppe. Der Kauf von Modulen statt der Beschaffung einzelner Teile senkt die Beschaffungskosten, verkürzt die Installationszeit und beschleunigt Forschung und Entwicklung.

Wie man einen Lieferanten für Roboterteile auswählt

Die Wahl eines Lieferanten mit starken F&E-Fähigkeiten ist entscheidend für eine effektive technische Eins-zu-eins-Zusammenarbeit. HONPINE weist jedem Kunden dedizierten technischen Support zu und bietet Eins-zu-eins-Service von der Modellauswahl und der Installationsanleitung nach dem Verkauf bis hin zu Details wie der Anleitung zur Fettdichtung von Harmonic-Drive-Getrieben. Viele Kunden sagen, dass HONPINE wie ihr verlässlicher Partner ist. Während der gesamten Entwicklung humanoider Roboter stehen wir immer bereit zu helfen, wann immer Herausforderungen im Zusammenhang mit Präzisionsantrieben auftreten. Dies spielt eine Schlüsselrolle bei der Beschleunigung von Entwicklungszeitplänen und der Senkung der F&E-Kosten.

HONPINE ist auf Präzisionsantriebstechnik spezialisiert, darunter Harmonic-Drive-Getriebe, Planetengetriebe, Robotergelenkmodule, rotierende Roboteraktuatoren und RV-Getriebe. Als integriertes Unternehmen, das Vertrieb, Produktion und Forschung & Entwicklung vereint, haben wir seit 2018 mehr als 200,000 Unternehmen mit Präzisionsantriebslösungen versorgt. Wir bieten Eins-zu-eins-Betreuung und richten für jedes Projekt dedizierte technische Kommunikationsgruppen ein. Effizienter Service und kosteneffiziente Produkte sind die Gründe, warum sich viele Kunden für uns entscheiden und langfristige Partnerschaften mit uns pflegen.