Editörün Notu: Allegro MicroSystems Teknoloji ve Strateji Genel Müdürü Andreas Friedrich, 20-21 Ekim tarihlerinde Santa Clara'da düzenlenecek RoboBusiness etkinliğinde konuşmacı olarak yer alacak. Friedrich, konuşmasında yeni nesil robotik aktüasyon sistemlerini mümkün kılan kritik teknolojik gelişmeleri masaya yatıracak. RoboBusiness, The Robot Report ve ana şirketi Arrowfly tarafından düzenlenmektedir.
Bir humanoid robot ne kadar yetenekli hale gelirse, onu hareket ettirmek için gereken donanımı barındırmak da o kadar zorlaşır. İnsan benzeri robotların çalışma ortamı; eklem yerleşimleri ve serbestlik dereceleriyle doludur. Bu ortamda donanım çok katı boyut ve ağırlık kısıtlamalarıyla karşı karşıya kalırken, hareket kabiliyeti ise çok sayıda motor, algılama, kontrol, güç ve güvenlik sistemi gerektirir.
Yapay zeka, humanoid robotların çevrelerini daha iyi algılamasına, talimatları yorumlamasına ve hangi eylemleri gerçekleştireceklerine karar vermesine yardımcı oluyor. Ancak bu kararları hassas, akıcı ve güvenli fiziksel hareketlere dönüştürmek bambaşka bir mühendislik zorluğu sunuyor.
Bu ayrım, humanoid robotlar laboratuvar prototiplerinden çıkıp insanların yanında çalışabilecek pratik makinelere dönüştükçe çok daha fazla önem kazanıyor. Yapay zekadaki sürekli ilerlemeler elbette önemli, ancak robotun fiziksel sınırları bu zekanın nasıl işe koşulacağını belirliyor.
Sabit otomasyondan otonom makinelere
Geleneksel bir endüstriyel robot ile bir humanoid robot arasındaki farkı düşünün. Endüstriyel bir robot kolu altı veya yedi eksene sahip olabilir ve tüm çalışma ömrünü fabrika zeminine sabitlenmiş şekilde geçirir. Tabanındaki ağırlık nispeten az önem taşır. Güç, kalın bakır kablolarla sağlanabilir. Motor sürücüleri, kontrol panolarında robotun dışında barındırılabilir. Gerekirse sistem, kapsamlı bir soğutma altyapısını da kolayca kaldırabilir.
Otur veya daha fazla serbestlik derecesine sahip bir humanoid robotun bu lükslerin hiçbirine sahip olma şansı yoktur. Her ek ekleme, motor, güç elektroniği, konum ve akım algılama, kontrol ve güvenlik işlevlerinin yeni bir kombinasyonunu beraberinde getirir. Tüm bu donanımın robotla birlikte hareket etmesi gerekir. Her gram, robotu hareket ettirmek için gereken enerjiye katkıda bulunurken, elektronik bileşenlerin kapladığı her milimetre kol, bacak, el veya parmak içindeki alan için yarışır.
Bir humanoid robota hareket özgürlüğü sağlamak için gereken elektronikler değerli alan kaplar ve robotun ne kadar özgürce hareket edebileceğini fiilen kısıtlayabilecek bir ağırlık ekler. Bu mühendislik paradoksu, özellikle birden fazla motorun, sensörün ve kontrol işlevinin son derece dar alanlara sığdırılması gereken becerikli ellerde çok daha keskin bir şekilde hissedilir; bu durum eklemin kendisini bir sistem düzeyinde tasarım problemine dönüştürür.
Hareket kabiliyetini belirleyen güç mimarisi
Gelişmiş robotların evrimleşen güç mimarisi, elektriksel ve mekanik tasarımın ne kadar iç içe geçtiğini gösteriyor. İlk robotik sistemler genellikle nispeten düşük voltajlı güç dağıtımı etrafında tasarlanırdı. Daha gelişmiş mobil robotlar ve humanoidler ise daha yüksek voltajlara, özellikle de 48V DC mimarilerine doğru ilerliyor.
Bunun nedeni fiziğin temel kurallarıyla açıklanıyor. Aynı miktarda güç iletimi için 12V'den 48V'ye geçmek, gereken akımı dörtte bir oranında azaltır. Tasarımcılar daha ince kablolar kullanabilir ve makine genelindeki bakır ağırlığını düşürebilir. Direnç kayıpları akımın karesiyle orantılı olarak arttığından, akımı dörtte birine indirmek kablo kayıplarını 16 kat azaltır.
Bir humanoid robotta bu elektriksel kazanımlar mekanik sonuçlar doğurur. Daha az kablo ağırlığı, hareket için gereken enerjiyi düşürürken, daha düşük termal yükler elektronik bileşenlerin karmaşık soğutma sistemlerine ihtiyaç duymayan eklemlere yerleştirilmesini kolaylaştırır.
Ancak daha yüksek voltaj, kendi mühendislik sorunlarını da beraberinde getirir. Motorlar her zaman enerji tüketmez. Hızlı yavaşlama sırasında jeneratör gibi davranarak nominal DC hat voltajından önemli ölçüde daha yüksek geçici voltajlar üretebilirler. Eklemi kontrol eden elektroniklerin, herhangi bir hasar veya kontrol kaybı yaşamadan bu durumlara dayanması gerekir.
Yüksek voltaj akımı, ısıyı ve kablo ağırlığını azaltır, ancak motor kontrol elektroniğine binen yükü de artırır. Güç, termal performans, ağırlık veya güvenilirlikteki değişiklikler doğrudan diğerlerini etkileyebilir. Humanoid robotun her yerinde benzer ödünleşimler ortaya çıkar.
Yapay zeka karar verebilir, ancak eklemi hala harekete geçirmelidir
Üst düzey bir yapay zeka sistemi, robotun bir nesneyi almasına, bir kolu çevirmesine veya birine bardak uzatmasına karar verebilir. Ancak bu talimatın tek başına faydalı bir fiziksel hareket üretmesi mümkün değildir. Her eklem, sürekli olarak nerede olduğunu, nasıl hareket ettiğini ve ne kadar kuvvet uyguladığını belirlemek zorundadır. Konum, akım ve tork bilgileri, gerçek hareketi komut verilen hareketle karşılaştıran ve motor davranışını sürekli olarak ayarlayan kapalı bir kontrol döngüsünü besler.
Birine bir fincan çay uzatmanın görünüşte basit görevini düşünün. Robot kolunu sadece önceden belirlenmiş bir koordinata doğru hareket ettiremez. Eklem konumlarını bilmeli, kol hareket ederken uygulanan torku kontrol etmeli ve değişen fiziksel koşullara anında yanıt vermelidir. Fiziksel zeka olarak adlandırılan bu kavram, bir yapay zeka kararını kontrollü bir harekete dönüştürmek için gereken algılama, aktüasyon ve geri bildirim süreçlerini kapsar.
Daha karmaşık hareketler, algılama sistemlerine de daha fazla yük bindirir. Örneğin bir omuz ile bir parmak, çok farklı mekanik ve paketleme gereksinimlerine sahiptir. Büyük motorlar, algılama sistemlerinin tolere etmesi gereken elektromanyetik parazite yol açabilirken, daha küçük eklemler ciddi alan kısıtlamaları getirir ve yine de hassas konum verisi gerektirir.
Her eklemi kapsayacak tek bir algılama mimarisi olması muhtemel değildir. Hassas ve güvenilir geri bildirim, makine zekasını fiziksel eyleme dönüştüren kontrol döngüsünün ayrılmaz bir parçasıdır.
Güvenlik, kontrol döngüsünün içine taşınıyor
Robotlar insanların yanında çalışmaya başladığında bu kontrol çok daha hayati bir hal alıyor. Endüstriyel otomasyon ortamları riski genellikle insanları ve makineleri ayırarak yönetir. Bir fabrika işçisiyle iş birliği yapacak veya evdeki görevlerde yardımcı olacak şekilde tasarlanmış bir humanoid robot, bu ayrıma güvenemez. İşlevsel güvenlik, doğrudan robotun bir parçası haline gelir.
Kontrol sisteminin çalışma koşullarını sürekli olarak izlemesi, arızaları veya anormal davranışları tespit etmesi ve gerektiğinde etkilenen alt sistemi hızlıca uygun bir güvenli duruma geçirmesi gerekir. Bu yetenekleri sıfırdan inşa etmek donanım yedekliliği, yazılım yükü ve sertifikasyon çalışmaları yaratabilir.
Robotik tasarımcıları, benzer zorluklarla daha önce baş etmiş mühendislik disiplinlerinden faydalanabilir. Elektronik direksiyon ve frenleme gibi otomotiv sistemleri, yüksek güçlü elektromekanik aktüasyonu algılama, arıza teşhisi ve işlevsel güvenlikle birleştirir. Humanoid robotların gereksinimleri farklı olsa da, mimari ders aynıdır: Arıza teşhisi, hata algılama ve güvenli durum davranışları, bitmiş bir tasarımın üzerine sonradan eklenmek yerine sisteme en başından tasarlandığında çok daha kolay entegre edilir.
Eklem, başlı başına bir sisteme dönüşüyor
Gelişmiş humanoid robotların ihtiyaç duyduğu ölçekte; algılama, motor kontrolü, güç yönetimi, termal performans ve işlevsel güvenlik, üst düzey makine zekasını kontrollü fiziksel eyleme dönüştürebilen entegre bir elektromekanik alt sistem olarak ele alınmalıdır.
Yarı iletken entegrasyonu, algılama, kontrol ve aktüasyon arasındaki fiziksel ve elektriksel mesafeleri kısaltarak PCB yönlendirme karmaşıklığını, termal sıcak noktaları ve parazitik etkileri azaltabilir. Robotik mühendisleri daha sonra, her bir eklemdeki alt düzey elektronik sorunlarını çözmek yerine, robotu farklı kılan yazılım, kinematik ve sistem davranışlarına daha fazla zaman ayırabilir.
Eklem, yapay zeka ile fiziksel dünya arasındaki kritik arayüze dönüşür.
Görme ve hareket etme aşamasından hissetme aşamasına
Günümüzün humanoid robotları, nesneleri tanımak için gelişmiş görme sistemleri ve güçlü yapay zeka modelleri kullanıyor. Ancak bir insan bir aleti tuttuğunda veya kırılgan bir nesneyi ele aldığında, dokunma ve kuvvet geri bildirimi hareketi gerçekleştiği anda değiştirir. Parmaklarımızın konumunu basitçe hesaplayıp önceden belirlenmiş bir yörüngeyi uygulamayız. Nesneyi hisseder ve buna göre ayarlama yaparız.
İnsan benzeri bir beceriyi taklit etmek, özellikle el kısmında robotik için hala önemli bir zorluk olmaya devam ediyor. Kuvvet ve dokunma algılamayı parmaklara, parmak uçlarına ve diğer yüzeylere entegre etmek, makinelere fiziksel dünyayla temas ettiklerinde ne olduğu hakkında bilgi verir ve hareketlerini buna göre ayarlamalarına olanak tanır.
Yapay zekadaki olağanüstü ilerlemeler, robotikleri ne yapmaları gerektiğine karar verebilen makinelere yaklaştırdı. Bir sonraki büyük atılım, fiziksel sistemlerinin bu kararları ne kadar verimli, hassas ve güvenli bir şekilde uygulayabildiğine bağlı olabilir.
