Тесла и Figure выбрали роликовые винтовые пары для ног роботов

Человеческие роботы делают около 5000 шагов в час, и каждый удар пяткой создаёт нагрузку в два-три раза больше веса тела. Эти силы губительны, если повторять их тысячи раз без остановки. Большинство приводов выходят из строя именно из-за этого режима работы, а выжившие модели converged на схожие инженерные решения. Поскольку удар происходит за долю миллисекунды, любой датчик не успеет среагировать. Привод механически должен уметь «уступать» (back-drivability), чтобы поглотить энергию. Если привод жёстко зафиксирован, как винтовые пары с трением, шестерни принимают 100% удара и мгновенно ломаются. Эффективность локомоции измеряется Cost of Transport (CoT): колёсные роботы имеют значения 0,01–0,05, а двуногие — 0,2–1,5. Чем меньше CoT, тем выше энергоэффективность. Это объясняет, почему колёсные роботы не могут бегать: их конструкция оптимизирована для качения. Двухногая ходьба требует высокой эффективности, потому что каждый шаг должен совершать полезную работу по перемещению массы тела. В этой статье мы рассматриваем ключевые принципы проектирования и механику современных двухногих роботов.

Мы анализируем два типа привода: 1. Strain Wave Gears (Harmonic Drives) — для вращательных суставов (плечи, таз, локти, колени, запястья, пальцы). 2. Planetary Roller Screws (PRS) — для линейных приводов (голень, икры, стопы), которые работают как мышцы бедра или ахиллово сухожилие.

Эти приводы объединяются в модульные системы, где каждый сустав использует свой оптимальный привод в зависимости от задачи: вращение или линейное движение.

Три части: 1. Wave Generator (Input): Эллиптический (овальный) плаг, соединённый с валом двигателя. 2. Flexspline (Output): Тонкая, гибкая металлическая чашка с зубьями на внешнем ободе. Благодаря тонкости, она может соответствовать форме эллиптического пула внутри неё. Она имеет немного меньше зубцов, чем внешний кольцо — обычно на два. 3. Circular Spline (Fixed): Жёсткое внешнее кольцо с зубьями внутри.

Как это работает: - Деформация: Овальная Wave Generator выгибает гибкий Flexspline, заставляя его зубья зацепляться с внешним Circular Spline на двух длинных концах овала. - Вращение: Когда Wave Generator вращается, «волна» зацепления проходит по окружности. - Снижение: Поскольку Flexspline имеет меньше зубцов, чем внешнее кольцо, он не делает полный оборот за каждый оборот входа. Вместо этого он медленно «ползёт» в противоположном направлении от входа. - Результат: Двигатель вращается быстро, но выход редуктора вращается медленно с огромным увеличением крутящего момента — часто от 50:1 до 100:1 за один этап.

• Zero Backlash (Без люфта): В обычных шестернях есть крошечный зазор между зубьями (slop). В роботе это вызывает нестабильные, неточные движения. В Strain Wave Gear гибкий металл предварительно нагружен плотно против внешнего кольца, создавая нулевую игру. Это делает движение робота плавным и точным.
• High Torque Density: Он производит огромную поворачивающую силу относительно своего небольшого размера и веса — критически важно для поддержания низкой массы конечностей.
• Single-Stage Reduction: Он достигает высоких передаточных чисел в одной стадии, сохраняя исполнительный механизм плоским и компактным, как хоккейная шайба.

Изгиб металла создаёт внутреннее молекулярное трение, которое генерирует тепло. Strain Wave Gears менее эффективны, чем планетарные редукторы — критический фактор для управления тепловой энергией, который мы рассмотрим в разделе V.

Для суставов, которые должны поглощать тяжелые ударные нагрузки — колени, локти, лодыжки — человекоподобные роботы, предназначенные для полезной нагрузки, используют линейные приводы, построенные вокруг планетарных винтовых пар с роликами. Эти приводы толкают и тянут (линейный выход), а не вращают, подобно тому, как квадрицепс разгибает колено.

• Frameless torque motor: Статор остается неподвижным, а ротор вращает гайку.
• Inverted Planetary Roller Screw: Ролики с резьбойorbitруют внутри вращающейся гайки. Когда гайка вращается, центральная винтовая шпилька вынуждена удлиняться или выдвигаться линейно.
• Результат: Цилиндрическая трубка (часто анодированная в золотой цвет на прототипах Tesla) с винтовой шпилькой, выдвигаемой из одного конца. Корпус двигателя остается неподвижным, а шпилька движется.

Шарико-винтовые пары (Ball Screws) повсеместно используются в промышленном оборудовании — станки с ЧПУ, системы точного позиционирования. Почему человекоподобные роботы их не используют? Ответ кроется в геометрии контакта и реакции на ударные нагрузки.

• Шарико-винтовые пары: Используются шары, качающиеся в пазах. Каждый шар обеспечивает точечный контакт с дорожкой (raceway) — крошечный контакт, который концентрирует напряжение Герца (Hertzian stress).
• Винтовые пары с роликами: Используют резьбовые ролики, которые обеспечивают линейный контакт вдоль своей длины. Это распределяет нагрузку по гораздо большей площади поверхности — обычно в 10–15 раз больше контактной площади, чем у шарико-винтовой пары того же размера.

Когда пятка робота ударяется о землю, это воздействие распространяется вверх через актуаторы лодыжки и колена. Это ударная нагрузка — резкий всплеск силы, значительно превышающий статический рейтинг.

• В шарико-винтовой паре при ударной нагрузке точечный контакт между каждым шаром и дорожкой испытывает экстремальное напряжение Герца.
• Если это напряжение превышает предел текучести материала, шар создает микроскопическую впадину в дорожке. Это называется бринеллинг.
• Одна впадина незаметна. Но робот делает около 5000 шагов в час. Каждый шаг добавляет больше микроскопического повреждения.
• В течение дней или недель дорожка становится шероховатой, люфт увеличивается, эффективность падает, и в конечном итоге винт выходит из строя полностью.

Винтовые пары с роликами выживают, потому что линейный контакт mantém пиковое напряжение Герца ниже порога текучести даже под повторяющимися ударными нагрузками.

"Шарико-винтовая пара с номиналом 10 миллионов циклов может выйти из строя после 100 000 циклов под нагрузкой ходьбы. Рейтинг предполагает плавное, одностороннее усилие — условия, которые никогда не существуют в ноге робота."

Ни один тип актуатора не работает везде. Физика каждого сустава диктует выбор:

• Strain Wave Gears отлично подходят для вращения с нулевым люфтом, но их гибкие металлические компоненты могут утомляться при повторяющихся ударных нагрузках, а их меньшая эффективность генерирует тепло.
• Планетарные винтовые пары с роликами отлично подходят для поглощения линейных ударов с высокой плотностью силы, но не могут эффективно производить вращение.

Конвергентное решение: Для человекоподобных роботов, разработанных для подъема, переноски и работы, используется каждый тип актуатора там, где он лучше всего проявляет себя. Вот почему роботы от Tesla, Figure и Apptronik выглядят одинаково под «кожей». Физика оставляет мало места для альтернативных архитектур, когда приоритетом является полезная нагрузка.

Фундаментальная трагедия робототехники заключается в том, что электрические двигатели и биологические конечности хотят противоположных вещей.

• Электродвигатель: Самый комфортный вращение на 3000+ об/мин с низким крутящим моментом.
• Человеческое колено при подъеме по лестнице: работает примерно на 30 об/мин с огромным крутящим моментом.

Чтобы преодолеть этот разрыв в 100×, инженеры используют редукцию передач. Но редукция передач не бывает бесплатной. Она вводит штраф, который масштабируется не линейно, а экспоненциально: Отраженная инерция (Reflected Inertia).

Если вы установите редуктор 100:1 (N=100) на двигатель, вы умножаете выходной крутящий момент в 100 раз. Это хорошие новости. Плохие новости заключаются в том, что инерция — сопротивление изменению скорости — умножается на квадрат передаточного числа редуктора (N²).

$$J_{reflected} = J_{motor} \times N^2$$

Для редуктора 100:1 инерция самого двигателя ощущается в 10 000 раз тяжелее для выходного вала.

Когда нога робота встречает непредвиденное препятствие — камень, край ступени, кабель на полу — нога должна мгновенно уступить, чтобы поглотить удар. Если передаточное число слишком высокое, отраженная инерция двигателя настолько огромна, что нога не может ускориться достаточно быстро, чтобы уйти из-под удара. Нога ведет себя как сплошной стальной стержень, а не как пружинящая мышца. Сила удара вспыхивает, и часто шестерни редуктора отламываются.

Это почему уравнение отраженной инерции, возможно, является самой важной формулой в проектировании приводов. Оно диктует, будет ли ваш робот ходить грациозно или взорвется при первом контакте с реальным миром.

Это создает спроектированный спектр, основанный на «прозрачности» — насколько хорошо двигатель может «чувствовать» силы из окружающей среды через передачи, и насколько легко среда может двигать двигатель.

Представьте это как файрвол: высокие передаточные числа блокируют информацию в обоих направлениях. Двигатель не чувствует мир, и мир не может двигать двигатель. Это защищает двигатель, но ослепляет систему управления.

1. Quasi-Direct Drive (QDD) — Подход «Чеет» (Cheetah) - Используются: Unitree (H1, G1), MIT Mini Cheetah, динамичные прыгающие роботы. - Стратегия: Используйте большой, pancake-образный двигатель с очень низкой редукцией (6:1 до 10:1). - Преимущество: Робот естественно «прыгучий». Вы можете схватить конечности и перемещать их свободно — двигатель вращается с минимальным сопротивлением. Робот может детектировать контакт с землей просто контролируя ток двигателя, без необходимости в дорогих датчиках силы. Удары поглощаются благодаря низкой отраженной инерции, позволяющей быстрое ускорение. - Компромисс: Двигатель должен быть физически большим и тяжелым, чтобы производить достаточный крутящий момент, так как редукция предоставляет мало механического преимущества. Он потребляет огромный ток для удержания статических поз (как стоять на месте или держать коробку), генерируя значительное тепло.

2. Высокая редукция (High-Reduction Actuators) — Подход «Подъемник» (Lifter) - Используются: Tesla Optimus, Figure, Apptronik Apollo, промышленные человекоподобные роботы. - Стратегия: Используйте меньший, быстрее двигатель с высокой редукцией (50:1 до 160:1), такой как Strain Wave Gears (Harmonic Drives) или Планетарные винтовые пары с роликами. - Преимущество: Огромная сила в компактном, легком корпусе. Робот может поднимать тяжелые коробки, подниматься по лестницам с полезной нагрузкой и удерживать позиции без перегрева обмоток двигателя. Требуется меньше тока для удержания статических поз. - Компромисс: Привод механически «непрозрачен». Двигатель не может чувствовать силы из окружающей среды из-за трения и инерции передач. Для достижения комплаенса (податливости) этим роботам требуются专用的 датчики момента (тензодатчики) на выходном валу, а также сложное программное обеспечение для имитации пружинящего ощущения, которое роботы QDD получают бесплатно.

Конструкторы постоянно охотятся за «золотым сечением» — обычно между 30:1 и 50:1 для универсальных человекоподобных роботов — где привод достаточно силен, чтобы поднять полезную нагрузку, но достаточно прозрачен, чтобы безопасно ходить.

• Слишком низкая (<10:1): Робот гибкий, но слабый. Он перегревается просто стоя на месте, потому что двигатель должен производить весь крутящий момент напрямую.
• Слишком высокая (>100:1): Робот силен, но опасен. Он не может чувствовать удары, двигается жестко, и шестерни измельчаются себя до смерти под ударными нагрузками.
• Золотой срез (30:1–50:1): Достаточно умножения крутящего момента для переноса полезной полезной нагрузки, но достаточно низкой отраженной инерции для сохранения некоторой податливости и выживания ударов.

Простой тест показывает, где актуатор находится на этом спектре: можно ли схватить руку робота и переместить её?

• Высокое передаточное число: Нет. Сустав ощущается как стальной барьер. Если вы попытаетесь повернуть его, редуктор заблокирует движение.
• Низкое передатое число: Да. Вы можете двигать рукой без особого усилия. Это называется обратимость.

Обратимость важна для безопасности, потому что робот должен уступить при контакте с человеком, а не ударить его с полной скоростью мотора.