La strada verso l’elettrificazione dei macchinari Off-Road per impieghi gravosi è complessa e impegnativa. Il potenziale delle tecnologie innovative dei riduttori svolge un ruolo importante in questa trasformazione
Negli ultimi decenni, abbiamo assistito all’emergere di dispositivi robotici avanzati e umano-centrici, come manipolatori robotici collaborativi, protesi bioniche che ripristinano la funzionalità degli arti, esoscheletri progettati per prevenire lesioni e robot umanoidi utilizzati nella produzione e nei servizi. Queste innovazioni promettono di rivoluzionare vari settori migliorando le capacità umane e svolgendo compiti noiosi, sporchi e pericolosi. Tuttavia, nonostante questi progressi, la robotica moderna deve ancora affrontare sfide fondamentali nel fornire un valore aggiunto significativo alla società.
Se da un lato le capacità cognitive e l’intelligenza artificiale sono sicuramente un ostacolo di importanza cruciale in questo processo, dall’altro anche la robotica moderna di trova ad affrontare problemi di hardware significativi, come ha scoperto la Tesla di Elon Musk durante lo sviluppo del suo primo robot umanoide, Optimus. Questo problema di hardware è chiaro: dopo che gli ingegneri hanno finito di aggiungere tutti i componenti necessari allo svolgimento delle funzioni dei robot, questi ultimi risultano eccessivamente pesanti. La massa elevata costringe i robot a muoversi lentamente per motivi di sicurezza, limitando la produttività e richiede una notevole quantità di energia per alimentare i loro movimenti. I principali fattori che contribuiscono al peso sono gli attuatori, circa 30 in un tipico robot umanoide. Gli attuatori, che consentono il movimento di un robot, sono in genere costituiti da un motore elettrico, un riduttore e un circuito di controllo elettronico con sensori.
In qualità di ingegnere esperto nel settore automobilistico, ero incuriosito da questo problema quando sono passato al campo della robotica una decina di anni fa. La mia precedente esperienza mi aveva mostrato l’alto livello di sofisticazione raggiunto dagli ingegneri nello sviluppo di tecnologie di attuazione, che inizialmente ritenevo incompatibile con un problema di attuazione così importante nella robotica moderna. Tuttavia, mi sono presto reso conto di essermi sbagliato. Questa consapevolezza ha acceso in me la passione per comprendere meglio questa specifica sfida di attuazione e per cercare modi innovativi per risolverla.
Costruire una macchina che si muove come un umano
Che cosa rende l’attuazione nella robotica moderna così speciale? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo prima capire cosa definisce un robot moderno. Sebbene ci sia un certo dibattito sulle caratteristiche precise di un robot, una definizione largamente accettata è che si tratta di una macchina dotata di sensori e capacità computazionali che le consentono di adattarsi ad ambienti più o meno non strutturati. Pertanto, ciò che distingue un robot come tipo di macchina è principalmente la sua capacità di percepire l’ambiente e adattare le sue risposte e azioni di conseguenza.
I moderni dispositivi robotici – quali cobot, esoscheletri, protesi e umanoidi – devono operare in ambienti che prevedono la presenza di esseri umani, il che rende questi ambienti altamente non strutturati, imprevedibili e impegnativi. Una lezione importante da oltre tre decenni di ricerca incentrata sull’uomo presso il nostro Istituto di ricerca Brubotics della Vrije Universiteit Brussel è che i robot che collaborano con gli esseri umani devono avere movimenti simili a quello umano, che è molto diverso dal movimento tradizionale delle macchine. Nella nostra esperienza, questo requisito unico è qualcosa che rende i robot moderni molto speciali: sono macchine che devono muoversi essenzialmente come gli esseri umani.
Costruire un robot che si muova come un essere umano è una sfida ingegneristica sorprendentemente complessa. Oggettivamente, gli esseri umani non sono in genere considerati altamente performanti nei movimenti se paragonati ad altri animali o a macchine moderne come sottomarini, elicotteri, escavatori e macchine CNC. Tuttavia, è incredibilmente difficile per un ingegnere creare una macchina in grado di replicare il movimento umano!
Una sfida fondamentale in questo contesto è la coppia specifica incredibilmente elevata che i nostri corpi possono raggiungere. Ad esempio, per fare anche un piccolo salto, ciascuna delle nostre caviglie deve fornire coppie superiori a 400 Nm [1], cioè paragonabili alla coppia di un motore di Formula 1 su ciascun piede! Anche i nostri fianchi, spalle e gomiti sono ugualmente impressionanti in termini di coppia che possono fornire, soprattutto considerando le loro dimensioni relativamente ridotte. La figura 1 confronta vari tipi di attuatori in termini di prestazioni coppia-peso, evidenziando quanto siano straordinarie le nostre articolazioni in questo compito specifico.
Per avere un quadro completo del movimento umano, dobbiamo anche esaminarne la velocità. Le articolazioni umane si muovono a velocità relativamente basse, in genere sotto i 100 giri al minuto, mentre i motori elettrici possono facilmente superare i 15.000 giri al minuto, il che li rende oltre 150 volte più veloci. Ciò dimostra chiaramente che la sfida ingegneristica di replicare il movimento umano consiste nel raggiungere coppie elevate con basso peso e non la velocità.
Solitamente si utilizza il termine densità di coppia – sebbene “coppia specifica o coppia per unità di peso” siano termini ingegneristici più precisi – per identificare questa sfida cruciale riguardante la coppia per l’hardware della robotica moderna. Anche con le ultime tecnologie, i motori elettrici sono circa dieci volte più pesanti delle articolazioni umane che forniscono coppie simili. Ciò rappresenta una sfida fondamentale per gli ingegneri che mirano a costruire robot leggeri in grado di eseguire movimenti simili a quelli umani. Si può rimanere sorpresi nello scoprire che la maggior parte dei video online che mostrano moderni robot collaborativi in azione sono in realtà accelerati da 5 a 10 volte. Senza questa accelerazione, i robot si muovono così lentamente che guardarli per più di qualche secondo diventa insopportabilmente noioso.
Confronto tra escavatori e robot
Esiste un tipo di macchina che si muove in modo sorprendentemente prossimo agli umani, anche se con una scala diversa: gli escavatori e le macchine Off-Road. Queste macchine possono raggiungere densità di coppia estremamente elevate mentre si muovono a velocità moderate. A un certo punto, ho iniziato a usare questo esempio per spiegare visivamente il problema dell’hardware nella robotica moderna: gli umani in realtà si muovono più come escavatori che come motori elettrici.
Come fanno gli ingegneri a costruire queste macchine per applicazioni Off-Road in grado di fornire densità di coppia molto elevate a velocità moderate? Oggi, questo risultato si ottiene principalmente combinando un motore a combustione con un sistema di azionamento idraulico. In passato, per azionare queste macchine venivano utilizzati sistemi di cavi e pulegge, ma a causa di problemi di affidabilità e costi, sono stati largamente sostituiti dall’idraulica oltre 70 anni fa.
Non sorprende quindi che l’idraulica e i sistemi a cavo e puleggia siano stati esplorati intensamente anche nella robotica moderna negli ultimi decenni per ottenere le elevate densità di coppia richieste. Lo straordinario robot ATLAS della Boston Dynamics, un apice in termini di similitudine delle prestazioni a quelle umane nella robotica moderna, utilizza attuatori idraulici. L’uso di sistemi di attuazione a cavo e puleggia (per i quali si utilizza anche la locuzione inglese “remote actuation “, cioè attuazione a distanza) nella robotica moderna [2], implica il posizionamento del motore primario a distanza dal giunto azionato e l’utilizzo di un cavo o di un albero flessibile per trasferire il movimento. Molti esoscheletri, mani robotiche e manipolatori robotici leggeri sviluppati negli ultimi decenni hanno utilizzato queste soluzioni [3,4,5].
È interessante notare che il più grande successo commerciale di Boston Dynamics non è ATLAS ma SPOT, un robot a quattro zampe altamente versatile che può anche incorporare un braccio robotico sul dorso. Le articolazioni di SPOT utilizzano motori elettrici e riduttori anziché attuatori idraulici. Inoltre, la nuova generazione di ATLAS recentemente presentata da Boston Dynamics è passata dall’azionamento idraulico all’uso di motori elettrici e riduttori, in modo simile ad altri importanti robot umanoidi come OPTIMUS di Tesla, Figure 01 o APOLLO di Apptronik. Questi robot raggiungono una densità di coppia accettabile utilizzando motori elettrici, grazie all’impiego di una strategia di azionamento messa a punto con precisione dai robot collaborativi (cobot) nell’ultimo decennio: l’uso di riduttori ad alto rapporto.
Su più vasta scala, nei macchinari Off-Road, si nota una tendenza crescente verso l’elettrificazione. Questo cambiamento è guidato principalmente dai guadagni di efficienza e dai vantaggi di manutenzione dell’azionamento elettrico rispetto alla combinazione di motori a combustione e oleodinamica tradizionalmente utilizzata in questo settore industriale. Il settore Off-Road sta investendo molto nella ricerca di soluzioni per sostituire i motori a combustione e l’oleodinamica con motori elettrici e riduttori. Tuttavia, le elevate densità di coppia richieste in questo campo rendono la transizione all’elettrificazione estremamente impegnativa. Al momento, sebbene vi siano già sul mercato alcuni sistemi elettrici a batteria possano, destinati a macchine Off-Road di piccola taglia [6], i motori a combustione e l’idraulica rimangono la scelta predominante per le macchine più grandi [7]. Di conseguenza, l’elettrificazione delle macchine Off-Road è significativamente in ritardo rispetto ad altri settori quali le autovetture.
Riduttori per la robotica
Come ha sottolineato il famoso professore di robotica del MIT Sangbae Kim, padre del robot Cheetah che può correre più velocemente del suo equivalente animale, “i riduttori sono il punto nel quale inizia il problema…” nella robotica moderna.
I riduttori ad alto rapporto introducono complessità, peso, perdite, non linearità, gioco e altre sfide ai sistemi robotici. Tuttavia, essi sono essenziali per compensare le basse densità di coppia dei motori elettrici. I riduttori ad alto rapporto (in genere oltre 100:1) consentono a motori piccoli e leggeri di fornire coppie elevate, riducendo la velocità ed aumentando la coppia. Il riduttore strain-wave (altro termine con cui si indentifica l’harmonic-drive), noto per il gioco basso e le capacità di rapporto elevato, ha un chiaro vantaggio dal punto di vista del controllo, ciò che lo rende oggi la tecnologia di riduttori dominante nella robotica moderna.
Nonostante i loro vantaggi, i riduttori strain-wave hanno i loro problemi. Questo spiega da un lato la visione del Prof. Sangbae sui riduttori quali centro del problema hardware della robotica moderna, e dall’altro la ricerca estesa e attiva sui riduttori ad alto rapporto durante gli ultimi anni, in contrasto con i decenni di relativa calma in questo campo. Oggi si continuano a sviluppare le tecnologie innovative dei riduttori, per cercare di affrontare le sfide della robotica moderna.
I riduttori cicloidali, un’altra tecnologia promettente, offrono elevata densità di coppia e robustezza. Sono particolarmente adatti per robot industriali e macchinari per impieghi gravosi. I riduttori cicloidali possono gestire carichi d’urto elevati, rendendoli ideali per applicazioni in condizioni difficili in cui è fondamentale ridurre al minimo i tempi di fermo macchina.
Anche i riduttori epicicloidali, comunemente utilizzati nelle applicazioni automobilistiche e industriali, vengono adattati alla robotica. Questi riduttori offrono elevata efficienza, compattezza e la capacità di gestire coppie elevate. Tecniche di produzione e materiali avanzati hanno ulteriormente migliorato le loro prestazioni, rendendoli un’opzione praticabile per applicazioni robotiche in cui la precisione di posizionamento non è fondamentale.
Sono state recentemente sviluppate anche altre tecnologie dirompenti di riduttori, che vengono discusse più in dettaglio in [8].
Il ruolo dei riduttori per la robotica nell’elettrificazione dei macchinari Off-Road
Confrontando le sfide dell’elettrificazione dei macchinari Off-Road e della robotica moderna emergono sorprendenti somiglianze, come mostrato nella figura 2. Gli escavatori e i manipolatori robotici collaborativi forniscono un esempio rappresentativo: entrambi sono fondamentalmente manipolatori autoportanti che:
– hanno un peso proprio di un ordine di grandezza maggiore del loro carico utile;
– devono operare in ambienti altamente non strutturati;
– richiedono attuatori con densità di coppia estremamente elevate;
– sono spesso soggetti a impatti imprevisti;
– hanno cicli di lavoro che comportano tempi di attività elevati e condizioni operative variabili che rendono particolarmente difficile raggiungere efficienze energetiche compatibili con l’alimentazione a batteria;
– hanno caratteristiche di movimento coppia-angolo non lineari;
– richiedono accuratezze di posizionamento moderate;
– richiedono densità di potenza moderate;
– sono (o saranno, nel caso dei manipolatori robotici) molto mobili;
– hanno un elevato potenziale di economicità correlato alla rigenerazione di energia.
Da questa analisi, diventa evidente che i riduttori sono destinati a svolgere un ruolo fondamentale nell’elettrificazione di macchinari per impieghi gravosi, proprio come per l’attuazione moderna umano-centrica. I riduttori per veicoli Off-Road necessitano di grandi rapporti di trasmissione, design compatti, buona efficienza e la capacità di gestire densità di potenza elevate. Le soluzioni di raffreddamento e lubrificazione sono essenziali in questo caso, a causa delle maggiori potenze coinvolte.
Il futuro dell’attuazione nei macchinari Off-Road
L’analisi condotta suggerisce un percorso promettente per l’azionamento elettrico nei macchinari Off-Road. I motori elettrici ad alta tensione e alta velocità che raggiungono densità di potenza superiori a 2,5 kW/kg possono essere combinati con riduttori epicicloidali e cicloidali ad alto rapporto. Questi riduttori hanno due gradi di libertà che possono essere utilizzati per combinare l’input da due diversi motori elettrici (azionamento Dual-Motor) [9] che è simile al principio di ripartizione utilizzato da alcuni veicoli ibridi. Ciò fornisce una soluzione versatile che può far fronte alle condizioni operative nei macchinari Off-Road che comportano un esercizio frequente e continuativo in condizioni di coppia e velocità significativamente diverse. Anche la reversibilità del riduttore svolgerà un ruolo cruciale nel consentire il recupero di energia, riducendo i requisiti di taglia della batteria, mentre l’ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento e lubrificazione sarà fondamentale nel rendere queste soluzioni delle alternative praticabili al posto dell’azionamento idraulico.
Il futuro dei macchinari per impieghi gravosi risiede nell’integrazione di successo di tecnologie avanzate di riduttori e motori elettrici. Affrontando le sfide della densità di coppia, dell’efficienza e della gestione della potenza, queste innovazioni guideranno la transizione verso macchinari per impieghi gravosi più efficienti e sostenibili.
Conclusioni
Il percorso verso l’elettrificazione dei macchinari Off-Road per impieghi gravosi è complesso e impegnativo. Tuttavia, i parallelismi tra la robotica umano-centrica e i macchinari per impieghi gravosi evidenziano il potenziale delle tecnologie innovative dei riduttori di svolgere un ruolo importante in questa trasformazione. Sfruttando cambi ad alto rapporto, motori elettrici avanzati e sistemi di raffreddamento e lubrificazione ottimizzati, possiamo ottenere le elevate densità di coppia e l’efficienza richieste per i moderni macchinari per impieghi gravosi. Questa transizione non solo migliorerà le prestazioni, ma contribuirà anche a un futuro più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico per l’industria.
(Pablo López García, Vrije Univeristeit Brussel)
