Комплексный аппаратный стек датчиков, нитрид-галлиевой электроники и микроконтроллеров для гуманоидных роботов представила STMicroelectronics

Источник: STMicroelectronics Blog

Ограничение по энергопотреблению бортовых электроприводов и задержка отклика сенсоров равновесия выступают главными барьерами на пути выхода антропоморфных машин на реальные производственные мощности, заявил европейский полупроводниковый производитель STMicroelectronics в опубликованном техническом манифесте. Компания раскрыла собственную комплексную стратегию построения аппаратной архитектуры роботов под общим принципом создания полного физического стека компонентов, расположенного ниже уровня центральной нейросетевой модели мозга. Согласно отчету, победа в коммерциализации робототехники в ближайшие пять лет будет определяться не только алгоритмами больших языковых и зрительных моделей, но и точностью очувствления каждого сустава, плотностью силовой электроники и тепловыделением приводов.

Экономическая целесообразность гуманоидного форм-фактора обусловлена дефицитом кадров: согласно совместному исследованию ассоциации The Manufacturing Institute и консалтингового агентства Deloitte, к 2033 году только на американском рынке образуется около трех миллионов восьмисот тысяч незаполненных промышленных вакансий. Антропоморфные платформы позволяют закрывать эти рабочие места на стандартных сборочных постах без дорогостоящей перестройки заводской инфраструктуры и конвейерных линий.

Аппаратная платформа STMicroelectronics охватывает шесть ключевых подсистем: головной модуль пространственного зрения, блок инерциального восприятия тела, компактные контроллеры многопалых кистей, силовые драйверы суставов конечностей, центральные коммуникационные мосты и интеллектуальную систему распределения питания. Совместно с компанией Leopard Imaging разработан интегрированный оптический блок головы робота, объединяющий цветную камеру высокого разрешения, трехмерные времяпролетные датчики ToF и сенсоры движения в едином виброзащищенном корпусе.

Особое место в архитектуре занимают инерциальные модули MEMS со встроенными машинно-обучаемыми вычислительными ядрами MLC. Подобная компоновка позволяет определять начало падения или спотыкания робота непосредственно на уровне датчика за считанные микросекунды при энергопотреблении в единицы милливатт, инициируя защитные алгоритмы балансировки еще до того, как сигнал успеет дойти до центрального процессора.

Для решения проблемы перегрева и ограниченного пространства в пятипалых манипуляторах компания совместно с разработчиком Ruiyan Intelligent Control создала сверхкомпактную плату управления кистью, полностью помещающуюся в ладони робота. На одной миниатюрной подложке размещен микроконтроллер для координации пяти шарниров по шести степеням свободы, высокоточные аналого-цифровые преобразователи для считывания сигналов тактильного давления с кончиков пальцев и эффективные драйверы моторов, предотвращающие тепловой перегрев закрытого корпуса кисти при длительном удержании тяжелых предметов.

В силовых каскадах электроприводов сорока активных шарниров корпуса применяются транзисторы на базе нитрида галлия PowerGaN с рабочим напряжением сто и семьсот вольт. Широкозонные полупроводники снижают потери на переключение и тепловыделение более чем на сорок процентов по сравнению с классическими кремниевыми транзисторами, что позволяет инженерам отказаться от тяжелых радиаторов и существенно продлить время автономной работы шагающего андроида от одного заряда аккумулятора. Каждый узел сочленения снабжен локальным микроконтроллером STM32 с поддержкой векторного управления FOC на частоте двадцать килогерц, а аппаратные блоки доверенной загрузки защищают каналы связи от несанкционированного перехвата управления.

Интеграция с экосистемой NVIDIA Isaac Sim обеспечивает разработчикам доступ к цифровым высокоточным моделям датчиков ST для сквозного обучения роботов в виртуальной симуляции до создания физического прототипа. Одновременно компания подтвердила масштабирование практического внедрения когнитивных гуманоидных роботов RoBee от Oversonic Robotics на собственных полупроводниковых фабриках в Европе для транспортировки кремниевых пластин и автоматизации складской логистики в чистых комнатах.