Bună, băieți, dacă v-ați întrebat vreodată de ce roboții umanoizi nu se simt ca niște mașini neplăcute și incomode care se poticnesc în spații create pentru oameni, haideți să descompunem pe unul dintre cei mai necunoscuti eroi ai acelei mișcări lin: părțile lor articulare. În calitate de furnizor de componente de îmbinare a roboților umanoizi, vorbesc cu constructori de roboți, pasionați și ingineri în fiecare zi, care se concentrează pe servo-uri de înaltă tehnologie sau pe creiere AI fanteziste – și dorm pe părțile minuscule și ergonomice care fac ca totul să funcționeze cu (nu împotriva) oamenilor. Să intrăm în esențialul modului în care aceste articulații modelează utilitatea, siguranța și vibrația generală a unui robot, fără jargon înfundat de manuale, promit.
În primul rând, care sunt chiar „aspectele ergonomice” ale articulațiilor robotului? Pentru un umanoid, asta înseamnă că fiecare articulație (umeri, coate, încheieturi, șolduri, genunchi, glezne) trebuie să imite modul în care corpurile umane se mișcă, dar și să poată interacționa în siguranță. Gândiți-vă: dacă articulația cotului unui robot iese în unghiuri ciudate sau este suficient de ascuțită pentru a răzui desenul unui copil, aceasta este o problemă. Dacă articulația genunchiului se blochează brusc când cineva se sprijină pe ea pentru ajutor, acesta este un pericol. Ergonomia aici nu este doar despre a face robotul „să arate” uman, ci este despre proiectarea unor piese care funcționează cu spațiile umane, nu împotriva lor.
Să începem cu raza de mișcare, pentru că aceasta este prima verificare ergonomică. Oamenii au o anumită gamă de mișcare pentru fiecare articulație: umerii noștri se rotesc la 360 de grade (bine, aproape), coatele ni se îndoaie la 180, genunchii ni se îndoaie doar într-un singur sens, nu? Articulațiile robotului umanoid trebuie să se potrivească cu asta, dar să nu treacă peste bord – o rază prea mare de acțiune și obțineți o mișcare instabilă și instabilă. Am avut un client care a construit un robot pentru îngrijirea bătrânilor mi-a spus că articulațiile originale ale genunchilor au fost îndoite doar la 90 de grade, iar când a încercat să-l programeze să îngenuncheze la aceeași înălțime ca un senior care ședea, nu a reușit. Aici intervine designul corect al îmbinării. Nu vindem doar piese standard; colaborăm cu constructori pentru a modifica limitele de rază, astfel încât robotul să nu depășească sau să aibă performanțe slabe. De exemplu, articulațiile umărului nostru au limitatoare de cuplu încorporate care opresc rotația înainte de a atinge un maxim asemănător uman, ceea ce previne atât deteriorarea articulației, cât și loviturile accidentale ale persoanelor din apropiere.
În continuare, sensibilitatea la forță - aceasta este uriașă pentru siguranță, care este esențială pentru ergonomie atunci când roboții sunt în preajma oamenilor. Pielea unui om poate simți presiune, astfel încât corpurile noastre ajustează automat cât de multă forță folosim atunci când atingem un pahar sau îmbrățișăm pe cineva. Roboții au nevoie de același simț, dar articulațiile lor trebuie să traducă asta în mișcare blândă, nu rigidă. Să presupunem că un umanoid îi dă o carte unui copil: dacă articulația cotului său nu are senzori de forță, s-ar putea strânge cartea prea strâns sau poate balansa brațul suficient de repede pentru a doborî o lampă. Părțile noastre articulare integrează senzori de forță și cuplu cu profil redus chiar în axa articulației, astfel încât robotul să își poată ajusta mișcarea în timp real. Am văzut că acest lucru a dat roade în roboții umanoizi mici pentru educație, în care copiii îi ridică și își mișcă brațele pentru exerciții de codare – nimeni nu a fost rănit vreodată pentru că articulația a încetat să se miște când a simțit atingerea umană.
Apoi mai este potrivirea fizică a articulației în sine, pentru că să fim realiști – nimeni nu își dorește un robot voluminos care să ocupe de două ori mai mult spațiu decât un om. Ergonomia aici înseamnă articulații compacte, simplificate, care se potrivesc în cadrul unui umanoid, astfel încât să poată naviga prin uși, să stea pe o canapea sau să ajungă la un raft așa cum ar face o persoană. O mare parte din acestea sunt materialele pe care le folosim. Stai, s-ar putea să te gândești la „materiale? Asta e o chestie de robotică, nu de ergonomie”, dar ascultă-mă. Dacă o îmbinare este făcută din metal greu și ieftin, întregul robot este greu de ridicat, ceea ce dezechilibrează și îngreunează mișcarea. De aceea lucrăm cu constructori pentru a alege materialele potrivite, în funcție de cazul lor de utilizare. De exemplu, roboții menționați să lucreze în spații înguste de vânzare cu amănuntul beneficiază de piese mai ușoare și durabile - chiar recomandăm asocierea ansamblurilor noastre de îmbinare cu bucăți structurale ușoare, cum ar fi legăturile brațului robot al mașinii CNC, care mențin întreaga platformă subțire, fără a sacrifica rezistența. Pentru roboții care trebuie să ridice articole mai grele pentru logistică (dar totuși lucrează în jurul lucrătorilor din depozit), folosim îmbinări din aliaj de oțel cu cuplu mare, dar le împerechem cu capace mai ușoare și flexibile, cum ar fi Plastic Robot Shell, pentru a înmuia marginile. Apropo de asta, acele huse nu sunt doar pentru aspect - marginile rotunjite, neascuțite ale îmbinărilor înseamnă un risc mai mic de tăieturi accidentale, ceea ce este un design ergonomic pur.
De asemenea, vreau să vorbesc despre modularitate, care este un mare câștig ergonomic atât pentru constructori, cât și pentru utilizatorii finali. Cum? Dacă o articulație se rupe, nu trebuie să înlocuiți întregul robot - doar schimbați piesa defectă. Acest lucru nu este convenabil doar pentru reparații; le permite constructorilor să ajusteze designul robotului pe măsură ce merg. De exemplu, o echipă de robotică universitară ar putea începe cu o articulație de bază a genunchiului, apoi o poate actualiza mai târziu pentru alergare (pot schimba articulația noastră modulară pentru genunchi cu un cuplu mai mare, fără a reconstrui întregul ansamblu al piciorului). Modularitatea facilitează, de asemenea, calibrarea mișcărilor robotului, ceea ce asigură că fiecare articulație funcționează sincronizat, ca un om adevărat. Am văzut echipe care economisesc luni de timp la testare, deoarece îmbinările noastre modulare se conectează la hub-urile standard pentru accesorii pentru robot, astfel încât să nu fie nevoite să conecteze totul de la zero.
Stai, hai să fim realiști despre greșelile comune pe care le văd. O mulțime de noi constructori de roboți se concentrează pe specificații: cuplu maxim, viteză, preț, fără să se gândească la modul în care articulația interacționează cu întregul sistem umanoid. De exemplu, o articulație care este excelentă pentru a ridica greutăți ar putea vibre atât de mult încât să tremure capul robotului (care are senzori pentru navigare), făcându-i greu pentru robot să recunoască fața unui om sau să navigheze într-o cameră. Acesta este un eșec ergonomic deoarece, chiar dacă mișcările robotului sunt puternice, acesta nu poate interacționa fără probleme cu mediul său. Articulațiile noastre sunt proiectate cu amortizare a vibrațiilor integrată, astfel încât să nu arunce celelalte sisteme ale robotului. O altă greșeală? Ignorarea distribuției greutății. Dacă articulațiile șoldului unui robot sunt prea grele, acesta trebuie să muncească din greu doar pentru a sta în picioare, ceea ce consumă durata de viață a bateriei și îl face să se miște încet. Ajutăm constructorii să echilibreze greutatea articulațiilor pe întregul corp, astfel încât fiecare parte să funcționeze cu celelalte, nu împotriva lor.
Iar pentru roboții care interacționează cu persoane vulnerabile, cum ar fi bătrânii sau copiii, există un strat suplimentar de ergonomie: accesibilitatea. Un umanoid conceput pentru a ajuta pe cineva care folosește un scaun cu rotile trebuie să ajungă la cotiere, să ia gustări de pe o masă joasă și să se miște suficient de încet pentru ca cineva cu mobilitate limitată să țină pasul. Aceasta înseamnă că articulațiile sale nu se pot mișca prea repede, trebuie să fie precise și să se potrivească într-un cadru care nu le face prea înalte sau scurte. Seturile noastre personalizate de îmbinare le permit constructorilor să ajusteze intervalul de mișcare și setările de viteză, astfel încât să poată adapta robotul la anumite cazuri de utilizare. Am lucrat cu o echipă mică care a construit un robot însoțitor pentru adulții vârstnici cu demență – au ajustat articulația încheieturii mâinii să se miște încet și ușor atunci când predau o pastilă, iar articulația cotului să nu se mai miște dacă simte o prindere slabă, ceea ce împiedică seniorul să cadă lucrurile.
Acum, să vorbim din nou despre materiale, pentru că asta se leagă de toate. Nu folosim doar un material pentru toate îmbinările, ci îl potrivim la locul de muncă. De exemplu, articulațiile umărului, care se mișcă mult și se stresează, trebuie să fie durabile, așa că folosim oțel aliat de calitate superioară. Pentru articulațiile de pe picioarele inferioare, care au impact atunci când mergem, folosim un amestec de aluminiu și materiale compozite ușoare pentru a menține greutatea scăzută, în timp ce rezistăm forței. Întotdeauna indicăm constructorilor către paginile noastre de șasiu robot din aluminiu și piese metalice de roboți din oțel inoxidabil pentru suporturi structurale care completează articulațiile noastre - cum ar fi, o articulație a genunchiului asociată cu un șasiu robust face ca întregul picior să fie mai stabil, fără mișcări agitate. Și pentru părțile exterioare care intră în contact cu oamenii, cum ar fi capacele pentru articulații, folosim materiale plastice neiritante, sigure pentru alimente, care nu zgârie pielea, ceea ce este cheia pentru roboții care interacționează cu copiii sau cu oamenii din mediul medical.
Așteptați, să răspundem la o întrebare pe care o primesc tot timpul: „Care este diferența dintre o articulație obișnuită de robot și o articulație umanoidă ergonomică?” O articulație de robot obișnuită este construită pentru viteză, precizie și ridicare grele în fabrici - nu le pasă dacă lovesc un muncitor, deoarece fabricile au cuști de siguranță. Articulații umanoide? Ei trebuie să echilibreze precizia cu siguranța, intervalul de mișcare cu stabilitatea și rezistența cu greutatea. De aceea, fiecare parte a articulației trebuie proiectată având în vedere interacțiunea umană. Chiar și detaliile mici, cum ar fi cât de netedă se rotește articulația - fără șlefuire, fără mișcări sacadate - fac robotul să se simtă mai natural, ca o persoană reală. Nimeni nu vrea să dea mâna cu un robot care se mișcă ca o jucărie spartă; articulațiile ergonomice fac ca interacțiunea să se simtă perfectă.
Știu că mulți constructori de roboți se concentrează pe împingerea tehnologiei înainte, dar uneori cele mai importante inovații sunt cele care fac roboții să funcționeze pentru oameni, nu doar pe cont propriu. Data viitoare când vezi un robot umanoid care se simte intuitiv, care nu se simte înfricoșător sau stânjenitor, aruncă o privire mai atentă - sunt șanse ca articulațiile sale să fie proiectate cu acele principii ergonomice despre care vorbesc. Nu sunt doar bucăți de metal și plastic; acestea sunt motivul pentru care un robot poate să îngenuncheze să vorbească cu un copil, să treacă o ceașcă fără să verse sau să navigheze într-o sufragerie fără să răstoarne o lampă.
Dacă construiți un robot umanoid și aveți nevoie de părți articulare care echilibrează performanța, siguranța și ergonomia, contactați-ne pentru a discuta despre proiectul dvs. Vă putem ajuta să alegeți componentele potrivite, indiferent dacă aveți nevoie de îmbinări modulare standard sau de cele personalizate pentru cazul dvs. de utilizare specific. Lucrăm cu toată lumea, de la echipe de hobby până la parteneri industriali, astfel încât niciun proiect nu este prea mare sau prea mic.
Referințe
- Organizația Internațională pentru Standardizare (ISO). „Roboți și dispozitive robotice — cerințe de siguranță pentru roboții umanoizi” ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. și Potkonjak, V. „Roboți umanoizi: Bazele modelării și controlului” Springer, 2013.
- Ryu, J. și Kim, W. „Force Control for Safe Human-Robot Interaction: A Review” IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, nr. 3, 2016, p. 515-533.
- Zhang, L. şi colab. „Design ergonomic of Humanoid Robot Joints for Home Assistance Applications” Proceedings of the 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2020, pp. 5678-5684.
