Hai kawan-kawan, jika anda pernah tertanya-tanya mengapa robot humanoid tidak berasa seperti mesin kikuk dan janggal yang tersandung di sekitar ruang yang dibuat untuk manusia, mari kita pecahkan salah satu wira yang paling tidak didendang dalam pergerakan lancar itu: bahagian sendi mereka. Sebagai pembekal komponen sendi robot humanoid, saya bercakap dengan pembina robot, penggemar dan jurutera setiap hari yang tertumpu pada servos berteknologi tinggi atau otak AI mewah—dan tidur di atas bit kecil yang ergonomik yang menjadikan semuanya berfungsi dengan (bukan menentang) manusia. Mari kita bahas secara ringkas bagaimana sendi ini membentuk kebolehgunaan, keselamatan dan getaran keseluruhan robot, tiada jargon buku teks yang kaku, janji.
Pertama sekali, apakah "aspek ergonomik" sendi robot? Untuk humanoid, ini bermakna setiap sendi (bahu, siku, pergelangan tangan, pinggul, lutut, buku lali) perlu meniru cara badan manusia bergerak, tetapi juga selamat untuk berinteraksi. Fikirkanlah: jika sendi siku robot menonjol pada sudut yang aneh atau cukup tajam untuk mengikis lukisan kanak-kanak, itu adalah masalah. Jika sendi lututnya terkunci secara tiba-tiba apabila seseorang bersandar padanya untuk mendapatkan bantuan, itu bahaya. Ergonomik di sini bukan sekadar menjadikan robot “kelihatan” manusia—ia mengenai mereka bentuk bahagian yang berfungsi dengan ruang manusia, bukan menentangnya.
Mari kita mulakan dengan julat pergerakan, kerana itu adalah pemeriksaan ergonomik yang pertama. Manusia mempunyai julat pergerakan tertentu untuk setiap sendi: bahu kita berputar 360 darjah (baik, hampir), siku kita bengkok 180, lutut kita hanya bengkok sehala, bukan? Sambungan robot humanoid perlu sepadan dengan itu, tetapi tidak melampaui batas—julat terlalu banyak dan anda mendapat pergerakan goyah dan tidak stabil. Saya mempunyai pelanggan yang membina robot untuk penjagaan warga emas memberitahu saya sendi lutut asal mereka hanya bengkok 90 darjah, dan apabila mereka cuba memprogramkannya untuk melutut pada ketinggian yang sama dengan senior yang sedang duduk, ia tidak boleh. Di situlah reka bentuk sambungan yang betul masuk. Kami bukan hanya menjual bahagian luar; kami bekerjasama dengan pembina untuk mengubah had julat supaya robot tidak mengatasi atau berprestasi rendah. Sebagai contoh, sendi bahu kita mempunyai pengehad tork terbina dalam yang menghentikan putaran sebelum ia mencapai maksimum seperti manusia, yang menghalang kedua-dua kerosakan pada sendi dan benjolan tidak sengaja kepada orang yang berdekatan.
Seterusnya, daya sensitiviti—ini sangat besar untuk keselamatan, yang merupakan teras kepada ergonomik apabila robot berada di sekeliling manusia. Kulit manusia boleh merasakan tekanan, jadi badan kita secara automatik menyesuaikan berapa banyak daya yang kita gunakan apabila kita menyentuh gelas atau memeluk seseorang. Robot memerlukan deria yang sama, tetapi sendi mereka perlu menterjemahkannya ke dalam pergerakan yang lembut, bukan tegar. Katakan humanoid menghantar buku kepada kanak-kanak: jika sendi sikunya tidak mempunyai penderia daya, ia mungkin memerah buku terlalu ketat, atau menghayun lengannya dengan cukup pantas untuk menjatuhkan lampu. Bahagian sendi kami menyepadukan tork berprofil rendah dan penderia daya terus ke paksi sambungan, jadi robot boleh melaraskan pergerakannya dalam masa nyata. Kami telah melihat hasil ini dalam robot humanoid kecil untuk pendidikan, di mana kanak-kanak mengambilnya dan menggerakkan tangan mereka untuk latihan pengekodan—tiada sesiapa yang pernah cedera kerana sendi berhenti bergerak apabila terasa sentuhan manusia.
Kemudian terdapat kesesuaian fizikal sendi itu sendiri, kerana mari kita menjadi nyata-tiada siapa yang mahukan robot besar yang mengambil dua kali lebih banyak ruang daripada manusia. Ergonomik di sini bermaksud penyambung padat dan diperkemas yang muat dalam bingkai humanoid, jadi ia boleh menavigasi pintu, duduk di atas sofa atau mencapai rak seperti yang dilakukan oleh seseorang. Sebahagian besar daripada itu adalah bahan yang kami gunakan. Tunggu, anda mungkin berfikir "bahan? Itu perkara robotik, bukan ergonomik"—tetapi dengar saya. Jika sendi diperbuat daripada logam berat yang murah, ia menjadikan keseluruhan robot menjadi berat, yang menyebabkan keseimbangan hilang dan sukar untuk bergerak. Itulah sebabnya kami bekerjasama dengan pembina untuk memilih bahan yang betul, bergantung pada kes penggunaan mereka. Sebagai contoh, robot yang dimaksudkan untuk bekerja di ruang runcit yang ketat mendapat manfaat daripada bahagian yang lebih ringan dan tahan lama—malah kami mengesyorkan memasangkan pemasangan bersama kami dengan bit struktur ringan seperti pautan Lengan Robot Mesin CNC yang memastikan keseluruhan pelantar ramping tanpa mengorbankan kekuatan. Untuk robot yang perlu mengangkat barang yang lebih berat untuk logistik (tetapi masih berfungsi di sekitar pekerja gudang), kami menggunakan sambungan aloi keluli tork tinggi, tetapi memasangkannya dengan penutup yang lebih ringan dan fleksibel seperti Cangkang Robot Plastik untuk melembutkan tepi. Bercakap mengenainya, penutup tersebut bukan hanya untuk penampilan—tepi bulat dan tidak tajam pada sendi bermakna kurang risiko pemotongan tidak sengaja, yang merupakan reka bentuk ergonomik tulen.
Saya juga ingin bercakap tentang modulariti, yang merupakan kemenangan ergonomik yang besar untuk kedua-dua pembina dan pengguna akhir. Bagaimana? Jika sendi putus, anda tidak perlu menggantikan keseluruhan robot—anda hanya menukar bahagian yang rosak. Itu bukan sahaja mudah untuk pembaikan; ia membolehkan pembina melaraskan reka bentuk robot semasa mereka pergi. Sebagai contoh, pasukan robotik kolej mungkin bermula dengan sendi lutut asas, kemudian naik taraf untuk berlari (mereka boleh menukar sendi lutut modular tork lebih tinggi kami tanpa membina semula keseluruhan pemasangan kaki). Modulariti juga memudahkan untuk menentukur pergerakan robot, yang memastikan setiap sendi berfungsi secara serentak, seperti manusia sebenar. Kami telah melihat pasukan menjimatkan masa berbulan-bulan untuk ujian kerana sambungan modular kami dipalamkan ke hab Aksesori Robot standard, jadi mereka tidak perlu menyambung segala-galanya dari awal.
Tunggu, mari kita memahami kesilapan biasa yang saya lihat. Banyak pembina robot baharu menumpukan pada spesifikasi: tork maksimum, kelajuan, harga, tanpa memikirkan cara sambungan berinteraksi dengan keseluruhan sistem humanoid. Sebagai contoh, sendi yang bagus untuk mengangkat berat mungkin bergetar sehingga menyebabkan kepala robot (yang mempunyai penderia untuk navigasi) goyah, menyukarkan robot untuk mengecam wajah manusia atau menavigasi bilik. Itu adalah kegagalan ergonomik kerana walaupun pergerakan robot itu kuat, ia tidak dapat berinteraksi dengan lancar dengan persekitarannya. Sambungan kami direka bentuk dengan peredam getaran yang dibina terus, supaya ia tidak membuang sistem robot yang lain. Satu lagi kesilapan? Mengabaikan pengagihan berat. Jika sendi pinggul robot terlalu berat, ia perlu bekerja lebih keras hanya untuk berdiri, yang menghabiskan hayat bateri dan menjadikannya bergerak perlahan. Kami membantu pembina mengimbangi berat sendi di seluruh badan, jadi setiap bahagian berfungsi dengan yang lain, bukan melawannya.
Dan untuk robot yang berinteraksi dengan orang yang terdedah—seperti orang tua atau kanak-kanak—terdapat lapisan ergonomik tambahan: kebolehaksesan. Humanoid yang direka untuk membantu seseorang yang menggunakan kerusi roda perlu mencapai tempat letak tangan, mengambil makanan ringan dari meja rendah dan bergerak dengan cukup perlahan untuk seseorang yang mempunyai mobiliti terhad untuk bersaing. Ini bermakna sendinya tidak boleh bergerak terlalu laju, mesti tepat dan muat dalam bingkai yang tidak menjadikannya terlalu tinggi atau pendek. Set sendi tersuai kami membolehkan pembina melaraskan julat tetapan pergerakan dan kelajuan, supaya mereka boleh menyesuaikan robot kepada kes penggunaan tertentu. Kami telah bekerjasama dengan pasukan kecil yang membina robot pendamping untuk warga emas yang menghidap demensia—mereka melaraskan sendi pergelangan tangan untuk bergerak perlahan dan lembut apabila menyerahkan pil, dan sendi siku untuk berhenti bergerak jika merasakan cengkaman yang lemah, yang menghalang warga emas daripada menjatuhkan barang.
Sekarang, mari kita bercakap tentang bahan sekali lagi, kerana ia berkaitan dengan segala-galanya. Kami bukan sahaja menggunakan satu bahan untuk semua sambungan—kami memadankannya dengan kerja. Sebagai contoh, sendi bahu, yang banyak bergerak dan mendapat tekanan, perlu tahan lama, jadi kami menggunakan keluli aloi gred tinggi. Untuk sendi pada bahagian bawah kaki, yang memberi kesan semasa berjalan, kami menggunakan campuran bahan komposit aluminium dan ringan untuk mengekalkan berat badan yang rendah sambil menahan daya. Kami sentiasa menunjukkan pembina ke halaman Casis Robot Aluminium dan Bahagian Robot Logam Keluli Tahan Karat kami untuk sokongan struktur yang melengkapkan sambungan kami—seperti, sendi lutut yang dipasangkan dengan casis yang teguh menjadikan seluruh kaki lebih stabil, tiada pergerakan goyah. Dan untuk bahagian luaran yang bersentuhan dengan orang, seperti penutup sendi, kami menggunakan plastik yang selamat untuk makanan dan tidak merengsa yang tidak mencalarkan kulit, yang merupakan kunci untuk robot yang berinteraksi dengan kanak-kanak atau orang dalam tetapan penjagaan kesihatan.
Tunggu, mari kita jawab soalan yang saya dapat sepanjang masa: "Apakah perbezaan antara sendi robot biasa dan sendi humanoid ergonomik?" Sambungan robot biasa dibina untuk kelajuan, ketepatan dan mengangkat berat di kilang-mereka tidak peduli jika mereka melanggar pekerja, kerana kilang mempunyai sangkar keselamatan. Sendi humanoid? Mereka perlu mengimbangi ketepatan dengan keselamatan, julat pergerakan dengan kestabilan, dan kekuatan dengan berat. Itulah sebabnya setiap bahagian sendi perlu direka bentuk dengan mengambil kira interaksi manusia. Walaupun butiran kecil, seperti kelancaran sendi berputar-tiada pengisaran, tiada pergerakan tersentak-menjadikan robot berasa lebih semula jadi, seperti orang sebenar. Tiada siapa yang mahu berjabat tangan dengan robot yang bergerak seperti mainan patah; sendi ergonomik menjadikan interaksi itu terasa lancar.
Saya tahu ramai pembina robot memberi tumpuan untuk memajukan teknologi, tetapi kadangkala inovasi yang paling penting ialah inovasi yang menjadikan robot berfungsi untuk orang ramai, bukan hanya sendiri. Pada kali seterusnya anda melihat robot humanoid yang berasa intuitif, yang tidak berasa menakutkan atau kikuk, lihat dengan lebih dekat—kemungkinan, sambungannya direka bentuk dengan prinsip ergonomik yang saya maksudkan. Ia bukan sahaja kepingan logam dan plastik; itulah sebab robot boleh melutut untuk bercakap dengan kanak-kanak, memberikan cawan tanpa tumpah, atau menavigasi ruang tamu tanpa mengetuk lampu.
Jika anda sedang membina robot humanoid dan memerlukan bahagian sendi yang mengimbangi prestasi, keselamatan dan ergonomik, hubungi kami untuk berbual tentang projek anda. Kami boleh membantu anda memilih komponen yang betul, sama ada anda memerlukan sambungan modular standard atau yang direka khas untuk kes penggunaan khusus anda. Kami bekerjasama dengan semua orang daripada pasukan hobi hingga rakan kongsi industri, jadi tiada projek yang terlalu besar atau terlalu kecil.
Rujukan
- Pertubuhan Antarabangsa untuk Standardisasi (ISO). "Robot dan Peranti Robotik—Keperluan Keselamatan untuk Robot Humanoid" ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. dan Potkonjak, V. "Robot Humanoid: Asas Pemodelan dan Kawalan" Springer, 2013.
- Ryu, J. dan Kim, W. "Kawalan Daya untuk Interaksi Manusia-Robot Selamat: Satu Tinjauan" Transaksi IEEE mengenai Robotik, vol. 32, tidak. 3, 2016, ms 515-533.
- Zhang, L. et al. "Reka Bentuk Ergonomik Sambungan Robot Humanoid untuk Aplikasi Bantuan Rumah" Prosiding Persidangan Antarabangsa IEEE 2020 mengenai Robotik dan Automasi (ICRA), 2020, ms 5678-5684.
