Tesla Bot در مقابل انعطاف پذیری انسان: آیا روباتیک های برش می توانند بر محدودیت های محرک غلبه کنند و مجدداً مهارت های خود را تعریف کنند

Tesla Bot Challenge Elon Musk: آیا روباتیک پیشرفته از انعطاف پذیری انسان با کسری از محرک ها بهتر است

محرک های ربات تسلا

بدن انسان تقریباً حاوی 600 عضله اسکلتی، اما تعداد دقیق می تواند کمی از شخص به شخص دیگر متفاوت باشد. این عضلات مسئول طیف گسترده ای از حرکات هستند و نقش مهمی در عملکرد کلی بدن دارند.

بنابراین یک ربات برای ایجاد همان سطح انعطاف پذیری و مهارت به عنوان یک انسان به چند محرک نیاز دارد؟

ایجاد یک ربات با همان سطح انعطاف پذیری و مهارت به عنوان یک انسان یک چالش پیچیده است که به نظر می رسد که تسلا می خواهد آن را انجام دهد و تعداد محرک های مورد نیاز به طراحی و عملکرد مورد نظر بستگی دارد. به طور کلی ، یک ربات به تعداد قابل مقایسه ای نیاز دارد محرک برای مطابقت با تعداد عضلات انسانی (تقریباً 600). با این حال ، طراحی یک روبات برای تکثیر هر عضله انسانی ممکن است عملی یا ضروری نباشد.

 

در بسیاری از طرح های روباتیک ، ترکیبی از محرک های کمتر و متنوع تر ، همراه با الگوریتم های کنترل پیشرفته ، برای دستیابی به طیف گسترده ای از حرکات و کارها استفاده می شود. علاوه بر این، برخی از سیستم های رباتیک از عناصر منفعل یا سازگار استفاده می کنند، مانند چشمه ها یا مواد انعطاف پذیر ، برای دستیابی به رفتارهای بیشتر مانند انسان بدون افزایش تعداد محرک ها.

در نهایت ، تعداد محرک های مورد نیاز برای یک ربات برای دستیابی به انعطاف پذیری و مهارت های مانند انسان ، به اهداف و وظایفی خاص که ربات برای تحقق آن طراحی شده است بستگی دارد.

یک انسان چند درجه آزادی دارد

تعداد درجه آزادی (DOF) در بدن انسان می تواند دقیقاً به دلیل پیچیدگی آن و بسیاری از اتصالات با دامنه های مختلف حرکت دشوار باشد. با این حال ، یک تخمین خشن از DOF را می توان با در نظر گرفتن مفاصل اصلی محاسبه کرد.
در اینجا یک تجزیه ساده از درجه آزادی برای یک بدن متوسط ​​انسان وجود دارد:
  1. گردن: 3 DOF (زمین ، خمیازه ، رول)
  2. شانه ها: 3 DOF در هر شانه (در کل 6)
  3. آرنج: 1 DOF در هر آرنج (در کل 2)
  4. مچ دست: 2 DOF در هر مچ (در کل 4)
  5. انگشتان: 14 DOF در هر دست (در کل 28 ، با فرض 4 DOF برای انگشت شست و 3 DOF برای هر یک از چهار انگشت دیگر)
  6. ستون فقرات: تخمین های مختلف بین 12 تا 24 DOF (بسته به سطح دانه بندی)
  7. باسن: 3 DOF در هر باسن (در کل 6)
  8. زانوها: 1 DOF در هر زانو (در کل 2)
  9. مچ پا: 2 DOF در هر مچ پا (4 در کل)
  10. انگشتان پا: 9 DOF در هر پا (در کل 18 ، با فرض 5 DOF برای انگشتان بزرگ و 1 DOF برای هر یک از چهار انگشت دیگر)

اضافه کردن این DOF با هم منجر به دامنه تقریبی 83 تا 95 DOF می شودبشر به خاطر داشته باشید که این یک نمایش ساده است و برای هر حرکت مشترک احتمالی یا DOF اضافی که ممکن است در بدن انسان وجود داشته باشد ، حساب نمی کند. تعداد واقعی می تواند بیشتر باشد ، به ویژه در هنگام بررسی جزئیات دقیق تر و اتصالات کوچکتر.

چه تعداد محرک یک ربات برای ایجاد سطح مشابهی از آزادی نیاز دارند

برای ایجاد یک ربات با سطح مشابهی از آزادی (DOF) به عنوان یک انسان ، باید تقریباً همان تعداد محرک را به عنوان DOF محاسبه شده برای بدن انسان داشته باشد. با فرض محاسبه ساده 83 تا 95 DOF ، یک ربات به تعداد قابل مقایسه ای نیاز دارد محرک.
با این حال ، توجه به این نکته حائز اهمیت است که در عمل ، طرح های روباتیک ممکن است با آناتومی انسان تفاوت چشمگیری داشته باشد. مهندسان ممکن است راه حل های نوآورانه را توسعه دهند یا از فناوری های مختلف استفاده کنند ، مانند استفاده از محرک های کمتر ، همه کاره تر در ترکیب با عناصر منفعل یا سازگار (مانند چشمه یا مواد انعطاف پذیر) یا استفاده از الگوریتم های کنترل پیشرفته برای دستیابی به حرکات و عملکرد مانند انسان. تعداد مشخصی از محرک های مورد نیاز برای یک ربات برای رسیدن به سطح مشابه DOF به عنوان یک انسان به اهداف ، کارها و رویکرد طراحی انتخاب شده بستگی دارد. در بعضی موارد ، یک ربات با محرک کمتری بسته به کاربرد مورد نظر خود ، هنوز هم ممکن است به انعطاف پذیری و مهارت چشمگیر دست یابد.

چگونه می توان از مکانیسم های دیفرانسیل برای کاهش میزان محرک های یک ربات استفاده کرد

مکانیسم های دیفرانسیل می توانند در طرح های روباتیک استفاده شوند تا تعداد محرک های مورد نیاز را کاهش دهند و در عین حال سطح بالایی از عملکرد ، انعطاف پذیری و مهارت را حفظ کنند. این مکانیسم ها با اتصال حرکت چند مؤلفه خروجی از طریق یک ورودی واحد ، توزیع حرکت یا نیرو از یک محرک در چند درجه آزادی (DOF) یا اتصالات کار می کنند.
در اینجا چند روش وجود دارد که مکانیسم های دیفرانسیل می توانند به کاهش تعداد محرک ها در یک روبات کمک کنند:
  1. فعال سازی مشترک: با اتصال چندین اتصالات یا DOF به یک محرک واحد با استفاده از چرخ دنده ها ، پیوندها یا کمربندها ، همان محرک می تواند حرکت بیش از یک مفصل را کنترل کند. این باعث می شود تعداد محرک های مورد نیاز هنگام حفظ دامنه حرکت مورد نظر کاهش یابد.
  2. حذف افزونگی: در برخی از طرح های روباتیک ، ممکن است DOF اضافی وجود داشته باشد که توسط یک محرک واحد قابل کنترل باشد بدون اینکه به طور قابل توجهی بر عملکرد ربات تأثیر بگذارد. از مکانیسم های دیفرانسیل می توان برای جفت شدن این DOF اضافی استفاده کرد و امکان استفاده کارآمدتر از محرک ها را فراهم می آورد.
  3. انطباق منفعل: مکانیسم های دیفرانسیل را می توان با عناصر سازگار با منفعل مانند چشمه یا مواد انعطاف پذیر ترکیب کرد تا یک روبات بتواند با نیروهای خارجی یا تغییر در محیط سازگار شود. این می تواند به کاهش تعداد محرک های فعال مورد نیاز کمک کند در حالی که هنوز امکان انجام کارهای پیچیده را به ربات ارائه می دهد.
  4. کنترل ساده: مکانیسم های دیفرانسیل می توانند با کاهش تعداد محرک ها و در نتیجه تعداد متغیرهایی که باید کنترل شوند ، کنترل یک روبات را ساده کنند. این می تواند به الگوریتم های کنترل کارآمدتر و آسان تر منجر شود.

به طور کلی ، استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل در طرح های روباتیک می تواند به کاهش تعداد کمک کند محرک مورد نیاز ، به طور بالقوه منجر به یک سیستم مقرون به صرفه تر ، سبک و کارآمدتر می شود. با این حال ، اجرای مکانیسم های دیفرانسیل همچنین مجموعه ای از چالش های خاص خود را مانند افزایش پیچیدگی مکانیکی و از دست دادن بالقوه کنترل مستقل بر اتصالات فردی یا DOF نیز معرفی می کند.

نمونه ای از مکانیسم دیفرانسیل

نمونه ای از مکانیسم دیفرانسیل که می تواند در روبات ها مورد استفاده قرار گیرد ، درایو هارمونیک است. درایو هارمونیک نوعی از چیدمان دنده است که از یک اسپلین انعطاف پذیر برای دستیابی به نسبت کاهش دنده بالا با حداقل عکس العمل و دقت بالا استفاده می کند.

در یک کاربرد روباتیک ، می توان از یک درایو هارمونیک برای کنترل چندین اتصالات یا درجه آزادی (DOF) با یک محرک واحد استفاده کرد. ورودی درایو هارمونیک به شافت موتور وصل شده و خروجی به اتصالات ربات وصل می شود. اسپلین انعطاف پذیر امکان کنترل دقیق حرکت و انتقال صاف گشتاور را فراهم می کند.

با استفاده از یک درایو هارمونیک در یک ربات ، می توانید در حالی که هنوز هم سطح بالایی از عملکرد و انعطاف پذیری را حفظ می کنید ، تعداد محرک های مورد نیاز را کاهش دهید. مکانیسم دیفرانسیل این روبات را قادر می سازد کارهای پیچیده ای را انجام دهد که به چندین درجه آزادی با محرک کمتری نیاز دارند و وزن و پیچیدگی کلی ربات را کاهش می دهد.

به طور کلی ، درایوهای هارمونیک و انواع دیگر مکانیسم های دیفرانسیل مزایای قابل توجهی را برای طرح های روباتیک ارائه می دهند ، و این امکان را برای استفاده کارآمدتر از محرک ها و کاهش پیچیدگی مکانیکی ضمن حفظ یا حتی بهبود عملکرد و انعطاف پذیری ربات فراهم می کند.

درایو هارمونیک چیست

محرک هارمونیک

یک درایو هارمونیک است نوعی از چیدمان دنده با دقت بالا که در سیستم های مکانیکی از جمله روبات ها استفاده می شودبشر این شامل سه مؤلفه اصلی است: یک اسپل دایره ای ، یک اسپلین فلکس و ژنراتور موج. Spline Flex بین اسپلین دایره ای و ژنراتور موج ساندویچ شده و به شافت خروجی سیستم دنده وصل می شود.

ژنراتور موج به یک موتور یا منبع انرژی دیگر وصل شده و برای ایجاد حرکت موج در اسپلین فلکس استفاده می شود. با چرخش ژنراتور موج ، حرکت موج به Spline Flex منتقل می شود ، که باعث می شود چرخش و مش با اسپلین دایره ای بچرخد. حرکت حاصل از spline Flex به شافت خروجی منتقل می شود.

مزیت اصلی یک درایو هارمونیک نسبت کاهش دنده بالا آن است ، به طور معمول در محدوده 50: 1 تا 100: 1 ، با حداقل واکنش و دقت بالا. این امر امکان کنترل دقیق حرکت و انتقال گشتاور را فراهم می کند ، و آن را برای برنامه های رباتیک که نیاز به کنترل دقیق اتصالات متعدد یا درجه آزادی دارند ، ایده آل می کند.

درایوهای هارمونیک به طور گسترده ای در طرح های روباتیک ، به ویژه برای روبات های در مقیاس کوچک استفاده می شود ، جایی که می توانند تعداد محرک های مورد نیاز را کاهش دهند در حالی که هنوز هم سطح بالایی از عملکرد و انعطاف پذیری را حفظ می کنند. آنها همچنین در سایر کاربردهای ماشین آلات دقیق مانند هوافضا ، تجهیزات پزشکی و اتوماسیون کارخانه مورد استفاده قرار می گیرند.

تجارت هنگام استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل در یک روبات چیست

در حالی که مکانیسم های دیفرانسیل در کاهش تعداد محرک ها در یک روبات ، مزایای مختلفی را ارائه می دهند ، اما آنها همچنین با معاملات همراه هستند که باید در طی فرآیند طراحی در نظر گرفته شوند. برخی از معاملات اصلی شامل موارد زیر است:
  1. پیچیدگی مکانیکی: مکانیسم های دیفرانسیل اغلب شامل چرخ دنده ها ، پیوندها یا کمربندها هستند که می توانند پیچیدگی طراحی مکانیکی ربات را افزایش دهند. این می تواند منجر به چالش هایی در ساخت ، مونتاژ و نگهداری شود.
  2. کاهش کنترل مستقل: با اتصال چندین مفاصل یا درجه آزادی (DOF) به یک محرک واحد ، ممکن است کنترل مستقل بر روی اتصالات فردی یا DOF را از دست دهید. این می تواند انجام کارهای خاص یا دستیابی به تنظیمات خاص را چالش برانگیزتر کند ، زیرا حرکت یک مفصل ممکن است بر حرکت دیگری تأثیر بگذارد.
  3. واکنش شدید و اصطکاک بالقوه: اجزای مکانیکی اضافی که در مکانیسم های دیفرانسیل مورد استفاده قرار می گیرند می توانند واکنش نشان دهند و اصطکاک ، که ممکن است بر دقت ، زمان پاسخ و کارآیی ربات تأثیر بگذارد. این می تواند برای کارهایی که به دقت بالا یا حرکات سریع و پویا نیاز دارند ، از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد.
  4. پیچیدگی کنترل: در حالی که ممکن است تعداد کلی محرک ها و متغیرهای کنترل کاهش یابد ، اتصال اتصالات متعدد یا DOF می تواند منجر به روابط پیچیده تر بین ورودی ها و خروجی های سیستم شود. این می تواند توسعه و اجرای الگوریتم های کنترل مؤثر را چالش برانگیزتر کند.
  5. توزیع بار و گشتاور: مکانیسم های دیفرانسیل ممکن است بر توزیع بارها و گشتاور ها در ساختار ربات تأثیر بگذارد ، که می تواند بر عملکرد کلی و دوام سیستم تأثیر بگذارد. بسته به طراحی ، این ممکن است نیاز به تقویت اضافی یا در نظر گرفتن دقیق مواد مورد استفاده داشته باشد.
  6. افزونگی به خطر افتاده: در بعضی موارد ، استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل برای از بین بردن افزونگی ممکن است منجر به یک سیستم کمتر قوی شود ، زیرا عدم موفقیت یک محرک واحد می تواند بر چندین مفاصل یا DOF تأثیر بگذارد.

هنگام تصمیم گیری در مورد استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل در یک ربات ، وزن این معاملات در برابر مزایای احتمالی ، مانند کاهش تعداد محرک ، هزینه پایین و کاهش وزن ضروری است. این انتخاب در نهایت به اهداف و الزامات خاص سیستم رباتیک در حال طراحی بستگی دارد.

اگر ربات جدید تسلا فقط 28 محرک داشته باشد ، چگونه آن را با یک انسان مقایسه می کند

همانطور که اعلام شد ، ربات تسلا قرار دارد 28 محرک داشته باشد. اگرچه مقایسه مستقیم بین پتانسیل انعطاف پذیری BOT تسلا و یک انسان بدون مشخصات دقیق دشوار است ، اما هنوز می توانیم بر اساس تعداد محرک ها مقایسه ای سطح بالا را ارائه دهیم.

انعطاف پذیری انسان:

  • درجه آزادی (DOF): تقریباً 83 تا 95 (با توجه به اتصالات اصلی)
  • محرک ها: حدود 600 عضله
انعطاف پذیری ربات تسلا (بر اساس اطلاعات اعلام شده):
  • درجه آزادی (DOF): مشخص نشده است
  • محرک ها: 28

از این مقایسه ، واضح است که ربات تسلا نسبت به یک انسان به طور قابل توجهی کمتر از یک انسان خواهد بود. این نشان می دهد که انعطاف پذیری و چابکی ربات تسلا ممکن است به طور کامل با یک انسان مطابقت نداشته باشد ، حداقل از نظر کنترل مستقل مفاصل و درجه آزادی. با این حال ، توجه به این نکته ضروری است که انعطاف پذیری و چابکی نیز به طراحی ربات ، الگوریتم های کنترل و استفاده از مکانیسم هایی مانند دیفرانسیل یا اجزای سازگار بستگی دارد.

برخی از نمونه هایی از آنچه Tesla-Bot می تواند قادر به دستیابی به آن باشد ، حتی با تنها 28 محرک

ربات تسلا هنوز در حال توسعه است و برنامه های خاص و کارهایی که با استفاده بسیار محدود از محرک ها انجام می شود ، هنوز کاملاً تعریف نشده است. با این حال ، بر اساس مشخصات اعلام شده و قابلیت های کلی روبات های انسان دوستانه ، هنوز چند کار وجود دارد که این ربات می تواند انجام دهد. چند نمونه شامل موارد زیر است:

  1. تولید: ربات تسلا می تواند در فرآیندهای تولید مانند مونتاژ قطعات کوچک یا بسته بندی کالاها مورد استفاده قرار گیرد. مهارت و دقت آن می تواند آن را برای کارهایی که نیاز به کار ظریف مواد دارند ، مناسب کند.
  2. کارهای خانگی: ربات تسلا می تواند در کارهای خانگی مانند تمیز کردن ، پخت و پز و لباسشویی کمک کند. توانایی آن در جابجایی و دستکاری اشیاء می تواند آن را برای کارهایی که نیاز به مهارت و تحرک فیزیکی دارند ، مفید کند.
  3. بهداشت و درمان: ربات تسلا می تواند در تنظیمات مراقبت های بهداشتی ، مانند ارائه کمک به بیماران با تحرک محدود یا کمک به وظایف در آزمایشگاه پزشکی ، کمک کند.
  4. ساخت و ساز: ربات تسلا به طور بالقوه می تواند در کارهای ساختمانی مانند بلند کردن سنگین یا مواد متحرک مورد استفاده قرار گیرد. قدرت و توانایی آن در دستکاری اشیاء می تواند آن را برای کارهایی که به قدرت فیزیکی و استقامت نیاز دارند ، مناسب کند.
  5. آموزش و پرورش: ربات تسلا به طور بالقوه می تواند در تنظیمات آموزشی مانند آموزش دانش آموزان در مورد روباتیک یا کمک به فعالیتهای یادگیری دستی استفاده شود.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که برنامه های خاص و وظایفی که ربات تسلا قادر به انجام آن خواهد بود ، به طراحی نهایی ، الگوریتم های کنترل و استفاده در نظر گرفته شده بستگی دارد. مثالهای فوق تنها چند برنامه بالقوه است و قابلیت های ربات می تواند بسیار گسترده تر باشد.

نویسنده: رابی دیکسون

ویکیپدیا: رابی دیکسون

Share This Article
Tags:

Need Help Finding the Right Actuator?

We precision engineer and manufacture our products so you get direct manufacturers pricing. We offer same day shipping and knowledgeable customer support. Try using our Actuator Calculator to get help picking the right actuator for your application.