Tesla Bot par rapport à la flexibilité humaine: la robotique de pointe peut-elle surmonter les limitations de l'actionneur et redéfinir la dextérité

Tesla Bot Challenge d'Elon Musk: La robotique avancée peut-elle surpasser la flexibilité humaine avec une fraction d'actionneurs

actionneurs Tesla Bot

Le corps humain contient approximativement 600 muscles squelettiques, mais le nombre exact peut varier légèrement d'une personne à l'autre. Ces muscles sont responsables d'un large éventail de mouvements et jouent un rôle crucial dans la fonction corporelle globale.

Alors, de combien d'actionneurs un robot aurait-il besoin pour créer le même niveau de flexibilité et de dextérité qu'un humain?

La création d'un robot avec le même niveau de flexibilité et de dextérité qu'un humain est un défi complexe que Tesla semble vouloir prendre en charge, et le nombre d'actionneurs requis dépendrait de la conception et de la fonctionnalité souhaitée. En général, un robot aurait besoin d'un nombre comparable de actionneurs pour correspondre au nombre de muscles humains (environ 600). Cependant, la conception d'un robot pour reproduire chaque muscle humain peut ne pas être pratique ou nécessaire.

 

Dans de nombreuses conceptions robotiques, une combinaison d'actionneurs moins polyvalents est utilisée, ainsi que des algorithmes de contrôle sophistiqués, pour obtenir un large éventail de mouvements et de tâches. De plus, Certains systèmes robotiques utilisent des éléments passifs ou conformes, comme des ressorts ou des matériaux flexibles, pour obtenir un comportement plus humain sans augmenter le nombre d'actionneurs.

En fin de compte, le nombre d'actionneurs requis pour qu'un robot atteigne la flexibilité et la dextérité de type humain dépendrait des objectifs et des tâches spécifiques que le robot est conçu pour accomplir.

Combien de degrés de liberté un humain a-t-il

Le nombre de degrés de liberté (DOF) dans un corps humain peut être difficile à déterminer avec précision en raison de sa complexité et des nombreuses articulations avec des gammes de mouvement variables. Cependant, une estimation approximative du DOF peut être calculée en considérant les principales articulations.
Voici une ventilation simplifiée des degrés de liberté pour un corps humain moyen:
  1. Neck: 3 Dof (tangage, lacet, rouleau)
  2. Épaules: 3 DOF par épaule (6 au total)
  3. Coudes: 1 DOF par coude (2 au total)
  4. Poignets: 2 DOF par poignet (4 au total)
  5. Doigts: 14 DOF par main (28 au total, en supposant 4 DOF pour le pouce et 3 DOF pour chacun des quatre autres doigts)
  6. Spine: diverses estimations entre 12 et 24 DOF (selon le niveau de granularité)
  7. Hanches: 3 DOF par hanche (6 au total)
  8. Genoux: 1 DOF par genou (2 au total)
  9. Ankles: 2 DOF par cheville (4 au total)
  10. Orteils: 9 DOF par pied (18 au total, en supposant 5 DOF pour le gros orteil et 1 DOF pour chacun des quatre autres orteils)

Ajouter ces DOF ​​ensemble entraîne une plage approximative de 83 à 95 DOF. Gardez à l'esprit qu'il s'agit d'une représentation simplifiée et ne tient pas compte de tous les mouvements articulaires possibles ou DOF supplémentaires qui pourraient être présents dans le corps humain. Le nombre réel pourrait être plus élevé, en particulier lorsque l'on considère des détails plus fins et des articulations plus petites.

De combien d'actionneurs un robot aurait-il besoin pour créer un niveau similaire de degrés de liberté

Pour créer un robot avec un niveau similaire de degrés de liberté (DOF) en tant qu'humain, il faudrait avoir environ le même nombre d'actionneurs que le DOF calculé pour le corps humain. En supposant le calcul simplifié de 83 à 95 DOF, un robot aurait besoin d'un nombre comparable de actionneurs.
Cependant, il est important de noter que dans la pratique, les conceptions robotiques peuvent différer considérablement de l'anatomie humaine. Les ingénieurs peuvent développer des solutions innovantes ou tirer parti de différentes technologies, telles que l'utilisation d'actionneurs moins polyvalents en combinaison avec des éléments passifs ou conformes (comme des ressorts ou des matériaux flexibles), ou en utilisant des algorithmes de contrôle avancés pour obtenir un mouvement et une fonctionnalité de type humain. Le nombre spécifique d'actionneurs nécessaires pour qu'un robot atteigne un niveau similaire de DOF en tant qu'humain dépendra des objectifs, des tâches et de l'approche de conception choisie. Dans certains cas, un robot avec moins d'actionneurs peut encore atteindre une flexibilité et une dextérité impressionnantes, selon son application prévue.

Comment utiliser des mécanismes différentiels pour réduire la quantité d'actionneurs qu'un robot pourrait nécessiter

Des mécanismes différentiels peuvent être utilisés dans des conceptions robotiques pour réduire le nombre d'actionneurs requis tout en conservant un niveau élevé de fonctionnalité, de flexibilité et de dextérité. Ces mécanismes fonctionnent en couplant le mouvement de plusieurs composants de sortie à travers une seule entrée, en distribuant le mouvement ou la force d'un actionneur à travers plusieurs degrés de liberté (DOF) ou des articulations.
Voici quelques façons dont les mécanismes différentiels peuvent aider à réduire le nombre d'actionneurs dans un robot:
  1. Agtuation partagée: En connectant plusieurs joints ou DOF à un seul actionneur à l'aide de vitesses, de liaisons ou de ceintures, le même actionneur peut contrôler le mouvement de plusieurs articulations. Cela réduit le nombre d'actionneurs nécessaires tout en maintenant l'amplitude de mouvement souhaitée.
  2. Élimination de la redondance: Dans certains modèles robotiques, il peut y avoir un DOF redondant qui peut être contrôlé par un seul actionneur sans avoir un impact significatif sur les performances du robot. Des mécanismes différentiels peuvent être utilisés pour coupler ces DOF ​​redondants, permettant une utilisation plus efficace des actionneurs.
  3. Conformité passive: les mécanismes différentiels peuvent être combinés avec des éléments conformes passifs, tels que des ressorts ou des matériaux flexibles, pour permettre à un robot de s'adapter aux forces externes ou aux changements dans l'environnement. Cela peut aider à réduire le nombre d'actionneurs actifs nécessaires tout en offrant au robot la possibilité d'effectuer des tâches complexes.
  4. Contrôle simplifié: les mécanismes différentiels peuvent simplifier le contrôle d'un robot en réduisant le nombre d'actionneurs et donc le nombre de variables qui doivent être contrôlées. Cela peut conduire à des algorithmes de contrôle plus efficaces et plus faciles à mettre en œuvre.

Dans l'ensemble, l'utilisation de mécanismes différentiels dans les conceptions robotiques peut aider à réduire le nombre de actionneurs requis, entraînant potentiellement un système plus rentable, léger et économe en énergie. Cependant, la mise en œuvre de mécanismes différentiels introduit également son propre ensemble de défis, tels que l'augmentation de la complexité mécanique et la perte potentielle de contrôle indépendant sur les articulations individuelles ou le DOF.

Un exemple de mécanisme différentiel

Un exemple de mécanisme différentiel qui peut être utilisé dans les robots est le lecteur harmonique. Un lecteur harmonique est un type de disposition des engins qui utilise une spline flexible pour atteindre un rapport de réduction de vitesse supérieure avec un jeu de contrecoup minimal et une haute précision.

Dans une application robotique, un lecteur harmonique peut être utilisé pour contrôler plusieurs articulations ou degrés de liberté (DOF) avec un seul actionneur. L'entrée du lecteur harmonique est connectée à l'arbre du moteur et la sortie est connectée aux joints du robot. La spline flexible permet un contrôle de mouvement précis et une transmission lisse du couple.

En utilisant un lecteur harmonique dans un robot, vous pouvez réduire le nombre d'actionneurs requis tout en maintenant un niveau élevé de fonctionnalité et de flexibilité. Le mécanisme différentiel permet au robot d'effectuer des tâches complexes qui nécessitent plusieurs degrés de liberté avec moins d'actionneurs, réduisant le poids et la complexité globaux du robot.

Dans l'ensemble, les disques harmoniques et d'autres types de mécanismes différentiels offrent des avantages importants pour les conceptions robotiques, permettant une utilisation plus efficace des actionneurs et une complexité mécanique réduite tout en conservant ou même en améliorant la fonctionnalité et la flexibilité du robot.

Qu'est-ce qu'un lecteur harmonique

drive harmonique

Un lecteur harmonique est Un type de disposition des engins de haute précision utilisé dans les systèmes mécaniques, y compris les robots. Il se compose de trois composants principaux: une spline circulaire, une spline flexible et un générateur d'ondes. La spline flexible est sandwich entre la spline circulaire et le générateur d'ondes et est connectée à l'arbre de sortie du système d'engrenages.

Le générateur d'ondes est connecté à un moteur ou à une autre source d'alimentation et est utilisé pour créer un mouvement d'onde dans la spline Flex. Lorsque le générateur d'ondes tourne, le mouvement des ondes est transmis à la spline flexible, ce qui le fait tourner et se coiffer avec la spline circulaire. Le mouvement résultant de la spline Flex est transmis à l'arbre de sortie.

L'avantage clé d'un entraînement harmonique est son rapport de réduction de vitesse supérieure, généralement dans la plage de 50: 1 à 100: 1, avec un contrecoup minimal et une haute précision. Cela permet un contrôle précis du mouvement et une transmission de couple, ce qui le rend idéal pour les applications robotiques qui nécessitent un contrôle précis de plusieurs articulations ou degrés de liberté.

Les disques harmoniques sont largement utilisés dans les conceptions robotiques, en particulier pour les robots à petite échelle, où ils peuvent réduire le nombre d'actionneurs requis tout en maintenant un niveau élevé de fonctionnalité et de flexibilité. Ils sont également utilisés dans d'autres applications de machines de précision, telles que l'aérospatiale, l'équipement médical et l'automatisation d'usine.

Quels sont les compromis lorsque vous utilisez des mécanismes différentiels dans un robot

Alors que les mécanismes différentiels offrent plusieurs avantages dans la réduction du nombre d'actionneurs dans un robot, ils sont également livrés avec des compromis qui devraient être pris en compte pendant le processus de conception. Certains des principaux compromis comprennent:
  1. Complexité mécanique: les mécanismes différentiels impliquent souvent des engrenages, des liaisons ou des ceintures supplémentaires, ce qui peut augmenter la complexité de la conception mécanique du robot. Cela peut entraîner des défis dans la fabrication, l'assemblage et l'entretien.
  2. Contrôle indépendant réduit: En couplant plusieurs articulations ou degrés de liberté (DOF) à un seul actionneur, vous pouvez perdre un contrôle indépendant sur les articulations individuelles ou le DOF. Cela peut rendre plus difficile d'effectuer certaines tâches ou d'obtenir des configurations spécifiques, car le mouvement d'une articulation pourrait influencer le mouvement d'un autre.
  3. Réaction potentielle et frottement: les composants mécaniques supplémentaires utilisés dans les mécanismes différentiels peuvent introduire le contrecoup et la friction, ce qui peut affecter la précision, le temps de réponse et l'efficacité du robot. Cela peut être particulièrement important pour les tâches qui nécessitent une précision élevée ou des mouvements dynamiques rapides.
  4. Complexité de contrôle: Bien que le nombre global d'actionneurs et de variables de contrôle puisse être réduite, le couplage de plusieurs joints ou DOF peut entraîner des relations plus complexes entre les entrées et les sorties du système. Cela peut rendre plus difficile de développer et de mettre en œuvre des algorithmes de contrôle efficaces.
  5. Distribution de charge et de couple: les mécanismes différentiels peuvent affecter la distribution des charges et des couples à travers la structure du robot, ce qui peut influencer les performances globales et la durabilité du système. Selon la conception, cela peut nécessiter des renforts supplémentaires ou un examen attentif des matériaux utilisés.
  6. Redondance compromise: Dans certains cas, l'utilisation de mécanismes différentiels pour éliminer la redondance peut entraîner un système moins robuste, car la défaillance d'un seul actionneur pourrait affecter plusieurs articulations ou DOF.

Lorsque vous décidez d'utiliser des mécanismes différentiels dans un robot, il est essentiel de peser ces compromis par rapport aux avantages potentiels, tels que la réduction du nombre d'actionneur, le coût inférieur et la diminution du poids. Le choix dépendra finalement des objectifs et des exigences spécifiques du système robotique conçus.

Si le nouveau bot Tesla n'aura que 28 actionneurs, comment se comparera-t-il à un humain

Le bot Tesla, comme annoncé, devrait avoir 28 actionneurs. S'il est difficile de faire une comparaison directe entre le potentiel de flexibilité du bot Tesla et celui d'un humain sans spécifications détaillées, nous pouvons toujours fournir une comparaison de haut niveau basée sur le nombre d'actionneurs.

Flexibilité humaine:

  • Degrés de liberté (DOF): environ 83 à 95 (considérant les principales articulations)
  • ACTUATEURS: Environ 600 muscles
Flexibilité de Tesla Bot (basée sur les informations annoncées):
  • Degrés de liberté (DOF): non spécifié
  • ACTUATEURS: 28

De cette comparaison, il est clair que le bot Tesla aura beaucoup moins d'actionneurs qu'un humain. Cela suggère que la flexibilité et la dextérité du bot de Tesla peuvent ne pas correspondre pleinement à celle d'un humain, du moins en termes de contrôle indépendant des articulations et des degrés de liberté. Cependant, il est essentiel de noter que la flexibilité et la dextérité dépendent également fortement de la conception du robot, des algorithmes de contrôle et de l'utilisation de mécanismes tels que les différentiels ou les composants conformes.

Quelques exemples de ce que le Tesla-Bot pourrait être capable de réaliser, même avec seulement 28 actionneurs

Le bot Tesla est toujours en développement, et les applications et tâches spécifiques qu'il pourront accomplir avec son utilisation très limitée des actionneurs ne sont pas encore entièrement définies. Cependant, sur la base des spécifications annoncées et des capacités générales des robots humanoïdes, il y a encore quelques emplois que ce robot pourrait faire. Quelques exemples incluent:

  1. Fabrication: Le bot Tesla pourrait être utilisé dans les processus de fabrication, tels que l'assemblage de petites pièces ou les produits d'emballage. Sa dextérité et sa précision pourraient le rendre bien adapté aux tâches qui nécessitent une manipulation délicate des matériaux.
  2. Tâches ménagères: le bot Tesla pourrait aider avec les tâches ménagères, comme le nettoyage, la cuisine et la lessive. Sa capacité à déplacer et à manipuler des objets pourrait le rendre utile pour les tâches qui nécessitent une dextérité physique et une mobilité.
  3. Santé: le bot Tesla pourrait aider dans les établissements de santé, comme fournir une assistance aux patients avec une mobilité limitée ou une aide aux tâches dans un laboratoire médical.
  4. Construction: Le bot Tesla pourrait potentiellement être utilisé dans les tâches de construction, telles que des matériaux lourds ou mobiles. Sa force et sa capacité à manipuler des objets pourraient le rendre bien adapté aux tâches qui nécessitent une puissance physique et une endurance.
  5. Éducation: Le bot Tesla pourrait potentiellement être utilisé dans des contextes éducatifs, comme enseigner aux étudiants la robotique ou aider à des activités d'apprentissage pratiques.

Il est important de noter que les applications et les tâches spécifiques que le bot Tesla pourra accomplir dépendra de sa conception finale, de ses algorithmes de contrôle et de sa utilisation prévue. Les exemples ci-dessus ne sont que quelques applications potentielles, et les capacités du robot pourraient être beaucoup plus larges.

Auteur: Robbie Dickson

Wikipédia: Robbie Dickson

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