Tesla Bot vs. Flessibilità umana: la robotica all'avanguardia può superare le limitazioni dell'attuatore e ridefinire la destrezza

In definitiva, il numero di attuatori richiesti per un robot per raggiungere la flessibilità e la destrezza simili all'uomo dipenderebbe dagli obiettivi e dai compiti specifici che il robot è progettato per svolgere.

Quanti gradi di libertà ha un essere umano

1. Neck: 3 dof (passo, imbardata, rotolo)
2. Spalle: 3 dof per spalla (6 in totale)
3. Gomenti: 1 dof per gomito (2 in totale)
4. Polsi: 2 dof per polso (4 in totale)
5. Dita: 14 dof per mano (28 in totale, supponendo 4 dof per il pollice e 3 dof per ciascuna delle altre quattro dita)
6. Colonna vertebrale: varie stime tra 12 e 24 DOF (a seconda del livello di granularità)
7. Fanni: 3 dof per anca (6 in totale)
8. Ginocchia: 1 dof per ginocchio (2 in totale)
9. Caviglie: 2 dof per caviglia (4 in totale)
10. Dita dei piedi: 9 dof per piede (18 in totale, supponendo 5 dof per l'alluce e 1 dof per ciascuna delle altre quattro dita)

Aggiungendo insieme questi DOF si traduce in un intervallo approssimativo da 83 a 95 DOF. Tieni presente che si tratta di una rappresentazione semplificata e non tiene conto di ogni possibile movimento articolare o DOF aggiuntivo che potrebbe essere presente nel corpo umano. Il numero effettivo potrebbe essere più alto, in particolare se si considerano dettagli più fini e giunti più piccoli.

Tuttavia, è importante notare che in pratica, i progetti robotici possono differire significativamente dall'anatomia umana. Gli ingegneri potrebbero sviluppare soluzioni innovative o sfruttare diverse tecnologie, come l'utilizzo di meno attuatori più versatili in combinazione con elementi passivi o conformi (come molle o materiali flessibili) o che impiegano algoritmi di controllo avanzati per raggiungere il movimento e la funzionalità umani. Il numero specifico di attuatori necessari affinché un robot raggiunga un livello simile di DOF in quanto un essere umano dipenderà dagli obiettivi, dai compiti e dall'approccio del design scelto. In alcuni casi, un robot con un minor numero di attuatori può ancora ottenere impressionanti flessibilità e destrezza, a seconda della sua applicazione prevista.

Come possono essere utilizzati meccanismi differenziali per ridurre la quantità di attuatori che un robot potrebbe richiedere

Ecco alcuni modi in cui i meccanismi differenziali possono aiutare a ridurre il numero di attuatori in un robot:

1. Attuazione condivisa: collegando più giunti o DOF a un singolo attuatore utilizzando ingranaggi, collegamenti o cinture, lo stesso attuatore può controllare il movimento di più di un giunto. Ciò riduce il numero di attuatori necessari mantenendo la gamma di movimento desiderata.
2. Eliminazione di ridondanza: in alcuni design robotici, potrebbe esserci un DOF ridondante che può essere controllato da un singolo attuatore senza influire significativamente sulle prestazioni del robot. I meccanismi differenziali possono essere utilizzati per accoppiare questi DOF ridondanti, consentendo un uso più efficiente degli attuatori.
3. Conformità passiva: i meccanismi differenziali possono essere combinati con elementi conformi passivi, come molle o materiali flessibili, per consentire a un robot di adattarsi a forze esterne o cambiamenti nell'ambiente. Ciò può aiutare a ridurre il numero di attuatori attivi necessari pur fornendo al robot la capacità di svolgere compiti complessi.
4. Controllo semplificato: i meccanismi differenziali possono semplificare il controllo di un robot riducendo il numero di attuatori e quindi il numero di variabili che devono essere controllate. Ciò può portare a algoritmi di controllo più efficienti e più facili da implementare.

Nel complesso, l'uso di meccanismi differenziali nei progetti robotici può aiutare a ridurre il numero di attuatori richiesto, potenzialmente risultante in un sistema più conveniente, leggero ed efficiente dal punto di vista energetico. Tuttavia, l'implementazione di meccanismi differenziali introduce anche la propria serie di sfide, come una maggiore complessità meccanica e una potenziale perdita di controllo indipendente sui singoli giunti o DOF.

Un esempio di un meccanismo differenziale

Un esempio di un meccanismo differenziale che può essere utilizzato nei robot è l'unità armonica. Un'azionamento armonico è un tipo di disposizione degli ingranaggi che utilizza una spline flessibile per ottenere un rapporto di riduzione degli ingranaggi elevato con backlash minimo e alta precisione.

In un'applicazione robotica, è possibile utilizzare un'unità armonica per controllare più articolazioni o gradi di libertà (DOF) con un singolo attuatore. L'ingresso dell'unità armonica è collegato all'albero del motore e l'uscita è collegata ai giunti del robot. La spline flessibile consente un controllo di movimento preciso e una trasmissione regolare della coppia.

Utilizzando un'unità armonica in un robot, è possibile ridurre il numero di attuatori richiesti pur mantenendo un alto livello di funzionalità e flessibilità. Il meccanismo differenziale consente al robot di svolgere compiti complessi che richiedono più gradi di libertà con meno attuatori, riducendo il peso e la complessità complessivi del robot.

Nel complesso, le unità armoniche e altri tipi di meccanismi differenziali offrono benefici significativi per i progetti robotici, consentendo un uso più efficiente degli attuatori e una ridotta complessità meccanica mantenendo o persino migliorando la funzionalità e la flessibilità del robot.

Cos'è una spinta armonica

Un'unità armonica è Un tipo di disposizione degli ingranaggi ad alta precisione utilizzata nei sistemi meccanici, compresi i robot. È costituito da tre componenti principali: una spline circolare, una spline flessibile e un generatore di onde. La spline Flex è inserita tra la spline circolare e il generatore di onde ed è collegata all'albero di uscita del sistema di ingranaggi.

Il generatore di onde è collegato a un motore o altra fonte di alimentazione e viene utilizzato per creare un movimento d'onda nella spline Flex. Man mano che il generatore di onde ruota, il movimento delle onde viene trasmesso alla spline flessibile, che quindi lo fa ruotare e intrecciare con la spline circolare. Il movimento risultante della spline Flex viene trasmesso all'albero di uscita.

Il vantaggio chiave di un'unità armonica è il suo elevato rapporto di riduzione degli ingranaggi, in genere nell'intervallo da 50: 1 a 100: 1, con un contraccolpo minimo e un'alta precisione. Ciò consente il controllo preciso del movimento e la trasmissione della coppia, rendendolo ideale per applicazioni robotiche che richiedono un controllo accurato di più articolazioni o gradi di libertà.

Le unità armoniche sono ampiamente utilizzate nei design robotici, in particolare per i robot su piccola scala, dove possono ridurre il numero di attuatori richiesti pur mantenendo un alto livello di funzionalità e flessibilità. Sono anche utilizzati in altre applicazioni di macchinari di precisione, come aerospaziale, attrezzature mediche e automazione di fabbrica.

Quali sono i compromessi quando si utilizzano meccanismi differenziali in un robot

1. Complessità meccanica: i meccanismi differenziali comportano spesso ingranaggi, collegamenti o cinture aggiuntive, che possono aumentare la complessità del design meccanico del robot. Ciò può portare a sfide nella fabbricazione, nell'assemblaggio e nella manutenzione.
2. Controllo indipendente ridotto: accoppiando più articolazioni o gradi di libertà (DOF) a un singolo attuatore, è possibile perdere un controllo indipendente su singoli giunti o DOF. Ciò può rendere più impegnativo eseguire determinate attività o ottenere configurazioni specifiche, poiché il movimento di un'articolazione potrebbe influenzare il movimento di un altro.
3. Potenziale contraccolpo e attrito: i componenti meccanici aggiuntivi utilizzati nei meccanismi differenziali possono introdurre un contraccolpo e l'attrito, che possono influire sulla precisione, i tempi di risposta e l'efficienza del robot. Questo può essere particolarmente importante per i compiti che richiedono un'elevata precisione o movimenti rapidi e dinamici.
4. Complessità di controllo: mentre il numero complessivo di attuatori e le variabili di controllo potrebbe essere ridotto, l'accoppiamento di più articolazioni o DOF può portare a relazioni più complesse tra gli input e le uscite del sistema. Ciò può rendere più difficile sviluppare e implementare algoritmi di controllo efficaci.
5. Distribuzione del carico e della coppia: i meccanismi differenziali possono influire sulla distribuzione di carichi e coppie attraverso la struttura del robot, che può influenzare le prestazioni complessive e la durata del sistema. A seconda della progettazione, ciò può richiedere ulteriori rinforzi o un'attenta considerazione dei materiali utilizzati.
6. Ridondanza compromessa: in alcuni casi, l'uso di meccanismi differenziali per eliminare la ridondanza potrebbe comportare un sistema meno robusto, poiché il fallimento di un singolo attuatore potrebbe influire su più giunti o DOF.

Quando si decide se utilizzare meccanismi differenziali in un robot, è essenziale valutare questi compromessi rispetto ai potenziali benefici, come il numero di attuatori ridotti, il costo inferiore e la riduzione del peso. La scelta dipenderà in definitiva dagli obiettivi e dai requisiti specifici del sistema robotico.