Tesla Bot vs. Human Flexibility : 최첨단 로봇 공학은 액추에이터 한계를 극복하고 손재주를 재정의 할 수 있습니까?

Elon Musk의 Tesla Bot Challenge : Advanced Robotics가 액추에이터의 일부로 인간의 유연성을 능가 할 수 있습니다.

테슬라 봇 액추에이터

인체에는 대략 포함됩니다 600 골격근그러나 정확한 숫자는 사람마다 약간 다를 수 있습니다. 이 근육은 광범위한 움직임을 담당하며 전반적인 신체 기능에서 중요한 역할을합니다.

그렇다면 로봇은 인간과 동일한 수준의 유연성과 손재주를 만들어야 할 수있는 액추에이터는 몇 개입니까?

인간과 동일한 수준의 유연성과 손재주를 가진 로봇을 만드는 것은 테슬라가 취하고 싶어하는 복잡한 도전이며, 필요한 액추에이터의 수는 디자인과 원하는 기능에 따라 다릅니다. 일반적으로 로봇에는 비슷한 수의 로봇이 필요합니다. 액추에이터 인간 근육의 수와 일치합니다 (약 600). 그러나 모든 인간 근육을 복제하기 위해 로봇을 설계하는 것은 실용적이거나 필요하지 않을 수 있습니다.

 

많은 로봇 디자인에서, 광범위한 동작과 작업을 달성하기 위해 정교한 제어 알고리즘과 함께 더 적고 다재다능한 액추에이터의 조합이 사용됩니다. 게다가, 일부 로봇 시스템은 수동적 또는 준수 요소를 사용합니다스프링이나 유연한 재료와 같이 액추에이터의 수를 늘리지 않고 인간과 같은 행동을 달성합니다.

궁극적으로 로봇이 인간과 유사한 유연성과 손재주를 달성하는 데 필요한 액추에이터의 수는 로봇이 달성하도록 설계된 특정 목표와 작업에 따라 다릅니다.

인간은 얼마나 많은 자유도를 가지고 있습니까?

인체의 자유도 (DOF)의 수는 복잡성과 다양한 운동 범위를 가진 많은 관절로 인해 정확하게 결정하기가 어려울 수 있습니다. 그러나 주요 조인트를 고려하여 DOF의 대략적인 추정치를 계산할 수 있습니다.
다음은 평균 인체에 대한 자유도의 단순화 된 고장입니다.
  1. 목 : 3 DOF (피치, 요, 롤)
  2. 어깨 : 어깨 당 3 DOF (총 6 개)
  3. 팔꿈치 : 팔꿈치 당 1 DOF (총 2 개)
  4. 손목 : 손목 당 2 DOF (총 4 개)
  5. 손가락 : 손당 14 DOF (총 28, 총 28, 엄지 손가락의 경우 4 DOF, 다른 4 개의 손가락 각각에 대해 3 DOF를 가정 함)
  6. 척추 : 12와 24 DOF 사이의 다양한 추정치 (세분성 수준에 따라 다름)
  7. 엉덩이 : 고관절 당 3 DOF (총 6 개)
  8. 무릎 : 무릎 당 1 DOF (총 2 개)
  9. 발목 : 발목 당 2 DOF (총 4 개)
  10. 발가락 : 발 당 9 DOF (총 18 개, 큰 발가락의 경우 5 DOF, 다른 4 개의 발가락 각각에 대해 1 DOF를 가정 함)

이 DOF를 함께 추가합니다 83 ~ 95 DOF의 대략적인 범위. 이것은 단순화 된 표현이며 인체에있을 수있는 모든 가능한 관절 운동 또는 추가 DOF를 설명하지는 않습니다. 특히 세부 사항과 작은 조인트를 고려할 때 실제 숫자가 더 높을 수 있습니다.

로봇이 비슷한 수준의 자유도를 만들기 위해 얼마나 많은 액추에이터가 필요합니까?

인간과 비슷한 수준의 자유도 (DOF)를 가진 로봇을 만들려면 인체에 대해 계산 된 DOF와 거의 동일한 수의 액추에이터를 가져야합니다. 83 ~ 95 DOF의 단순화 된 계산을 가정하면 로봇은 비슷한 수의 수를 필요로합니다. 액추에이터.
그러나 실제로 로봇 디자인은 인간 해부학과 크게 다를 수 있습니다. 엔지니어는 혁신적인 솔루션을 개발하거나 수동적 또는 준수 요소 (스프링 또는 유연한 재료와 같은)와 함께 더 적고 다재다능한 액추에이터를 사용하거나 고급 제어 알고리즘을 사용하여 인간과 같은 움직임 및 기능을 달성하는 등 다양한 기술을 활용할 수 있습니다. 로봇이 인간과 비슷한 수준의 DOF에 도달하는 데 필요한 특정 수의 액추에이터는 목표, 작업 및 선택한 설계 접근법에 달려 있습니다. 경우에 따라 액추에이터가 적은 로봇은 의도 된 응용 프로그램에 따라 여전히 인상적인 유연성과 손재주를 달성 할 수 있습니다.

로봇이 요구할 수있는 액추에이터의 양을 줄이기 위해 어떻게 차등 메커니즘을 사용할 수 있습니까?

차등 메커니즘은 로봇 설계에 사용하여 높은 수준의 기능성, 유연성 및 손재주를 유지하면서 필요한 액추에이터의 수를 줄일 수 있습니다. 이 메커니즘은 단일 입력을 통해 다중 출력 구성 요소의 움직임을 결합하여 작동하여 하나의 액추에이터에서 다중 자유도 (DOF) 또는 조인트를 가로 질러 모션 또는 힘을 분산시킵니다.
차등 메커니즘이 로봇의 액추에이터 수를 줄이는 데 도움이되는 몇 가지 방법은 다음과 같습니다.
  1. 공유 작동 : 기어, 링키지 또는 벨트를 사용하여 여러 조인트 또는 DOF를 단일 액추에이터에 연결하여 동일한 액추에이터는 하나 이상의 조인트의 움직임을 제어 할 수 있습니다. 이것은 원하는 동작 범위를 유지하면서 필요한 액추에이터의 수를 줄입니다.
  2. 중복 제거 : 일부 로봇 설계에서는 로봇의 성능에 크게 영향을 미치지 않으면 서 단일 액추에이터에 의해 제어 될 수있는 중복 DOF가있을 수 있습니다. 차동 메커니즘은 이러한 중복 DOF를 결합하여 액추에이터를보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.
  3. 수동적 준수 : 차등 메커니즘은 로봇이 외부 힘이나 환경의 변화에 ​​적응할 수 있도록 스프링 또는 유연한 재료와 같은 수동적 준수 요소와 결합 될 수 있습니다. 이것은 로봇에 복잡한 작업을 수행 할 수있는 능력을 제공하면서 필요한 활성 액추에이터의 수를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
  4. 단순화 된 제어 : 차동 메커니즘은 액추에이터의 수와 제어 해야하는 변수의 수를 줄임으로써 로봇의 제어를 단순화 할 수 있습니다. 이로 인해보다 효율적이고 구현하기 쉬운 제어 알고리즘으로 이어질 수 있습니다.

전반적으로 로봇 디자인에서 차등 메커니즘을 사용하면 액추에이터 더 비용 효율적이고 가볍고 에너지 효율적인 시스템이 필요합니다. 그러나 차등 메커니즘을 구현하면 기계적 복잡성 증가 및 개별 조인트 또는 DOF에 대한 독립적 인 제어의 잠재적 손실과 같은 자체 도전 세트도 도입합니다.

미분 메커니즘의 예

로봇에 사용할 수있는 차등 메커니즘의 예는 고조파 드라이브입니다. 고조파 드라이브는 유연한 스플라인을 사용하여 백래시가 최소화되고 정밀도가 높은 기어 감소 비율을 달성하는 기어 배열 유형입니다.

로봇 적용에서 고조파 드라이브는 단일 액추에이터로 다중 조인트 또는 자유도 (DOF)를 제어하는 ​​데 사용될 수 있습니다. 고조파 드라이브의 입력은 모터 샤프트에 연결되며 출력은 로봇의 조인트에 연결됩니다. 유연한 스플라인을 사용하면 정확한 모션 제어와 토크의 부드러운 전송이 가능합니다.

로봇에 고조파 드라이브를 사용하면 높은 수준의 기능과 유연성을 유지하면서 필요한 액추에이터의 수를 줄일 수 있습니다. 미분 메커니즘을 통해 로봇은 액추에이터가 적을수록 여러 자유도를 필요로하는 복잡한 작업을 수행하여 로봇의 전반적인 무게와 복잡성을 줄일 수 있습니다.

전반적으로, 고조파 드라이브 및 기타 유형의 차등 메커니즘은 로봇 설계에 상당한 이점을 제공하여 액추에이터를보다 효율적으로 사용하고 기계적 복잡성을 줄이면서 로봇의 기능과 유연성을 유지하거나 개선 할 수 있습니다.

고조파 드라이브 란 무엇입니까?

고조파 드라이브

고조파 드라이브입니다 로봇을 포함한 기계 시스템에 사용되는 고정밀 기어 배열 유형. 원형 스플라인, 플렉스 스플라인 및 웨이브 생성기의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. Flex Spline은 원형 스플라인과 웨이브 발전기 사이에 샌드위치되어 있으며 기어 시스템의 출력 샤프트에 연결됩니다.

웨이브 생성기는 모터 또는 기타 전원에 연결되어 있으며 Flex Spline에서 웨이브 모션을 생성하는 데 사용됩니다. 웨이브 생성기가 회전함에 따라 파동 움직임이 플렉스 스플라인으로 전송되어 원형 스플라인과 회전하고 메쉬하게 만듭니다. 플렉스 스플라인의 결과 운동은 출력 샤프트로 전송됩니다.

고조파 드라이브의 주요 장점은 최소 백래 및 높은 정밀도로 50 : 1 내지 100 : 1의 범위에서 높은 기어 감소 비율입니다. 이를 통해 정확한 모션 제어 및 토크 전송이 가능하므로 여러 조인트 또는 자유도를 정확하게 제어 해야하는 로봇 애플리케이션에 이상적입니다.

고조파 드라이브는 로봇 디자인, 특히 소규모 로봇의 경우 널리 사용되며, 여기서 높은 수준의 기능과 유연성을 유지하면서 필요한 액추에이터의 수를 줄일 수 있습니다. 또한 항공 우주, 의료 장비 및 공장 자동화와 같은 다른 정밀 기계 응용 프로그램에도 사용됩니다.

로봇에서 차등 메커니즘을 사용할 때의 상충 관계는 무엇입니까?

미분 메커니즘은 로봇의 액추에이터 수를 줄이는 데 몇 가지 장점을 제공하지만 설계 프로세스 중에 고려해야 할 트레이드 오프도 제공됩니다. 주요 트레이드 오프 중 일부는 다음과 같습니다.
  1. 기계적 복잡성 : 차동 메커니즘에는 종종 추가 기어, 연결 또는 벨트가 포함되어 로봇의 기계 설계의 복잡성을 증가시킬 수 있습니다. 이로 인해 제조, 조립 및 유지 보수에 어려움이 생길 수 있습니다.
  2. 독립적 인 제어 감소 : 다중 조인트 또는 자유도 (DOF)를 단일 액추에이터에 연결하면 개별 조인트 또는 DOF에 대한 독립적 인 제어를 잃을 수 있습니다. 한 관절의 움직임이 다른 조인트의 움직임에 영향을 줄 수 있으므로 특정 작업을 수행하거나 특정 구성을 달성하는 것이 더 어려울 수 있습니다.
  3. 잠재적 백래시 및 마찰 : 차동 메커니즘에 사용되는 추가 기계적 구성 요소는 백래시 및 마찰을 도입 할 수 있으며, 이는 로봇의 정밀도, 응답 시간 및 효율에 영향을 줄 수 있습니다. 이것은 높은 정확도 또는 빠른 동적 동작이 필요한 작업에 특히 중요 할 수 있습니다.
  4. 제어 복잡성 : 전체 액추에이터 및 제어 변수의 전체 수가 줄어들 수 있지만, 여러 조인트 또는 DOF의 결합은 시스템의 입력과 출력 사이의 복잡한 관계로 이어질 수 있습니다. 이로 인해 효과적인 제어 알고리즘을 개발하고 구현하는 것이 더 어려울 수 있습니다.
  5. 부하 및 토크 분포 : 차동 메커니즘은 로봇 구조의 하중 및 토크 분포에 영향을 줄 수있어 시스템의 전반적인 성능과 내구성에 영향을 줄 수 있습니다. 설계에 따라 사용 된 재료에 대한 추가 보강재 또는 신중한 고려가 필요할 수 있습니다.
  6. 손상된 중복성 : 경우에 따라, 일부 경우, 차등 메커니즘을 사용하여 중복성을 제거하면 단일 액추에이터의 고장이 다중 조인트 또는 DOF에 영향을 줄 수 있으므로 덜 강력한 시스템을 초래할 수 있습니다.

로봇에서 차등 메커니즘을 사용할지 여부를 결정할 때 액추에이터 수 감소, 저렴한 비용 및 중량 감소와 같은 잠재적 이점에 대해 이러한 트레이드 오프를 평가하는 것이 필수적입니다. 선택은 궁극적으로 설계중인 로봇 시스템의 특정 목표와 요구 사항에 달려 있습니다.

새로운 Tesla Bot이 28 개의 액추에이터를 갖게 될 경우, 인간과 어떻게 비교할 것인가

발표 된대로 Tesla Bot은 28 개의 액추에이터를 계획 할 계획입니다. Tesla Bot의 유연성 잠재력과 자세한 사양이없는 사람의 유연성 잠재력을 직접 비교하기는 어렵지만 액추에이터 수에 따라 여전히 높은 수준의 비교를 제공 할 수 있습니다.

인간의 유연성 :

  • 자유도 (DOF) : 약 83 ~ 95 (주요 관절 고려)
  • 액추에이터 : 약 600 개의 근육
Tesla Bot Flexibility (발표 된 정보를 기반으로) :
  • 자유도 (DOF) : 지정되지 않았습니다
  • 액추에이터 : 28

이 비교로부터, 테슬라 봇은 인간보다 액추에이터가 훨씬 적을 것임이 분명합니다. 이것은 테슬라 봇의 유연성과 손재주가 적어도 관절과 자유도의 독립적 인 제어 측면에서 인간의 것과 완전히 일치하지 않을 수 있음을 시사한다. 그러나 유연성과 손재주는 로봇의 설계, 제어 알고리즘 및 차등 또는 호환 구성 요소와 같은 메커니즘의 사용에 크게 의존한다는 점에 유의해야합니다.

28 개의 액추에이터만으로도 Tesla-Bot이 달성 할 수있는 것의 몇 가지 예

Tesla Bot은 여전히 ​​개발 중이며 액추에이터의 매우 제한된 사용으로 달성 할 수있는 특정 응용 프로그램 및 작업은 아직 완전히 정의되지 않았습니다. 그러나 인간화 로봇의 발표 된 사양과 일반적인 기능을 바탕 으로이 로봇이 할 수있는 몇 가지 작업이 여전히 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

  1. 제조 : Tesla 봇은 작은 부품 조립 또는 포장재와 같은 제조 공정에 사용될 수 있습니다. 손재주와 정밀도는 섬세한 재료 취급이 필요한 작업에 적합하게 만들 수 있습니다.
  2. 가정 작업 : 테슬라 봇은 청소, 요리 및 세탁과 같은 가정용 집안일을 도울 수 있습니다. 물체를 움직이고 조작하는 능력은 물리적 손재주와 이동성이 필요한 작업에 유용 할 수 있습니다.
  3. 건강 관리 : Tesla Bot은 이동성이 제한된 환자에게 도움을 제공하거나 의료 실험실의 작업을 돕는 것과 같은 의료 환경을 지원할 수 있습니다.
  4. 시공 : 테슬라 봇은 무거운 리프팅 또는 움직이는 재료와 같은 건설 작업에 잠재적으로 사용될 수 있습니다. 물체를 조작하는 강점과 능력은 물리적 힘과 지구력이 필요한 작업에 적합하게 만들 수 있습니다.
  5. 교육 : Tesla Bot은 학생들에게 로봇 공학에 대해 가르치거나 실습 학습 활동을 지원하는 것과 같은 교육 환경에서 잠재적으로 사용될 수 있습니다.

Tesla Bot이 달성 할 수있는 특정 응용 프로그램 및 작업은 최종 설계, 제어 알고리즘 및 의도 된 사용에 따라 달라집니다. 위의 예는 몇 가지 잠재적 인 응용 프로그램 일 뿐이며 로봇의 기능은 훨씬 더 넓을 수 있습니다.

작가: 로비 딕슨

위키 백과 : 로비 딕슨

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