Tesla Bot versus menselijke flexibiliteit: kan geavanceerde robotica de beperkingen van actuator overwinnen en behendigheid opnieuw definiëren

De Tesla Bot Challenge van Elon Musk: kan geavanceerde robotica beter presteren dan de menselijke flexibiliteit met een fractie van actuators

Tesla Bot Actuators

Het menselijk lichaam bevat ongeveer 600 skeletspieren, maar het exacte aantal kan enigszins variëren van persoon tot persoon. Deze spieren zijn verantwoordelijk voor een breed scala aan bewegingen en spelen een cruciale rol in de algehele lichaamsfunctie.

Dus hoeveel actuatoren zou een robot nodig hebben om hetzelfde niveau van flexibiliteit en behendigheid te creëren als een mens?

Het creëren van een robot met hetzelfde niveau van flexibiliteit en behendigheid als een mens is een complexe uitdaging die Tesla lijkt aan te gaan, en het aantal vereiste actuatoren zou afhangen van het ontwerp en de gewenste functionaliteit. Over het algemeen zou een robot een vergelijkbaar aantal nodig hebben actuators om het aantal menselijke spieren te evenaren (ongeveer 600). Het ontwerpen van een robot om elke menselijke spier te repliceren is echter misschien niet praktisch of noodzakelijk.

 

In veel robotachtige ontwerpen wordt een combinatie van minder, meer veelzijdige actuatoren gebruikt, samen met geavanceerde besturingsalgoritmen, om een ​​breed scala aan bewegingen en taken te bereiken. Bovendien, Sommige robotsystemen gebruiken passieve of conforme elementen, zoals bronnen of flexibele materialen, om meer mensachtig gedrag te bereiken zonder het aantal actuatoren te vergroten.

Uiteindelijk zou het aantal actuatoren dat nodig is voor een robot om mensachtige flexibiliteit en behendigheid te bereiken, afhankelijk van de specifieke doelen en taken die de robot is ontworpen om te bereiken, afhankelijk zijn van de specifieke doelen en taken.

Hoeveel vrijheidsgraden heeft een mens

Het aantal vrijheidsgraden (DOF) in een menselijk lichaam kan moeilijk te bepalen zijn, juist vanwege de complexiteit ervan en de vele gewrichten met verschillende bewegingsbereiken. Een ruwe schatting van de DOF kan echter worden berekend door de belangrijkste gewrichten te overwegen.
Hier is een vereenvoudigde afbraak van vrijheidsgraden voor een gemiddeld menselijk lichaam:
  1. Nek: 3 DOF (toonhoogte, gier, rol)
  2. Schouders: 3 DOF per schouder (in totaal 6)
  3. Ellebogen: 1 dof per elleboog (2 in totaal)
  4. Polsen: 2 DOF per pols (4 in totaal)
  5. Vingers: 14 DOF per hand (in totaal 28, uitgaande van 4 DOF voor de duim en 3 DOF voor elk van de andere vier vingers)
  6. Spine: verschillende schattingen tussen 12 en 24 DOF (afhankelijk van het niveau van granulariteit)
  7. Heupen: 3 DOF per heup (6 in totaal)
  8. Knieën: 1 DOF per knie (2 in totaal)
  9. Enkels: 2 DOF per enkel (4 in totaal)
  10. Tenen: 9 DOF per voet (18 in totaal, uitgaande van 5 DOF voor de grote teen en 1 DOF voor elk van de andere vier tenen)

Deze DOF samen toevoegen Resultaten in een geschat bereik van 83 tot 95 DOF. Houd er rekening mee dat dit een vereenvoudigde weergave is en geen rekening houdt met elke mogelijke gezamenlijke beweging of extra DOF die mogelijk in het menselijk lichaam aanwezig is. Het werkelijke aantal kan hoger zijn, vooral wanneer het overwegen van fijnere details en kleinere gewrichten.

Hoeveel actuatoren zou een robot nodig hebben om een ​​vergelijkbaar niveau van vrijheidsgraden te creëren

Om een ​​robot te creëren met een vergelijkbaar niveau van vrijheidsgraden (DOF) als een mens, zou men ongeveer hetzelfde aantal actuatoren moeten hebben als de DOF die is berekend voor het menselijk lichaam. Uitgaande van de vereenvoudigde berekening van 83 tot 95 DOF, zou een robot een vergelijkbaar aantal nodig hebben actuators.
Het is echter belangrijk op te merken dat robotontwerpen in de praktijk aanzienlijk kunnen verschillen van menselijke anatomie. Ingenieurs kunnen innovatieve oplossingen ontwikkelen of verschillende technologieën gebruiken, zoals het gebruik van minder, meer veelzijdige actuatoren in combinatie met passieve of conforme elementen (zoals veren of flexibele materialen), of het gebruik van geavanceerde besturingsalgoritmen om mensachtige beweging en functionaliteit te bereiken. Het specifieke aantal actuatoren dat nodig is om een ​​robot te bereiken om een ​​vergelijkbaar niveau van DOF als een mens te bereiken, zal afhangen van de doelen, taken en de gekozen ontwerpbenadering. In sommige gevallen kan een robot met minder actuatoren nog steeds een indrukwekkende flexibiliteit en behendigheid bereiken, afhankelijk van de beoogde toepassing.

Hoe kunnen differentiële mechanismen worden gebruikt om de hoeveelheid actuatoren te verminderen die een robot zou kunnen vereisen

Differentiële mechanismen kunnen worden gebruikt in robotachtige ontwerpen om het aantal benodigde actuatoren te verminderen met behoud van een hoog niveau van functionaliteit, flexibiliteit en behendigheid. Deze mechanismen werken door de beweging van meerdere uitvoercomponenten te koppelen door een enkele input, de beweging of kracht te verdelen van één actuator over meerdere vrijheidsgraden (DOF) of gewrichten.
Hier zijn een paar manieren waarop differentiële mechanismen kunnen helpen het aantal actuatoren in een robot te verminderen:
  1. Gedeelde bediening: door meerdere gewrichten of DOF aan te sluiten op een enkele actuator met behulp van versnellingen, koppelingen of riemen, kan dezelfde actuator de beweging van meer dan één gewricht regelen. Dit vermindert het aantal benodigde actuatoren met behoud van het gewenste bewegingsbereik.
  2. Redundantie -eliminatie: in sommige robotachtige ontwerpen kan er redundante DOF zijn die kan worden bestuurd door een enkele actuator zonder de prestaties van de robot aanzienlijk te beïnvloeden. Differentiële mechanismen kunnen worden gebruikt om deze overbodige DOF te koppelen, waardoor actuatoren een efficiënter gebruik van actuatoren mogelijk zijn.
  3. Passieve naleving: differentiële mechanismen kunnen worden gecombineerd met passieve compatibele elementen, zoals veren of flexibele materialen, om een ​​robot in staat te stellen zich aan te passen aan externe krachten of veranderingen in de omgeving. Dit kan helpen het aantal actieve actuatoren te verminderen, terwijl de robot nog steeds de mogelijkheid biedt om complexe taken uit te voeren.
  4. Vereenvoudigde controle: differentiële mechanismen kunnen de besturing van een robot vereenvoudigen door het aantal actuatoren te verminderen en dus het aantal variabelen dat moet worden gecontroleerd. Dit kan leiden tot efficiëntere en gemakkelijker te implementeren controlesalgoritmen.

Over het algemeen kan het gebruik van differentiële mechanismen in robotachtige ontwerpen helpen het aantal te verminderen actuators Vereist, wat mogelijk resulteert in een meer kosteneffectief, lichtgewicht en energiezuinig systeem. Het implementeren van differentiële mechanismen introduceert echter ook zijn eigen reeks uitdagingen, zoals verhoogde mechanische complexiteit en potentieel verlies van onafhankelijke controle over individuele gewrichten of DOF.

Een voorbeeld van een differentiaal mechanisme

Een voorbeeld van een differentiaal mechanisme dat in robots kan worden gebruikt, is de harmonische drive. Een harmonische aandrijving is een soort versnellingsopstelling die een flexibele spline gebruikt om een ​​hoge versnellingsverhouding te bereiken met minimale speling en hoge precisie.

In een robotstoepassing kan een harmonische schijf worden gebruikt om meerdere gewrichten of vrijheidsgraden (DOF) met een enkele actuator te regelen. De ingang van de harmonische aandrijving is verbonden met de motoras en de uitgang is verbonden met de gewrichten van de robot. De flexibele spline zorgt voor precieze bewegingsregeling en soepele transmissie van het koppel.

Door een harmonische drive in een robot te gebruiken, kunt u het aantal vereiste actuatoren verminderen met behoud van een hoog niveau van functionaliteit en flexibiliteit. Het differentiaalmechanisme stelt de robot in staat om complexe taken uit te voeren die meerdere vrijheidsgraden vereisen met minder actuatoren, waardoor het algehele gewicht en de complexiteit van de robot wordt verminderd.

Over het algemeen bieden harmonische schijven en andere soorten differentiële mechanismen aanzienlijke voordelen voor robotontwerpen, waardoor een efficiënter gebruik van actuatoren en verminderde mechanische complexiteit mogelijk is, met behoud van de functionaliteit en flexibiliteit van de robot.

Wat is een harmonische drive

harmonische drive

Een harmonische drive is Een type zeer nauwkeurige versnellingsopstelling die wordt gebruikt in mechanische systemen, inclusief robots. Het bestaat uit drie hoofdcomponenten: een cirkelvormige spline, een flex spline en een golfgenerator. De flex spline is ingeklemd tussen de cirkelvormige spline en de golfgenerator en is verbonden met de uitgangsas van het tandwielsysteem.

De golfgenerator is verbonden met een motor of andere stroombron en wordt gebruikt om een ​​golfbeweging in de flex spline te creëren. Terwijl de golfgenerator roteert, wordt de golfbeweging overgebracht naar de flex spline, waardoor deze vervolgens roteert en met de cirkelvormige spline gaat. De resulterende beweging van de flex spline wordt overgebracht naar de uitgangsas.

Het belangrijkste voordeel van een harmonische drive is de verhouding hoge versnelling, meestal in het bereik van 50: 1 tot 100: 1, met minimale terugslag en hoge precisie. Dit zorgt voor precieze bewegingscontrole en koppeltransmissie, waardoor het ideaal is voor robottoepassingen die nauwkeurige controle van meerdere gewrichten of vrijheidsgraden vereisen.

Harmonische schijven worden veel gebruikt in robotontwerpen, vooral voor kleinschalige robots, waar ze het aantal vereiste actuatoren kunnen verminderen met behoud van een hoog niveau van functionaliteit en flexibiliteit. Ze worden ook gebruikt in andere precisiemachinetoepassingen, zoals ruimtevaart, medische apparatuur en fabrieksautomatisering.

Wat zijn de afwegingen bij het gebruik van differentiële mechanismen in een robot

Hoewel differentiële mechanismen verschillende voordelen bieden bij het verminderen van het aantal actuatoren in een robot, komen ze ook met afwegingen die tijdens het ontwerpproces moeten worden overwogen. Enkele van de belangrijkste afwegingen zijn:
  1. Mechanische complexiteit: differentiële mechanismen omvatten vaak extra versnellingen, koppelingen of riemen, die de complexiteit van het mechanische ontwerp van de robot kunnen vergroten. Dit kan leiden tot uitdagingen in fabricage, montage en onderhoud.
  2. Verminderde onafhankelijke controle: door meerdere gewrichten of vrijheidsgraden (DOF) te koppelen aan een enkele actuator, kunt u enige onafhankelijke controle over individuele gewrichten of DOF verliezen. Dit kan het uitdagender maken om bepaalde taken uit te voeren of specifieke configuraties te bereiken, omdat de beweging van het ene gewricht de beweging van een ander kan beïnvloeden.
  3. Potentiële terugslag en wrijving: de aanvullende mechanische componenten die worden gebruikt in differentiële mechanismen kunnen speling en wrijving introduceren, wat de precisie, responstijd en efficiëntie van de robot kan beïnvloeden. Dit kan met name belangrijk zijn voor taken die een hoge nauwkeurigheid of snelle, dynamische bewegingen vereisen.
  4. Controle complexiteit: hoewel het totale aantal actuatoren en controlevariabelen kan worden verminderd, kan de koppeling van meerdere gewrichten of DOF leiden tot meer complexe relaties tussen de inputs en uitgangen van het systeem. Dit kan het uitdagender maken om effectieve besturingsalgoritmen te ontwikkelen en te implementeren.
  5. Belasting en koppelverdeling: differentiële mechanismen kunnen de verdeling van belastingen en torques over de structuur van de robot beïnvloeden, die de algehele prestaties en duurzaamheid van het systeem kunnen beïnvloeden. Afhankelijk van het ontwerp kan dit aanvullende versterkingen vereisen of zorgvuldige overweging van de gebruikte materialen.
  6. Compromitteerde redundantie: in sommige gevallen kan het gebruik van differentiële mechanismen om redundantie te elimineren resulteren in een minder robuust systeem, omdat het falen van een enkele actuator meerdere gewrichten of DOF kan beïnvloeden.

Bij het beslissen of ze differentiële mechanismen in een robot moeten gebruiken, is het essentieel om deze afwegingen af ​​te wegen tegen de potentiële voordelen, zoals verminderde actuatortelling, lagere kosten en verlaagd gewicht. De keuze zal uiteindelijk afhangen van de specifieke doelen en vereisten van het robotsysteem dat wordt ontworpen.

Als de nieuwe Tesla -bot slechts 28 actuatoren zal hebben, hoe verhoudt deze dan zich tot een mens

De Tesla Bot, zoals aangekondigd, is gepland om 28 actuatoren te hebben. Hoewel het moeilijk is om een ​​directe vergelijking te maken tussen het flexibiliteitspotentieel van de Tesla Bot en dat van een mens zonder gedetailleerde specificaties, kunnen we nog steeds een vergelijking op hoog niveau bieden op basis van het aantal actuatoren.

Menselijke flexibiliteit:

  • Vrijheidsgraden (DOF): ongeveer 83 tot 95 (gezien grote gewrichten)
  • Actuatoren: ongeveer 600 spieren
Tesla BOT -flexibiliteit (gebaseerd op de aangekondigde informatie):
  • Vrijheidsgraden (DOF): niet gespecificeerd
  • Actuatoren: 28

Uit deze vergelijking is het duidelijk dat de Tesla -bot aanzienlijk minder actuatoren zal hebben dan een mens. Dit suggereert dat de flexibiliteit en behendigheid van de Tesla Bot mogelijk niet volledig overeenkomen met die van een mens, althans in termen van onafhankelijke controle van gewrichten en vrijheidsgraden. Het is echter essentieel om op te merken dat flexibiliteit en behendigheid ook sterk afhankelijk zijn van het ontwerp van de robot, de besturingsalgoritmen en het gebruik van mechanismen zoals differentials of conforme componenten.

Enkele voorbeelden van wat de Tesla-Bot in staat zou kunnen zijn te bereiken, zelfs met slechts 28 actuatoren

De Tesla -bot is nog steeds in ontwikkeling, en de specifieke toepassingen en taken die het zal kunnen bereiken met zijn zeer beperkte gebruik van actuatoren zijn nog niet volledig gedefinieerd. Op basis van de aangekondigde specificaties en algemene mogelijkheden van humanoïde robots zijn er echter nog een paar banen die deze robot zou kunnen doen. Een paar voorbeelden zijn:

  1. Productie: de Tesla -bot kan worden gebruikt in productieprocessen, zoals het samenstellen van kleine onderdelen of verpakkingsgoederen. De behendigheid en precisie kunnen het goed geschikt maken voor taken die een delicate afhandeling van materialen vereisen.
  2. Huishoudelijke taken: de Tesla -bot kan helpen bij huishoudelijke taken, zoals schoonmaken, koken en wasserette. Het vermogen om objecten te bewegen en te manipuleren kan het nuttig maken voor taken die fysieke behendigheid en mobiliteit vereisen.
  3. Gezondheidszorg: de Tesla Bot zou kunnen helpen bij de gezondheidszorg, zoals het verlenen van hulp aan patiënten met beperkte mobiliteit of helpen met taken in een medisch laboratorium.
  4. Constructie: de Tesla -bot kan mogelijk worden gebruikt in bouwtaken, zoals zwaar tillen of bewegende materialen. De kracht en het vermogen om objecten te manipuleren, kan het goed geschikt maken voor taken die fysieke kracht en uithoudingsvermogen vereisen.
  5. Onderwijs: de Tesla-bot kan mogelijk worden gebruikt in educatieve instellingen, zoals studenten onderwijzen over robotica of assistentie met praktische leeractiviteiten.

Het is belangrijk op te merken dat de specifieke toepassingen en taken die de Tesla -bot zal kunnen bereiken, afhankelijk zijn van het uiteindelijke ontwerp, besturingsalgoritmen en het beoogde gebruik. De bovenstaande voorbeelden zijn slechts enkele potentiële toepassingen en de mogelijkheden van de robot kunnen veel breder zijn.

Auteur: Robbie Dickson

Wikipedia: Robbie Dickson

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.