Tesla Bot против гибкости человека: может ли передовая робототехника преодолеть ограничения привода и дать новое определение ловкости

Задача Илона Маска Tesla Bot: может ли передовая робототехника превзойти человеческую гибкость с помощью небольшого количества приводов

приводы ботов Tesla

В организме человека содержится около 600 скелетных мышц, но точное число может незначительно отличаться от человека к человеку. Эти мышцы отвечают за широкий спектр движений и играют решающую роль в общем функционировании организма.

Так сколько же приводов понадобится роботу, чтобы достичь такого же уровня гибкости и ловкости, как у человека?

Создание робота с таким же уровнем гибкости и ловкости, как у человека, — это сложная задача, которую Тесла, похоже, хочет взять на себя, и количество необходимых приводов будет зависеть от конструкции и желаемой функциональности. В целом роботу потребуется сопоставимое количество приводы соответствовать количеству мышц человека (около 600). Однако создание робота, способного воспроизводить каждую человеческую мышцу, может быть непрактичным и ненужным.

 

Во многих роботизированных конструкциях используется комбинация меньшего количества более универсальных приводов, а также сложные алгоритмы управления для достижения широкого спектра движений и задач. Более того, некоторые роботизированные системы используют пассивные или совместимые элементы, как пружины или гибкие материалы, чтобы добиться более человеческого поведения без увеличения количества исполнительных механизмов.

В конечном счете, количество приводов, необходимых роботу для достижения человеческой гибкости и ловкости, будет зависеть от конкретных целей и задач, для выполнения которых предназначен робот.

Сколько степеней свободы имеет человек

Число степеней свободы (DOF) в человеческом теле может быть трудно точно определить из-за его сложности и множества суставов с разным диапазоном движений. Однако приблизительную оценку глубины резкости можно рассчитать, рассмотрев основные суставы.
Вот упрощенная разбивка степеней свободы для среднего человеческого тела:
  1. Шея: 3 степени свободы (тангаж, рысканье, крен)
  2. Плечи: 3 ГРИП на плечо (всего 6)
  3. Локти: 1 степень свободы на каждый локоть (всего 2)
  4. Запястья: 2 степени свободы на запястье (всего 4)
  5. Пальцы: 14 ГРИП на руку (всего 28, при условии, что 4 ГРИП для большого пальца и 3 ГРИП для каждого из остальных четырех пальцев)
  6. Позвоночник: различные оценки от 12 до 24 степеней свободы (в зависимости от уровня детализации).
  7. Бедра: 3 ГРИП на бедро (всего 6)
  8. Колени: 1 степень свободы на каждое колено (всего 2)
  9. Лодыжки: 2 степени свободы на лодыжку (всего 4)
  10. Пальцы: 9 степеней свободы на каждую ногу (всего 18, при условии, что 5 степеней свободы для большого пальца и по 1 степени свободы для каждого из остальных четырех пальцев).

Добавляем эти ГРИП вместе дает приблизительный диапазон от 83 до 95 ГРИП.. Имейте в виду, что это упрощенное представление и не учитывает все возможные движения суставов или дополнительную глубину резкости, которая может присутствовать в человеческом теле. Фактическое число может быть больше, особенно если учесть более мелкие детали и мелкие соединения.

Сколько приводов понадобится роботу, чтобы создать аналогичный уровень степеней свободы?

Чтобы создать робота с таким же уровнем степеней свободы (ГРИП), как у человека, необходимо иметь примерно такое же количество приводов, как и степень свободы, рассчитанную для человеческого тела. Если предположить упрощенный расчет от 83 до 95 степеней свободы, роботу потребуется сопоставимое количество приводы.
Однако важно отметить, что на практике конструкции роботов могут существенно отличаться от анатомии человека. Инженеры могут разрабатывать инновационные решения или использовать различные технологии, например, использовать меньшее количество более универсальных приводов в сочетании с пассивными или податливыми элементами (например, пружинами или гибкими материалами) или использовать усовершенствованные алгоритмы управления для достижения движений и функциональности, подобных человеческим. Конкретное количество приводов, необходимых роботу для достижения такого же уровня глубины резкости, как у человека, будет зависеть от целей, задач и выбранного подхода к проектированию. В некоторых случаях робот с меньшим количеством приводов все же может достичь впечатляющей гибкости и ловкости, в зависимости от его предполагаемого применения.

Как можно использовать дифференциальные механизмы, чтобы сократить количество приводов, которые могут потребоваться роботу?

В конструкциях роботов можно использовать дифференциальные механизмы, чтобы уменьшить количество необходимых приводов, сохраняя при этом высокий уровень функциональности, гибкости и ловкости. Эти механизмы работают путем объединения движения нескольких выходных компонентов через один вход, распределяя движение или силу от одного привода по нескольким степеням свободы (DOF) или суставам.
Вот несколько способов, которыми дифференциальные механизмы могут помочь уменьшить количество приводов в роботе:
  1. Совместное приведение в действие: подключив несколько шарниров или степеней свободы к одному приводу с помощью шестерен, рычагов или ремней, один и тот же привод может управлять движением более чем одного шарнира. Это уменьшает количество необходимых приводов, сохраняя при этом желаемый диапазон движения.
  2. Устранение избыточности. В некоторых конструкциях роботов может существовать избыточная степень свободы, которой можно управлять с помощью одного привода, не оказывая существенного влияния на производительность робота. Для объединения этих резервных степеней свободы можно использовать дифференциальные механизмы, что позволяет более эффективно использовать приводы.
  3. Пассивная податливость. Дифференциальные механизмы можно комбинировать с пассивными податливыми элементами, такими как пружины или гибкие материалы, чтобы робот мог адаптироваться к внешним силам или изменениям в окружающей среде. Это может помочь уменьшить количество необходимых активных приводов, сохраняя при этом возможность робота выполнять сложные задачи.
  4. Упрощенное управление. Дифференциальные механизмы могут упростить управление роботом за счет уменьшения количества исполнительных механизмов и, следовательно, количества переменных, которыми необходимо управлять. Это может привести к созданию более эффективных и простых в реализации алгоритмов управления.

В целом, использование дифференциальных механизмов в конструкциях роботов может помочь сократить количество приводы требуется, что потенциально приведет к созданию более экономичной, легкой и энергоэффективной системы. Однако реализация дифференциальных механизмов также создает ряд проблем, таких как повышенная механическая сложность и потенциальная потеря независимого контроля над отдельными суставами или степенями свободы.

Пример дифференциального механизма

Примером дифференциального механизма, который можно использовать в роботах, является Harmonic Drive. Гармоничный привод — это тип зубчатой ​​передачи, в которой используется гибкая шлицевая передача для достижения высокого передаточного числа с минимальным люфтом и высокой точностью.

В роботизированном приложении Harmonic Drive можно использовать для управления несколькими соединениями или степенями свободы (DOF) с помощью одного привода. Вход Harmonic Drive подключен к валу двигателя, а выход — к суставам робота. Гибкая шлица обеспечивает точное управление движением и плавную передачу крутящего момента.

Используя Harmonic Drive в роботе, вы можете уменьшить количество необходимых приводов, сохраняя при этом высокий уровень функциональности и гибкости. Дифференциальный механизм позволяет роботу выполнять сложные задачи, требующие нескольких степеней свободы, с меньшим количеством приводов, что снижает общий вес и сложность робота.

В целом, гармонические приводы и другие типы дифференциальных механизмов предлагают значительные преимущества для робототехнических конструкций, позволяя более эффективно использовать приводы и снижать механическую сложность, сохраняя или даже улучшая функциональность и гибкость робота.

Что такое гармонический привод

гармонический драйв

Гармонический драйв – это тип высокоточного зубчатого механизма, используемый в механических системах, в том числе в роботах.. Он состоит из трех основных компонентов: кругового сплайна, гибкого сплайна и генератора волн. Гибкая шлица зажата между круглым шлицем и генератором волн и соединена с выходным валом зубчатой ​​передачи.

Генератор волн подключается к двигателю или другому источнику энергии и используется для создания волнового движения в гибком шлице. Когда генератор волн вращается, волновое движение передается гибкому шлицу, который затем заставляет его вращаться и вступать в зацепление с круглым шлицем. Результирующее движение гибкого шлица передается на выходной вал.

Ключевым преимуществом Harmonic Drive является его высокое передаточное число, обычно в диапазоне от 50:1 до 100:1, с минимальным люфтом и высокой точностью. Это обеспечивает точное управление движением и передачу крутящего момента, что делает его идеальным для робототехнических приложений, требующих точного управления несколькими суставами или степенями свободы.

Гармонические приводы широко используются в конструкциях роботов, особенно для небольших роботов, где они могут уменьшить количество необходимых приводов, сохраняя при этом высокий уровень функциональности и гибкости. Они также используются в других приложениях точного машиностроения, таких как аэрокосмическая промышленность, медицинское оборудование и автоматизация производства.

Каковы компромиссы при использовании дифференциальных механизмов в роботе?

Хотя дифференциальные механизмы предлагают несколько преимуществ в сокращении количества приводов в роботе, они также имеют компромиссы, которые следует учитывать в процессе проектирования. Некоторые из основных компромиссов включают в себя:
  1. Механическая сложность. Дифференциальные механизмы часто включают в себя дополнительные шестерни, рычаги или ремни, что может увеличить сложность механической конструкции робота. Это может привести к проблемам при изготовлении, сборке и обслуживании.
  2. Ограниченное независимое управление: соединяя несколько соединений или степеней свободы (DOF) с одним приводом, вы можете потерять некоторый независимый контроль над отдельными соединениями или степенями свободы. Это может затруднить выполнение определенных задач или достижение определенных конфигураций, поскольку движение одного сустава может влиять на движение другого.
  3. Потенциальный люфт и трение. Дополнительные механические компоненты, используемые в дифференциальных механизмах, могут вызывать люфт и трение, что может повлиять на точность, время отклика и эффективность робота. Это может быть особенно важно для задач, требующих высокой точности или быстрых, динамичных движений.
  4. Сложность управления. Хотя общее количество исполнительных механизмов и переменных управления может быть уменьшено, соединение нескольких соединений или степеней свободы может привести к более сложным взаимосвязям между входами и выходами системы. Это может усложнить разработку и внедрение эффективных алгоритмов управления.
  5. Распределение нагрузки и крутящего момента. Дифференциальные механизмы могут влиять на распределение нагрузок и крутящих моментов по конструкции робота, что может повлиять на общую производительность и долговечность системы. В зависимости от конструкции это может потребовать дополнительного усиления или тщательного рассмотрения используемых материалов.
  6. Нарушение резервирования. В некоторых случаях использование дифференциальных механизмов для устранения дублирования может привести к снижению надежности системы, поскольку отказ одного привода может повлиять на несколько соединений или степень свободы.

Принимая решение об использовании дифференциальных механизмов в роботе, важно сопоставить эти компромиссы с потенциальными преимуществами, такими как уменьшение количества приводов, снижение стоимости и уменьшение веса. Выбор в конечном итоге будет зависеть от конкретных целей и требований проектируемой роботизированной системы.

Если новый бот Tesla будет иметь всего 28 приводов, как он будет сравниваться с человеком?

Как было объявлено, Tesla Bot будет иметь 28 приводов. Хотя сложно провести прямое сравнение между потенциалом гибкости Tesla Bot и потенциалом человека без подробных спецификаций, мы все же можем провести сравнение высокого уровня, основанное на количестве исполнительных механизмов.

Человеческая гибкость:

  • Степени свободы (ГРИП): примерно от 83 до 95 (с учетом основных суставов).
  • Исполнительные механизмы: около 600 мышц.
Гибкость Tesla Bot (на основе заявленной информации):
  • Степени свободы (ГРИП): Не указано
  • Актуаторы: 28

Из этого сравнения становится ясно, что у Tesla Bot будет значительно меньше приводов, чем у человека. Это говорит о том, что гибкость и ловкость Tesla Bot могут не полностью соответствовать человеческим, по крайней мере, с точки зрения независимого управления суставами и степенями свободы. Однако важно отметить, что гибкость и ловкость также во многом зависят от конструкции робота, алгоритмов управления и использования таких механизмов, как дифференциалы или совместимые компоненты.

Некоторые примеры того, чего может достичь Tesla-Bot, даже имея всего 28 приводов

Tesla Bot все еще находится в разработке, и конкретные приложения и задачи, которые он сможет решать с очень ограниченным использованием приводов, еще полностью не определены. Однако, судя по заявленным характеристикам и общим возможностям роботов-гуманоидов, этот робот все еще может выполнять несколько задач. Вот несколько примеров:

  1. Производство: Tesla Bot можно использовать в производственных процессах, таких как сборка мелких деталей или упаковка товаров. Его ловкость и точность могут сделать его подходящим для задач, требующих деликатного обращения с материалами.
  2. Домашние задачи: Tesla Bot может помогать с домашними делами, такими как уборка, приготовление пищи и стирка. Его способность перемещать объекты и манипулировать ими может сделать его полезным для задач, требующих физической ловкости и мобильности.
  3. Здравоохранение: Tesla Bot может помочь в медицинских учреждениях, например, оказывать помощь пациентам с ограниченной подвижностью или помогать с задачами в медицинской лаборатории.
  4. Строительство: Tesla Bot потенциально может использоваться в строительных задачах, таких как подъем тяжелых грузов или перемещение материалов. Его сила и способность манипулировать объектами могут сделать его подходящим для задач, требующих физической силы и выносливости.
  5. Образование: Tesla Bot потенциально может быть использован в образовательных целях, например, для обучения студентов робототехнике или оказания помощи в практических учебных мероприятиях.

Важно отметить, что конкретные приложения и задачи, которые сможет выполнять Tesla Bot, будут зависеть от его окончательной конструкции, алгоритмов управления и предполагаемого использования. Приведенные выше примеры — это лишь несколько потенциальных применений, а возможности робота могут быть гораздо шире.

Автор: Робби Диксон

Википедия: Робби Диксон

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.