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

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

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.

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?

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 – 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?

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.