Tesla Bot so với tính linh hoạt của con người: Robot tiên tiến có thể khắc phục các hạn chế của bộ truyền động và xác định lại sự khéo léo

Thử thách Tesla Bot của Elon Musk: Liệu robot tiên tiến có thể vượt trội hơn tính linh hoạt của con người với một tỷ lệ thiết bị truyền động

bộ truyền động robot tesla

Cơ thể con người chứa khoảng 600 cơ xương, nhưng con số chính xác có thể thay đổi một chút tùy theo từng người. Những cơ này chịu trách nhiệm cho một loạt các chuyển động và đóng một vai trò quan trọng trong chức năng tổng thể của cơ thể.

Vậy robot cần bao nhiêu bộ truyền động để tạo ra mức độ linh hoạt và khéo léo như con người?

Tạo ra một robot có mức độ linh hoạt và khéo léo như con người là một thách thức phức tạp mà Tesla dường như muốn thực hiện và số lượng bộ truyền động cần thiết sẽ phụ thuộc vào thiết kế và chức năng mong muốn. Nói chung, một robot sẽ cần một số lượng tương đương bộ truyền động để phù hợp với số lượng cơ bắp của con người (khoảng 600). Tuy nhiên, việc thiết kế một robot có thể tái tạo mọi cơ bắp của con người có thể không thực tế hoặc không cần thiết.

 

Trong nhiều thiết kế robot, sự kết hợp của ít bộ truyền động linh hoạt hơn được sử dụng cùng với các thuật toán điều khiển phức tạp để đạt được nhiều chuyển động và nhiệm vụ khác nhau. Hơn thế nữa, một số hệ thống robot sử dụng các yếu tố thụ động hoặc tuân thủ, như lò xo hoặc vật liệu dẻo, để đạt được hành vi giống con người hơn mà không cần tăng số lượng cơ cấu chấp hành.

Cuối cùng, số lượng bộ truyền động cần thiết để robot đạt được sự linh hoạt và khéo léo giống con người sẽ phụ thuộc vào các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể mà robot được thiết kế để hoàn thành.

Con người có bao nhiêu bậc tự do

Số bậc tự do (DOF) trong cơ thể con người có thể khó xác định chính xác do tính phức tạp của nó và nhiều khớp với phạm vi chuyển động khác nhau. Tuy nhiên, ước tính sơ bộ của DOF có thể được tính toán bằng cách xem xét các khớp nối chính.
Đây là bảng phân tích đơn giản về mức độ tự do của một cơ thể người bình thường:
  1. Cổ: 3 DOF (cao độ, ngáp, cuộn)
  2. Vai: 3 DOF mỗi vai (tổng cộng 6 DOF)
  3. Khuỷu tay: 1 DOF mỗi khuỷu tay (tổng cộng 2)
  4. Cổ tay: 2 DOF trên mỗi cổ tay (tổng cộng 4)
  5. Ngón tay: 14 DOF mỗi bàn tay (tổng cộng 28 DOF, giả sử 4 DOF cho ngón cái và 3 DOF cho mỗi ngón trong số bốn ngón còn lại)
  6. Cột sống: Các ước tính khác nhau trong khoảng từ 12 đến 24 DOF (tùy thuộc vào mức độ chi tiết)
  7. Hông: 3 DOF mỗi hông (tổng cộng 6 DOF)
  8. Đầu gối: 1 DOF mỗi đầu gối (tổng cộng 2)
  9. Mắt cá chân: 2 DOF mỗi mắt cá chân (tổng cộng 4)
  10. Ngón chân: 9 DOF mỗi bàn chân (tổng cộng 18 DOF, giả sử 5 DOF cho ngón chân cái và 1 DOF cho mỗi ngón trong số 4 ngón còn lại)

Cộng các DOF này lại với nhau dẫn đến phạm vi xấp xỉ từ 83 đến 95 DOF. Hãy nhớ rằng đây là cách trình bày đơn giản hóa và không tính đến mọi chuyển động khớp có thể có hoặc DOF bổ sung có thể có trong cơ thể con người. Con số thực tế có thể cao hơn, đặc biệt khi xem xét các chi tiết nhỏ hơn và các mối nối nhỏ hơn.

Robot cần bao nhiêu bộ truyền động để tạo ra mức độ tự do tương tự

Để tạo ra một robot có mức độ tự do (DOF) tương tự như con người, người ta cần phải có số lượng bộ truyền động gần bằng với DOF được tính cho cơ thể con người. Giả sử phép tính đơn giản từ 83 đến 95 DOF, robot sẽ cần số lượng tương đương bộ truyền động.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là trong thực tế, thiết kế robot có thể khác biệt đáng kể so với giải phẫu của con người. Các kỹ sư có thể phát triển các giải pháp sáng tạo hoặc tận dụng các công nghệ khác nhau, chẳng hạn như sử dụng ít bộ truyền động linh hoạt hơn, kết hợp với các bộ phận thụ động hoặc tuân thủ (như lò xo hoặc vật liệu dẻo) hoặc sử dụng thuật toán điều khiển tiên tiến để đạt được chuyển động và chức năng giống con người. Số lượng bộ truyền động cụ thể cần thiết để robot đạt được mức DOF tương tự như con người sẽ phụ thuộc vào mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp thiết kế được chọn. Trong một số trường hợp, robot có ít bộ truyền động hơn vẫn có thể đạt được độ linh hoạt và khéo léo ấn tượng, tùy thuộc vào ứng dụng dự định của nó.

Làm thế nào có thể sử dụng các cơ chế vi sai để cắt giảm số lượng bộ truyền động mà robot có thể yêu cầu

Các cơ chế vi sai có thể được sử dụng trong các thiết kế robot để giảm số lượng bộ truyền động cần thiết trong khi vẫn duy trì mức độ chức năng, tính linh hoạt và sự khéo léo cao. Các cơ chế này hoạt động bằng cách ghép chuyển động của nhiều thành phần đầu ra thông qua một đầu vào duy nhất, phân phối chuyển động hoặc lực từ một bộ truyền động qua nhiều bậc tự do (DOF) hoặc các khớp.
Dưới đây là một số cách mà cơ chế vi sai có thể giúp giảm số lượng bộ truyền động trong robot:
  1. Truyền động chung: Bằng cách kết nối nhiều khớp hoặc DOF với một bộ truyền động duy nhất bằng cách sử dụng bánh răng, liên kết hoặc dây đai, cùng một bộ truyền động có thể điều khiển chuyển động của nhiều khớp. Điều này làm giảm số lượng bộ truyền động cần thiết trong khi vẫn duy trì phạm vi chuyển động mong muốn.
  2. Loại bỏ sự dư thừa: Trong một số thiết kế robot, có thể có DOF dư thừa có thể được điều khiển bởi một bộ truyền động duy nhất mà không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của robot. Các cơ chế vi sai có thể được sử dụng để ghép các DOF dư thừa này, cho phép sử dụng bộ truyền động hiệu quả hơn.
  3. Tuân thủ thụ động: Cơ chế vi sai có thể được kết hợp với các yếu tố tuân thủ thụ động, chẳng hạn như lò xo hoặc vật liệu dẻo, để cho phép robot thích ứng với các lực bên ngoài hoặc những thay đổi trong môi trường. Điều này có thể giúp giảm số lượng bộ truyền động hoạt động cần thiết trong khi vẫn cung cấp cho robot khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp.
  4. Điều khiển đơn giản hóa: Cơ chế vi sai có thể đơn giản hóa việc điều khiển robot bằng cách giảm số lượng bộ truyền động và do đó giảm số lượng biến cần điều khiển. Điều này có thể dẫn đến các thuật toán điều khiển hiệu quả hơn và dễ thực hiện hơn.

Nhìn chung, việc sử dụng các cơ chế vi sai trong thiết kế robot có thể giúp giảm số lượng bộ truyền động cần thiết, có khả năng tạo ra một hệ thống tiết kiệm chi phí, nhẹ và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên, việc thực hiện các cơ chế vi sai cũng đặt ra những thách thức riêng, chẳng hạn như độ phức tạp cơ học tăng lên và khả năng mất khả năng kiểm soát độc lập đối với từng khớp hoặc DOF.

Một ví dụ về cơ chế vi sai

Một ví dụ về cơ cấu vi sai có thể được sử dụng trong robot là Bộ truyền động điều hòa. Bộ truyền động điều hòa là một kiểu bố trí bánh răng sử dụng trục xoay linh hoạt để đạt được tỷ số giảm tốc cao với phản ứng ngược tối thiểu và độ chính xác cao.

Trong ứng dụng robot, Bộ truyền động điều hòa có thể được sử dụng để điều khiển nhiều khớp hoặc bậc tự do (DOF) bằng một bộ truyền động duy nhất. Đầu vào của Harmonic Drive được kết nối với trục động cơ và đầu ra được kết nối với các khớp của robot. Spline linh hoạt cho phép điều khiển chuyển động chính xác và truyền mô-men xoắn trơn tru.

Bằng cách sử dụng Bộ truyền động điều hòa trong robot, bạn có thể giảm số lượng bộ truyền động cần thiết trong khi vẫn duy trì mức độ chức năng và tính linh hoạt cao. Cơ chế vi sai cho phép rô-bốt thực hiện các nhiệm vụ phức tạp đòi hỏi nhiều bậc tự do với ít bộ truyền động hơn, giúp giảm trọng lượng và độ phức tạp tổng thể của rô-bốt.

Nhìn chung, Bộ truyền động điều hòa và các loại cơ cấu vi sai khác mang lại lợi ích đáng kể cho thiết kế robot, cho phép sử dụng bộ truyền động hiệu quả hơn và giảm độ phức tạp cơ học trong khi duy trì hoặc thậm chí cải thiện chức năng và tính linh hoạt của robot.

Ổ đĩa hài hòa là gì

ổ điều hòa

Một ổ đĩa điều hòa là một kiểu sắp xếp bánh răng có độ chính xác cao được sử dụng trong các hệ thống cơ khí, bao gồm cả robot. Nó bao gồm ba thành phần chính: đường trục tròn, đường trục uốn cong và bộ tạo sóng. Spline flex được kẹp giữa spline tròn và bộ tạo sóng và được kết nối với trục đầu ra của hệ thống bánh răng.

Bộ tạo sóng được kết nối với động cơ hoặc nguồn điện khác và được sử dụng để tạo ra chuyển động sóng trong đường trục uốn cong. Khi bộ tạo sóng quay, chuyển động của sóng được truyền đến đường trục uốn cong, sau đó làm cho nó quay và tạo khớp với đường trục tròn. Chuyển động sinh ra của trục uốn cong được truyền đến trục đầu ra.

Ưu điểm chính của Bộ truyền động điều hòa là tỷ số giảm tốc cao, thường nằm trong khoảng từ 50:1 đến 100:1, với phản ứng ngược tối thiểu và độ chính xác cao. Điều này cho phép điều khiển chuyển động và truyền mô-men xoắn chính xác, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng robot yêu cầu điều khiển chính xác nhiều khớp hoặc bậc tự do.

Bộ truyền động hài được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế rô-bốt, đặc biệt là rô-bốt quy mô nhỏ, nơi chúng có thể giảm số lượng bộ truyền động cần thiết trong khi vẫn duy trì mức độ chức năng và tính linh hoạt cao. Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng máy móc chính xác khác, như hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và tự động hóa nhà máy.

Sự đánh đổi khi sử dụng cơ chế vi sai trong robot là gì

Mặc dù các cơ chế vi sai mang lại một số lợi thế trong việc giảm số lượng bộ truyền động trong robot nhưng chúng cũng đi kèm với những đánh đổi cần được xem xét trong quá trình thiết kế. Một số sự đánh đổi chính bao gồm:
  1. Độ phức tạp cơ học: Cơ chế vi sai thường liên quan đến các bánh răng, liên kết hoặc dây đai bổ sung, có thể làm tăng độ phức tạp trong thiết kế cơ khí của robot. Điều này có thể dẫn đến những thách thức trong chế tạo, lắp ráp và bảo trì.
  2. Giảm khả năng kiểm soát độc lập: Bằng cách ghép nhiều khớp hoặc bậc tự do (DOF) với một bộ truyền động duy nhất, bạn có thể mất một số khả năng kiểm soát độc lập đối với từng khớp hoặc DOF riêng lẻ. Điều này có thể khiến việc thực hiện một số nhiệm vụ nhất định hoặc đạt được các cấu hình cụ thể trở nên khó khăn hơn vì chuyển động của một khớp có thể ảnh hưởng đến chuyển động của khớp khác.
  3. Phản ứng ngược và ma sát tiềm ẩn: Các thành phần cơ học bổ sung được sử dụng trong cơ cấu vi sai có thể tạo ra phản ứng ngược và ma sát, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác, thời gian phản hồi và hiệu quả của robot. Điều này có thể đặc biệt quan trọng đối với các tác vụ đòi hỏi độ chính xác cao hoặc chuyển động nhanh, năng động.
  4. Độ phức tạp của điều khiển: Trong khi tổng số bộ truyền động và biến điều khiển có thể giảm, việc ghép nhiều khớp hoặc DOF có thể dẫn đến mối quan hệ phức tạp hơn giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống. Điều này có thể khiến việc phát triển và thực hiện các thuật toán điều khiển hiệu quả trở nên khó khăn hơn.
  5. Phân phối tải và mô-men xoắn: Cơ chế vi sai có thể ảnh hưởng đến sự phân bổ tải và mô-men xoắn trên cấu trúc của robot, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể và độ bền của hệ thống. Tùy thuộc vào thiết kế, điều này có thể yêu cầu gia cố thêm hoặc xem xét cẩn thận các vật liệu được sử dụng.
  6. Sự dư thừa bị tổn hại: Trong một số trường hợp, việc sử dụng các cơ chế vi sai để loại bỏ sự dư thừa có thể dẫn đến một hệ thống kém mạnh mẽ hơn, vì lỗi của một bộ truyền động có thể ảnh hưởng đến nhiều khớp hoặc DOF.

Khi quyết định có nên sử dụng cơ chế vi sai trong robot hay không, điều cần thiết là phải cân nhắc những đánh đổi này với những lợi ích tiềm năng, chẳng hạn như giảm số lượng bộ truyền động, giảm chi phí và giảm trọng lượng. Sự lựa chọn cuối cùng sẽ phụ thuộc vào các mục tiêu và yêu cầu cụ thể của hệ thống robot được thiết kế.

Nếu robot Tesla mới chỉ có 28 bộ truyền động thì làm sao nó có thể so sánh được với con người?

Tesla Bot, như đã thông báo, dự kiến ​​có 28 bộ truyền động. Mặc dù khó có thể so sánh trực tiếp giữa tiềm năng linh hoạt của Tesla Bot và của con người nếu không có thông số kỹ thuật chi tiết, chúng tôi vẫn có thể đưa ra so sánh cấp cao dựa trên số lượng bộ truyền động.

Tính linh hoạt của con người:

  • Bậc tự do (DOF): Khoảng 83 đến 95 (xem xét các khớp lớn)
  • Cơ cấu chấp hành: Khoảng 600 cơ
Tính linh hoạt của Tesla Bot (dựa trên thông tin đã công bố):
  • Bậc tự do (DOF): Không xác định
  • Thiết bị truyền động: 28

Từ sự so sánh này, rõ ràng là Tesla Bot sẽ có ít bộ truyền động hơn con người đáng kể. Điều này cho thấy tính linh hoạt và khéo léo của Tesla Bot có thể không hoàn toàn phù hợp với con người, ít nhất là về khả năng kiểm soát độc lập các khớp và mức độ tự do. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tính linh hoạt và khéo léo cũng phụ thuộc nhiều vào thiết kế, thuật toán điều khiển và việc sử dụng các cơ chế như bộ vi sai hoặc các bộ phận tuân thủ của robot.

Một số ví dụ về những gì Tesla-Bot có thể đạt được, thậm chí chỉ với 28 bộ truyền động

Tesla Bot vẫn đang trong quá trình phát triển và các ứng dụng cũng như nhiệm vụ cụ thể mà nó có thể thực hiện khi sử dụng rất hạn chế các bộ truyền động vẫn chưa được xác định đầy đủ. Tuy nhiên, dựa trên các thông số kỹ thuật đã công bố và khả năng chung của robot hình người, vẫn còn một số công việc mà Robot này có thể làm được. Một vài ví dụ bao gồm:

  1. Sản xuất: Tesla Bot có thể được sử dụng trong các quy trình sản xuất, chẳng hạn như lắp ráp các bộ phận nhỏ hoặc đóng gói hàng hóa. Sự khéo léo và chính xác của nó có thể khiến nó rất phù hợp cho các công việc đòi hỏi phải xử lý vật liệu một cách tinh tế.
  2. Công việc gia đình: Tesla Bot có thể hỗ trợ các công việc gia đình, chẳng hạn như dọn dẹp, nấu ăn và giặt giũ. Khả năng di chuyển và thao tác với các vật thể của nó có thể giúp nó trở nên hữu ích cho các nhiệm vụ đòi hỏi sự khéo léo và khả năng di chuyển về thể chất.
  3. Chăm sóc sức khỏe: Tesla Bot có thể hỗ trợ trong các cơ sở chăm sóc sức khỏe, chẳng hạn như hỗ trợ những bệnh nhân bị hạn chế khả năng di chuyển hoặc trợ giúp các công việc trong phòng thí nghiệm y tế.
  4. Xây dựng: Tesla Bot có thể được sử dụng trong các công việc xây dựng, chẳng hạn như nâng vật nặng hoặc di chuyển vật liệu. Sức mạnh và khả năng điều khiển đồ vật của nó có thể khiến nó rất phù hợp với những nhiệm vụ đòi hỏi sức mạnh thể chất và sức bền.
  5. Giáo dục: Tesla Bot có thể được sử dụng trong môi trường giáo dục, chẳng hạn như dạy học sinh về robot hoặc hỗ trợ các hoạt động học tập thực hành.

Điều quan trọng cần lưu ý là các ứng dụng và nhiệm vụ cụ thể mà Tesla Bot có thể thực hiện sẽ phụ thuộc vào thiết kế cuối cùng, thuật toán điều khiển và mục đích sử dụng của nó. Các ví dụ trên chỉ là một vài ứng dụng tiềm năng và khả năng của robot có thể còn rộng hơn nhiều.

Tác giả: 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.