Tesla Bot vs. Flexibilidad humana: la robótica de vanguardia superar las limitaciones del actuador y redefinir la destreza

En última instancia, el número de actuadores requeridos para que un robot logre una flexibilidad y la destreza humana dependería de los objetivos y tareas específicos que el robot está diseñado para lograr.

¿Cuántos grados de libertad tiene un humano?

1. CELO: 3 DOF (tono, guiñada, rollo)
2. Hombros: 3 doF por hombro (6 en total)
3. Codos: 1 DOF por codo (2 en total)
4. Muñecas: 2 dof por muñeca (4 en total)
5. Dedos: 14 dof por mano (28 en total, suponiendo 4 dof para el pulgar y 3 dof para cada uno de los otros cuatro dedos)
6. Columna vertebral: varias estimaciones entre 12 y 24 DOF (dependiendo del nivel de granularidad)
7. Caderas: 3 dof por cadera (6 en total)
8. Rodillas: 1 DOF por rodilla (2 en total)
9. Tobillos: 2 dof por tobillo (4 en total)
10. Toes: 9 DOF por pie (18 en total, suponiendo 5 DOF para el dedo gordo y 1 DOF para cada uno de los otros cuatro dedos)

Agregar estos DOF ​​juntos Resulta en un rango aproximado de 83 a 95 DOF. Tenga en cuenta que esta es una representación simplificada y no tiene en cuenta cada movimiento articular posible o DOF adicional que pueda estar presente en el cuerpo humano. El número real podría ser mayor, particularmente cuando se considera detalles más finos y juntas más pequeñas.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que en la práctica, los diseños robóticos pueden diferir significativamente de la anatomía humana. Los ingenieros pueden desarrollar soluciones innovadoras o aprovechar diferentes tecnologías, como usar menos actuadores más versátiles en combinación con elementos pasivos o cumplidos (como resortes o materiales flexibles), o emplear algoritmos de control avanzados para lograr un movimiento y funcionalidad similares a los humanos. El número específico de actuadores necesarios para que un robot alcance un nivel similar de DOF como humano dependerá de los objetivos, las tareas y el enfoque de diseño elegido. En algunos casos, un robot con menos actuadores aún puede lograr una flexibilidad y destreza impresionantes, dependiendo de su aplicación prevista.

¿Cómo se pueden usar mecanismos diferenciales para reducir la cantidad de actuadores que un robot podría requerir

Aquí hay algunas formas en que los mecanismos diferenciales pueden ayudar a reducir el número de actuadores en un robot:

1. Actuación compartida: conectando múltiples juntas o DOF a un solo actuador usando engranajes, enlaces o cinturones, el mismo actuador puede controlar el movimiento de más de una articulación. Esto reduce el número de actuadores necesarios mientras mantiene el rango de movimiento deseado.
2. Eliminación de redundancia: en algunos diseños robóticos, puede haber un DOF redundante que puede ser controlado por un solo actuador sin afectar significativamente el rendimiento del robot. Se pueden usar mecanismos diferenciales para acoplar este DOF redundante, lo que permite un uso más eficiente de los actuadores.
3. Cumplimiento pasivo: los mecanismos diferenciales se pueden combinar con elementos de cumplimiento pasivo, como resortes o materiales flexibles, para permitir que un robot se adapte a fuerzas o cambios externas en el entorno. Esto puede ayudar a reducir el número de actuadores activos necesarios mientras proporciona al robot la capacidad de realizar tareas complejas.
4. Control simplificado: los mecanismos diferenciales pueden simplificar el control de un robot reduciendo el número de actuadores y, por lo tanto, el número de variables que deben controlarse. Esto puede conducir a algoritmos de control más eficientes y más fáciles de implementar.

En general, el uso de mecanismos diferenciales en diseños robóticos puede ayudar a reducir el número de actuadores requerido, potencialmente dando como resultado un sistema más rentable, liviano y eficiente en energía. Sin embargo, la implementación de mecanismos diferenciales también introduce su propio conjunto de desafíos, como una mayor complejidad mecánica y una pérdida potencial de control independiente sobre las articulaciones individuales o el DOF.

Un ejemplo de un mecanismo diferencial

Un ejemplo de un mecanismo diferencial que se puede usar en los robots es el impulso armónico. Una unidad armónica es un tipo de disposición de engranajes que utiliza una spline flexible para lograr una relación de reducción de velocidad alta con una reacción mínima y alta precisión.

En una aplicación robótica, se puede utilizar una unidad armónica para controlar múltiples articulaciones o grados de libertad (DOF) con un solo actuador. La entrada de la unidad armónica está conectada al eje del motor, y la salida está conectada a las juntas del robot. La spline flexible permite un control de movimiento preciso y una transmisión suave de torque.

Al usar una unidad armónica en un robot, puede reducir el número de actuadores requeridos y mantener un alto nivel de funcionalidad y flexibilidad. El mecanismo diferencial permite al robot realizar tareas complejas que requieren múltiples grados de libertad con menos actuadores, reduciendo el peso general y la complejidad del robot.

En general, las unidades armónicas y otros tipos de mecanismos diferenciales ofrecen beneficios significativos para los diseños robóticos, lo que permite un uso más eficiente de actuadores y una complejidad mecánica reducida al tiempo que mantiene o incluso mejorando la funcionalidad y flexibilidad del robot.

¿Qué es un impulso armónico?

Un impulso armónico es Un tipo de disposición de engranaje de alta precisión utilizada en sistemas mecánicos, incluidos los robots. Consiste en tres componentes principales: una spline circular, una spline flexible y un generador de onda. La spline Flex está intercalada entre la spline circular y el generador de onda y está conectado al eje de salida del sistema de engranajes.

El generador de onda está conectado a un motor u otra fuente de alimentación y se utiliza para crear un movimiento de onda en la spline Flex. A medida que el generador de onda gira, el movimiento de onda se transmite a la spline flexible, lo que hace que gire y se encienda con la spline circular. El movimiento resultante de la spline Flex se transmite al eje de salida.

La ventaja clave de un disco armónico es su relación de reducción de marcha alta, típicamente en el rango de 50: 1 a 100: 1, con reacción mínima y alta precisión. Esto permite un control de movimiento preciso y la transmisión de torque, lo que lo hace ideal para aplicaciones robóticas que requieren un control preciso de múltiples articulaciones o grados de libertad.

Las unidades armónicas se usan ampliamente en diseños robóticos, especialmente para robots a pequeña escala, donde pueden reducir el número de actuadores requeridos mientras mantienen un alto nivel de funcionalidad y flexibilidad. También se utilizan en otras aplicaciones de maquinaria de precisión, como aeroespaciales, equipos médicos y automatización de fábrica.

¿Cuáles son las compensaciones al usar mecanismos diferenciales en un robot?

1. Complejidad mecánica: los mecanismos diferenciales a menudo implican engranajes, enlaces o cinturones adicionales, lo que puede aumentar la complejidad del diseño mecánico del robot. Esto puede conducir a desafíos en la fabricación, el ensamblaje y el mantenimiento.
2. Control independiente reducido: al acoplar múltiples articulaciones o grados de libertad (DOF) a un solo actuador, puede perder un control independiente sobre las articulaciones individuales o el DOF. Esto puede hacer que sea más difícil realizar ciertas tareas o lograr configuraciones específicas, ya que el movimiento de una articulación podría influir en el movimiento de otra.
3. Potencial reacción y fricción: los componentes mecánicos adicionales utilizados en los mecanismos diferenciales pueden introducir una reacción violenta y fricción, lo que puede afectar la precisión, el tiempo de respuesta y la eficiencia del robot. Esto puede ser particularmente importante para las tareas que requieren alta precisión o movimientos rápidos y dinámicos.
4. Complejidad de control: si bien el número total de actuadores y variables de control podría reducirse, el acoplamiento de múltiples articulaciones o DOF puede conducir a relaciones más complejas entre las entradas y salidas del sistema. Esto puede hacer que sea más difícil desarrollar e implementar algoritmos de control efectivos.
5. Distribución de carga y par: los mecanismos diferenciales pueden afectar la distribución de cargas y pares a través de la estructura del robot, lo que puede influir en el rendimiento general y la durabilidad del sistema. Dependiendo del diseño, esto puede requerir refuerzos adicionales o una cuidadosa consideración de los materiales utilizados.
6. Redundancia comprometida: en algunos casos, el uso de mecanismos diferenciales para eliminar la redundancia podría dar lugar a un sistema menos robusto, ya que la falla de un solo actuador podría afectar múltiples articulaciones o DOF.

Al decidir si usar mecanismos diferenciales en un robot, es esencial sopesar estas compensaciones con los beneficios potenciales, como el recuento reducido del actuador, el menor costo y la disminución del peso. La elección dependerá en última instancia de los objetivos y requisitos específicos del sistema robótico que se está diseñando.