Tesla Bot در مقابل انعطاف پذیری انسان: آیا روباتیک های برش می توانند بر محدودیت های محرک غلبه کنند و مجدداً مهارت های خود را تعریف کنند

در نهایت ، تعداد محرک های مورد نیاز برای یک ربات برای دستیابی به انعطاف پذیری و مهارت های مانند انسان ، به اهداف و وظایفی خاص که ربات برای تحقق آن طراحی شده است بستگی دارد.

یک انسان چند درجه آزادی دارد

1. گردن: 3 DOF (زمین ، خمیازه ، رول)
2. شانه ها: 3 DOF در هر شانه (در کل 6)
3. آرنج: 1 DOF در هر آرنج (در کل 2)
4. مچ دست: 2 DOF در هر مچ (در کل 4)
5. انگشتان: 14 DOF در هر دست (در کل 28 ، با فرض 4 DOF برای انگشت شست و 3 DOF برای هر یک از چهار انگشت دیگر)
6. ستون فقرات: تخمین های مختلف بین 12 تا 24 DOF (بسته به سطح دانه بندی)
7. باسن: 3 DOF در هر باسن (در کل 6)
8. زانوها: 1 DOF در هر زانو (در کل 2)
9. مچ پا: 2 DOF در هر مچ پا (4 در کل)
10. انگشتان پا: 9 DOF در هر پا (در کل 18 ، با فرض 5 DOF برای انگشتان بزرگ و 1 DOF برای هر یک از چهار انگشت دیگر)

اضافه کردن این DOF با هم منجر به دامنه تقریبی 83 تا 95 DOF می شودبشر به خاطر داشته باشید که این یک نمایش ساده است و برای هر حرکت مشترک احتمالی یا DOF اضافی که ممکن است در بدن انسان وجود داشته باشد ، حساب نمی کند. تعداد واقعی می تواند بیشتر باشد ، به ویژه در هنگام بررسی جزئیات دقیق تر و اتصالات کوچکتر.

با این حال ، توجه به این نکته حائز اهمیت است که در عمل ، طرح های روباتیک ممکن است با آناتومی انسان تفاوت چشمگیری داشته باشد. مهندسان ممکن است راه حل های نوآورانه را توسعه دهند یا از فناوری های مختلف استفاده کنند ، مانند استفاده از محرک های کمتر ، همه کاره تر در ترکیب با عناصر منفعل یا سازگار (مانند چشمه یا مواد انعطاف پذیر) یا استفاده از الگوریتم های کنترل پیشرفته برای دستیابی به حرکات و عملکرد مانند انسان. تعداد مشخصی از محرک های مورد نیاز برای یک ربات برای رسیدن به سطح مشابه DOF به عنوان یک انسان به اهداف ، کارها و رویکرد طراحی انتخاب شده بستگی دارد. در بعضی موارد ، یک ربات با محرک کمتری بسته به کاربرد مورد نظر خود ، هنوز هم ممکن است به انعطاف پذیری و مهارت چشمگیر دست یابد.

چگونه می توان از مکانیسم های دیفرانسیل برای کاهش میزان محرک های یک ربات استفاده کرد

در اینجا چند روش وجود دارد که مکانیسم های دیفرانسیل می توانند به کاهش تعداد محرک ها در یک روبات کمک کنند:

1. فعال سازی مشترک: با اتصال چندین اتصالات یا DOF به یک محرک واحد با استفاده از چرخ دنده ها ، پیوندها یا کمربندها ، همان محرک می تواند حرکت بیش از یک مفصل را کنترل کند. این باعث می شود تعداد محرک های مورد نیاز هنگام حفظ دامنه حرکت مورد نظر کاهش یابد.
2. حذف افزونگی: در برخی از طرح های روباتیک ، ممکن است DOF اضافی وجود داشته باشد که توسط یک محرک واحد قابل کنترل باشد بدون اینکه به طور قابل توجهی بر عملکرد ربات تأثیر بگذارد. از مکانیسم های دیفرانسیل می توان برای جفت شدن این DOF اضافی استفاده کرد و امکان استفاده کارآمدتر از محرک ها را فراهم می آورد.
3. انطباق منفعل: مکانیسم های دیفرانسیل را می توان با عناصر سازگار با منفعل مانند چشمه یا مواد انعطاف پذیر ترکیب کرد تا یک روبات بتواند با نیروهای خارجی یا تغییر در محیط سازگار شود. این می تواند به کاهش تعداد محرک های فعال مورد نیاز کمک کند در حالی که هنوز امکان انجام کارهای پیچیده را به ربات ارائه می دهد.
4. کنترل ساده: مکانیسم های دیفرانسیل می توانند با کاهش تعداد محرک ها و در نتیجه تعداد متغیرهایی که باید کنترل شوند ، کنترل یک روبات را ساده کنند. این می تواند به الگوریتم های کنترل کارآمدتر و آسان تر منجر شود.

به طور کلی ، استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل در طرح های روباتیک می تواند به کاهش تعداد کمک کند محرک مورد نیاز ، به طور بالقوه منجر به یک سیستم مقرون به صرفه تر ، سبک و کارآمدتر می شود. با این حال ، اجرای مکانیسم های دیفرانسیل همچنین مجموعه ای از چالش های خاص خود را مانند افزایش پیچیدگی مکانیکی و از دست دادن بالقوه کنترل مستقل بر اتصالات فردی یا DOF نیز معرفی می کند.

نمونه ای از مکانیسم دیفرانسیل

نمونه ای از مکانیسم دیفرانسیل که می تواند در روبات ها مورد استفاده قرار گیرد ، درایو هارمونیک است. درایو هارمونیک نوعی از چیدمان دنده است که از یک اسپلین انعطاف پذیر برای دستیابی به نسبت کاهش دنده بالا با حداقل عکس العمل و دقت بالا استفاده می کند.

در یک کاربرد روباتیک ، می توان از یک درایو هارمونیک برای کنترل چندین اتصالات یا درجه آزادی (DOF) با یک محرک واحد استفاده کرد. ورودی درایو هارمونیک به شافت موتور وصل شده و خروجی به اتصالات ربات وصل می شود. اسپلین انعطاف پذیر امکان کنترل دقیق حرکت و انتقال صاف گشتاور را فراهم می کند.

با استفاده از یک درایو هارمونیک در یک ربات ، می توانید در حالی که هنوز هم سطح بالایی از عملکرد و انعطاف پذیری را حفظ می کنید ، تعداد محرک های مورد نیاز را کاهش دهید. مکانیسم دیفرانسیل این روبات را قادر می سازد کارهای پیچیده ای را انجام دهد که به چندین درجه آزادی با محرک کمتری نیاز دارند و وزن و پیچیدگی کلی ربات را کاهش می دهد.

به طور کلی ، درایوهای هارمونیک و انواع دیگر مکانیسم های دیفرانسیل مزایای قابل توجهی را برای طرح های روباتیک ارائه می دهند ، و این امکان را برای استفاده کارآمدتر از محرک ها و کاهش پیچیدگی مکانیکی ضمن حفظ یا حتی بهبود عملکرد و انعطاف پذیری ربات فراهم می کند.

درایو هارمونیک چیست

یک درایو هارمونیک است نوعی از چیدمان دنده با دقت بالا که در سیستم های مکانیکی از جمله روبات ها استفاده می شودبشر این شامل سه مؤلفه اصلی است: یک اسپل دایره ای ، یک اسپلین فلکس و ژنراتور موج. Spline Flex بین اسپلین دایره ای و ژنراتور موج ساندویچ شده و به شافت خروجی سیستم دنده وصل می شود.

ژنراتور موج به یک موتور یا منبع انرژی دیگر وصل شده و برای ایجاد حرکت موج در اسپلین فلکس استفاده می شود. با چرخش ژنراتور موج ، حرکت موج به Spline Flex منتقل می شود ، که باعث می شود چرخش و مش با اسپلین دایره ای بچرخد. حرکت حاصل از spline Flex به شافت خروجی منتقل می شود.

مزیت اصلی یک درایو هارمونیک نسبت کاهش دنده بالا آن است ، به طور معمول در محدوده 50: 1 تا 100: 1 ، با حداقل واکنش و دقت بالا. این امر امکان کنترل دقیق حرکت و انتقال گشتاور را فراهم می کند ، و آن را برای برنامه های رباتیک که نیاز به کنترل دقیق اتصالات متعدد یا درجه آزادی دارند ، ایده آل می کند.

درایوهای هارمونیک به طور گسترده ای در طرح های روباتیک ، به ویژه برای روبات های در مقیاس کوچک استفاده می شود ، جایی که می توانند تعداد محرک های مورد نیاز را کاهش دهند در حالی که هنوز هم سطح بالایی از عملکرد و انعطاف پذیری را حفظ می کنند. آنها همچنین در سایر کاربردهای ماشین آلات دقیق مانند هوافضا ، تجهیزات پزشکی و اتوماسیون کارخانه مورد استفاده قرار می گیرند.

تجارت هنگام استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل در یک روبات چیست

1. پیچیدگی مکانیکی: مکانیسم های دیفرانسیل اغلب شامل چرخ دنده ها ، پیوندها یا کمربندها هستند که می توانند پیچیدگی طراحی مکانیکی ربات را افزایش دهند. این می تواند منجر به چالش هایی در ساخت ، مونتاژ و نگهداری شود.
2. کاهش کنترل مستقل: با اتصال چندین مفاصل یا درجه آزادی (DOF) به یک محرک واحد ، ممکن است کنترل مستقل بر روی اتصالات فردی یا DOF را از دست دهید. این می تواند انجام کارهای خاص یا دستیابی به تنظیمات خاص را چالش برانگیزتر کند ، زیرا حرکت یک مفصل ممکن است بر حرکت دیگری تأثیر بگذارد.
3. واکنش شدید و اصطکاک بالقوه: اجزای مکانیکی اضافی که در مکانیسم های دیفرانسیل مورد استفاده قرار می گیرند می توانند واکنش نشان دهند و اصطکاک ، که ممکن است بر دقت ، زمان پاسخ و کارآیی ربات تأثیر بگذارد. این می تواند برای کارهایی که به دقت بالا یا حرکات سریع و پویا نیاز دارند ، از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد.
4. پیچیدگی کنترل: در حالی که ممکن است تعداد کلی محرک ها و متغیرهای کنترل کاهش یابد ، اتصال اتصالات متعدد یا DOF می تواند منجر به روابط پیچیده تر بین ورودی ها و خروجی های سیستم شود. این می تواند توسعه و اجرای الگوریتم های کنترل مؤثر را چالش برانگیزتر کند.
5. توزیع بار و گشتاور: مکانیسم های دیفرانسیل ممکن است بر توزیع بارها و گشتاور ها در ساختار ربات تأثیر بگذارد ، که می تواند بر عملکرد کلی و دوام سیستم تأثیر بگذارد. بسته به طراحی ، این ممکن است نیاز به تقویت اضافی یا در نظر گرفتن دقیق مواد مورد استفاده داشته باشد.
6. افزونگی به خطر افتاده: در بعضی موارد ، استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل برای از بین بردن افزونگی ممکن است منجر به یک سیستم کمتر قوی شود ، زیرا عدم موفقیت یک محرک واحد می تواند بر چندین مفاصل یا DOF تأثیر بگذارد.

هنگام تصمیم گیری در مورد استفاده از مکانیسم های دیفرانسیل در یک ربات ، وزن این معاملات در برابر مزایای احتمالی ، مانند کاهش تعداد محرک ، هزینه پایین و کاهش وزن ضروری است. این انتخاب در نهایت به اهداف و الزامات خاص سیستم رباتیک در حال طراحی بستگی دارد.