Tesla Bot vs. Fleksibilitas Manusia: Can Robotika Mutakhir Mengatasi Keterbatasan Aktuator dan mendefinisikan kembali ketangkasan

Pada akhirnya, jumlah aktuator yang diperlukan untuk robot untuk mencapai fleksibilitas dan ketangkasan seperti manusia akan tergantung pada tujuan dan tugas spesifik robot yang dirancang untuk dicapai.

Berapa derajat kebebasan yang dimiliki manusia

1. Leher: 3 DOF (pitch, yaw, roll)
2. Bahu: 3 DOF per bahu (total 6)
3. Siku: 1 DOF per siku (total 2)
4. Pergelangan tangan: 2 DOF per pergelangan tangan (total 4)
5. Jari: 14 DOF per tangan (total 28, dengan asumsi 4 DOF untuk ibu jari dan 3 DOF untuk masing -masing empat jari lainnya)
6. Tulang belakang: Berbagai perkiraan antara 12 dan 24 DOF (tergantung pada tingkat granularitas)
7. Hips: 3 DOF per pinggul (total 6)
8. Lutut: 1 DOF per lutut (total 2)
9. Pergelangan kaki: 2 DOF per pergelangan kaki (total 4)
10. Toes: 9 DOF per kaki (total 18, dengan asumsi 5 DOF untuk kaki besar dan 1 DOF untuk masing -masing dari empat jari lainnya)

Menambahkan DOF ini bersama -sama menghasilkan kisaran perkiraan 83 hingga 95 dof. Perlu diingat bahwa ini adalah representasi yang disederhanakan dan tidak memperhitungkan setiap gerakan bersama yang mungkin atau DOF tambahan yang mungkin ada dalam tubuh manusia. Jumlah aktual bisa lebih tinggi, terutama ketika mempertimbangkan detail yang lebih baik dan sambungan yang lebih kecil.

Namun, penting untuk dicatat bahwa dalam praktiknya, desain robot mungkin berbeda secara signifikan dari anatomi manusia. Insinyur dapat mengembangkan solusi inovatif atau memanfaatkan teknologi yang berbeda, seperti menggunakan aktuator yang lebih sedikit dan lebih fleksibel dalam kombinasi dengan elemen pasif atau patuh (seperti pegas atau bahan fleksibel), atau menggunakan algoritma kontrol canggih untuk mencapai gerakan dan fungsionalitas seperti manusia. Jumlah spesifik aktuator yang diperlukan untuk robot untuk mencapai tingkat DOF yang sama dengan manusia akan bergantung pada tujuan, tugas, dan pendekatan desain yang dipilih. Dalam beberapa kasus, robot dengan aktuator yang lebih sedikit mungkin masih mencapai fleksibilitas dan ketangkasan yang mengesankan, tergantung pada aplikasi yang dimaksud.

Bagaimana mekanisme diferensial dapat digunakan untuk mengurangi jumlah aktuator yang diperlukan robot

Berikut adalah beberapa cara mekanisme diferensial dapat membantu mengurangi jumlah aktuator dalam robot:

1. Aktuasi bersama: Dengan menghubungkan beberapa sambungan atau DOF ke aktuator tunggal menggunakan roda gigi, hubungan, atau sabuk, aktuator yang sama dapat mengontrol gerakan lebih dari satu sambungan. Ini mengurangi jumlah aktuator yang diperlukan sambil mempertahankan rentang gerak yang diinginkan.
2. Eliminasi Redundansi: Dalam beberapa desain robot, mungkin ada DOF yang berlebihan yang dapat dikendalikan oleh aktuator tunggal tanpa memengaruhi kinerja robot secara signifikan. Mekanisme diferensial dapat digunakan untuk memasangkan DOF yang berlebihan ini, memungkinkan penggunaan aktuator yang lebih efisien.
3. Kepatuhan pasif: Mekanisme diferensial dapat dikombinasikan dengan elemen yang sesuai pasif, seperti pegas atau bahan fleksibel, untuk memungkinkan robot beradaptasi dengan kekuatan eksternal atau perubahan di lingkungan. Ini dapat membantu mengurangi jumlah aktuator aktif yang dibutuhkan sambil tetap memberikan robot kemampuan untuk melakukan tugas yang kompleks.
4. Kontrol Sederhana: Mekanisme diferensial dapat menyederhanakan kontrol robot dengan mengurangi jumlah aktuator dan dengan demikian jumlah variabel yang perlu dikontrol. Ini dapat menyebabkan algoritma kontrol yang lebih efisien dan lebih mudah diimplementasikan.

Secara keseluruhan, penggunaan mekanisme diferensial dalam desain robot dapat membantu mengurangi jumlah aktuator Diperlukan, berpotensi menghasilkan sistem yang lebih hemat biaya, ringan, dan hemat energi. Namun, menerapkan mekanisme diferensial juga memperkenalkan serangkaian tantangannya sendiri, seperti peningkatan kompleksitas mekanik dan potensi hilangnya kontrol independen atas sambungan individu atau DOF.

Contoh mekanisme diferensial

Contoh mekanisme diferensial yang dapat digunakan dalam robot adalah drive harmonik. Drive harmonik adalah jenis pengaturan gigi yang menggunakan spline fleksibel untuk mencapai rasio reduksi gigi tinggi dengan serangan balik minimal dan presisi tinggi.

Dalam aplikasi robot, drive harmonik dapat digunakan untuk mengontrol banyak sendi atau derajat kebebasan (DOF) dengan aktuator tunggal. Input drive harmonik terhubung ke poros motor, dan output terhubung ke sambungan robot. Spline fleksibel memungkinkan kontrol gerak yang tepat dan transmisi torsi yang halus.

Dengan menggunakan drive harmonik dalam robot, Anda dapat mengurangi jumlah aktuator yang diperlukan sambil tetap mempertahankan tingkat fungsionalitas dan fleksibilitas yang tinggi. Mekanisme diferensial memungkinkan robot untuk melakukan tugas -tugas kompleks yang membutuhkan beberapa derajat kebebasan dengan lebih sedikit aktuator, mengurangi berat dan kompleksitas robot secara keseluruhan.

Secara keseluruhan, drive harmonik dan jenis lain dari mekanisme diferensial menawarkan manfaat yang signifikan untuk desain robot, memungkinkan penggunaan aktuator yang lebih efisien dan berkurangnya kompleksitas mekanik sambil mempertahankan atau bahkan meningkatkan fungsionalitas dan fleksibilitas robot.

Apa itu drive harmonik

Drive harmonik adalah Jenis pengaturan gigi presisi tinggi yang digunakan dalam sistem mekanik, termasuk robot. Ini terdiri dari tiga komponen utama: spline melingkar, spline fleksibel, dan generator gelombang. Spline fleksibel diapit di antara spline melingkar dan generator gelombang dan terhubung ke poros output sistem roda gigi.

Generator gelombang terhubung ke motor atau sumber daya lainnya dan digunakan untuk membuat gerakan gelombang di spline fleksibel. Saat generator gelombang berputar, gerakan gelombang ditransmisikan ke spline fleksibel, yang kemudian menyebabkannya berputar dan mengisap dengan spline melingkar. Gerakan yang dihasilkan dari spline fleksibel ditransmisikan ke poros output.

Keuntungan utama dari drive harmonik adalah rasio reduksi gigi yang tinggi, biasanya dalam kisaran 50: 1 hingga 100: 1, dengan serangan balik minimal dan presisi tinggi. Hal ini memungkinkan untuk kontrol gerak yang tepat dan transmisi torsi, menjadikannya ideal untuk aplikasi robot yang memerlukan kontrol akurat dari beberapa sendi atau derajat kebebasan.

Drive harmonik banyak digunakan dalam desain robot, terutama untuk robot skala kecil, di mana mereka dapat mengurangi jumlah aktuator yang diperlukan sambil tetap mempertahankan tingkat fungsionalitas dan fleksibilitas yang tinggi. Mereka juga digunakan dalam aplikasi mesin presisi lainnya, seperti kedirgantaraan, peralatan medis, dan otomatisasi pabrik.

Apa trade-off saat menggunakan mekanisme diferensial dalam robot

1. Kompleksitas mekanis: Mekanisme diferensial sering melibatkan roda gigi tambahan, keterkaitan, atau sabuk, yang dapat meningkatkan kompleksitas desain mekanik robot. Ini dapat menyebabkan tantangan dalam fabrikasi, perakitan, dan pemeliharaan.
2. Kontrol independen yang berkurang: Dengan menggabungkan beberapa sambungan atau derajat kebebasan (DOF) ke aktuator tunggal, Anda mungkin kehilangan beberapa kontrol independen atas sambungan individu atau DOF. Ini dapat membuatnya lebih menantang untuk melakukan tugas -tugas tertentu atau mencapai konfigurasi spesifik, karena gerakan satu sambungan dapat mempengaruhi gerakan yang lain.
3. Potensi reaksi dan gesekan: Komponen mekanis tambahan yang digunakan dalam mekanisme diferensial dapat memperkenalkan reaksi dan gesekan, yang dapat mempengaruhi ketepatan robot, waktu respons, dan efisiensi. Ini bisa sangat penting untuk tugas yang membutuhkan akurasi tinggi atau gerakan yang cepat dan dinamis.
4. Kompleksitas kontrol: Sementara jumlah keseluruhan aktuator dan variabel kontrol mungkin dikurangi, penggabungan beberapa sambungan atau DOF dapat menyebabkan hubungan yang lebih kompleks antara input dan output sistem. Ini dapat membuatnya lebih menantang untuk mengembangkan dan mengimplementasikan algoritma kontrol yang efektif.
5. Distribusi beban dan torsi: Mekanisme diferensial dapat mempengaruhi distribusi beban dan torsi melintasi struktur robot, yang dapat mempengaruhi kinerja keseluruhan dan daya tahan sistem. Bergantung pada desainnya, ini mungkin memerlukan bala bantuan tambahan atau pertimbangan yang cermat dari bahan yang digunakan.
6. Redundansi yang dikompromikan: Dalam beberapa kasus, menggunakan mekanisme diferensial untuk menghilangkan redundansi dapat menghasilkan sistem yang kurang kuat, karena kegagalan aktuator tunggal dapat mempengaruhi banyak sambungan atau DOF.

Saat memutuskan apakah akan menggunakan mekanisme diferensial dalam robot, penting untuk menimbang pertukaran ini terhadap manfaat potensial, seperti pengurangan jumlah aktuator, biaya lebih rendah, dan penurunan berat badan. Pilihan pada akhirnya akan tergantung pada tujuan dan persyaratan spesifik dari sistem robot yang dirancang.