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

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

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.

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

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

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

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.