Привет, ребята, если вы когда-нибудь задавались вопросом, почему роботы-гуманоиды не чувствуют себя неуклюжими, неуклюжими машинами, спотыкающимися по пространствам, созданным для людей, давайте разберем одного из самых незамеченных героев этого плавного движения: их суставные части. Как поставщик компонентов суставов гуманоидных роботов, я каждый день общаюсь с строителями роботов, любителями и инженерами, которые зациклены на высокотехнологичных сервоприводах или необычных мозгах искусственного интеллекта — и спят на крошечных эргономичных деталях, которые заставляют все это работать с людьми (а не против них). Давайте углубимся в то, как эти соединения влияют на удобство использования, безопасность и общую атмосферу робота, обещаю без скучного жаргона из учебников.
Прежде всего, что вообще такое «эргономические аспекты» суставов робота? Для гуманоида это означает, что каждый сустав (плечи, локти, запястья, бедра, колени, лодыжки) должен имитировать движения человеческого тела, но при этом быть безопасным для взаимодействия. Подумайте об этом: если локтевой сустав робота выступает под странными углами или достаточно острый, чтобы поцарапать детский рисунок, это проблема. Если его коленный сустав внезапно заблокируется, когда кто-то опирается на него в поисках помощи, это опасность. Эргономика здесь заключается не только в том, чтобы сделать робота «выглядящим» как человек, — речь идет о разработке частей, которые будут работать с человеческим пространством, а не противоречить ему.
Начнем с диапазона движений, потому что это первая проверка эргономики. У человека есть определенный диапазон движений каждого сустава: наши плечи вращаются на 360 градусов (ну почти), локти сгибаются на 180, колени сгибаются только в одну сторону, верно? Суставы гуманоидного робота должны соответствовать этому, но не переусердствовать: слишком большой диапазон приведет к шатким и нестабильным движениям. У меня был клиент, который построил робота для ухода за пожилыми людьми, и рассказал мне, что их первоначальные коленные суставы сгибались только на 90 градусов, и когда они попытались запрограммировать его так, чтобы он вставал на колени на той же высоте, что и сидящий пожилой человек, это не удалось. Вот тут-то и пригодится правильная конструкция соединения. Мы не просто продаем готовые детали; мы работаем со строителями, чтобы настроить пределы диапазона, чтобы робот не превышал или не уступал по производительности. Например, наши плечевые суставы имеют встроенные ограничители крутящего момента, которые останавливают вращение до того, как оно достигнет человеческого максимума, что предотвращает как повреждение сустава, так и случайные удары находящихся рядом людей.
Далее, чувствительность к силе — это очень важно для безопасности, которая является основой эргономики, когда роботы находятся рядом с людьми. Кожа человека может чувствовать давление, поэтому наши тела автоматически регулируют силу, которую мы прикладываем, когда прикасаемся к стеклу или обнимаем кого-то. Роботам нужно то же чувство, но их суставы должны переводить его в плавное, а не жесткое движение. Допустим, гуманоид передает книгу ребенку: если в его локтевом суставе нет датчиков силы, он может сжать книгу слишком сильно или размахнуть рукой достаточно быстро, чтобы опрокинуть лампу. Наши шарнирные детали оснащены низкопрофильными датчиками крутящего момента и силы прямо на оси сустава, поэтому робот может регулировать свое движение в реальном времени. Мы видели, как это окупается на примере маленьких роботов-гуманоидов для обучения, когда дети берут их и двигают руками для упражнений по программированию — никто никогда не пострадал, потому что сустав переставал двигаться, когда чувствовал человеческое прикосновение.
Кроме того, есть физическое соответствие самого сустава, потому что давайте будем честными: никому не нужен громоздкий робот, который занимает вдвое больше места, чем человек. Эргономика здесь означает компактные, обтекаемые суставы, которые помещаются в тело гуманоида, поэтому он может перемещаться по дверным проемам, сидеть на диване или дотягиваться до полки, как это сделал бы человек. Большую часть этого составляют материалы, которые мы используем. Подождите, вы, возможно, думаете: «Материалы? Это дело робототехники, а не эргономики», но выслушайте меня. Если шарнир сделан из дешевого тяжелого металла, это делает весь робот тяжелым, что нарушает равновесие и затрудняет передвижение. Вот почему мы работаем со строителями, чтобы выбрать подходящие материалы в зависимости от варианта их использования. Например, роботы, предназначенные для работы в ограниченных торговых помещениях, выигрывают от более легких и прочных деталей — мы даже рекомендуем сочетать наши шарнирные узлы с легкими конструкционными деталями, такими как звенья робота-манипулятора с ЧПУ, которые сохраняют всю установку тонкой, не жертвуя при этом прочностью. Для роботов, которым необходимо поднимать более тяжелые предметы для логистики (но которые по-прежнему работают рядом с работниками склада), мы используем соединения из стального сплава с высоким крутящим моментом, но сочетаем их с более легкими и гибкими крышками, такими как Plastic Robot Shell, чтобы смягчить края. Говоря об этом, эти чехлы предназначены не только для внешнего вида: закругленные, неострые края на стыках означают меньший риск случайных порезов, что является чистым эргономичным дизайном.
Я также хочу поговорить о модульности, которая является большим эргономическим преимуществом как для строителей, так и для конечных пользователей. Как? Если соединение сломается, вам не придется заменять всего робота — вы просто замените неисправную часть. Это не только удобно для ремонта; это позволяет строителям корректировать конструкцию робота по ходу работы. Например, команда колледжа по робототехнике может начать с базового коленного сустава, а затем модернизировать его для бега (они могут заменить наш модульный коленный сустав с более высоким крутящим моментом, не перестраивая всю сборку ноги). Модульность также упрощает калибровку движений робота, что гарантирует синхронную работу каждого сустава, как у настоящего человека. Мы видели, как команды экономят месяцы времени на тестировании, поскольку наши модульные соединения подключаются к стандартным концентраторам аксессуаров для роботов, поэтому им не нужно подключать все с нуля.
Подождите, давайте поговорим о типичных ошибках, которые я вижу. Многие создатели новых роботов сосредотачиваются на характеристиках: максимальный крутящий момент, скорость, цена, не задумываясь о том, как сустав взаимодействует со всей гуманоидной системой. Например, сустав, который отлично подходит для поднятия тяжестей, может вибрировать так сильно, что из-за этого голова робота (которая имеет датчики для навигации) трясется, из-за чего роботу становится трудно распознавать лицо человека или перемещаться по комнате. Это эргономический недостаток, поскольку даже если движения робота сильные, он не может плавно взаимодействовать с окружающей средой. Наши шарниры имеют встроенную систему гашения вибрации, поэтому они не нарушают работу других систем робота. Еще одна ошибка? Игнорирование распределения веса. Если тазобедренные суставы робота слишком тяжелые, ему приходится прилагать дополнительные усилия, чтобы просто стоять, что расходует заряд батареи и заставляет его двигаться медленно. Мы помогаем строителям сбалансировать вес суставов по всему телу, чтобы каждая часть работала вместе с другими, а не против них.
А для роботов, которые взаимодействуют с уязвимыми людьми, например пожилыми людьми или детьми, существует дополнительный уровень эргономики: доступность. Гуманоид, созданный для того, чтобы помогать людям, передвигающимся в инвалидной коляске, должен дотягиваться до подлокотников, брать закуски с низкого столика и двигаться достаточно медленно, чтобы человек с ограниченной подвижностью мог не отставать. Это означает, что его суставы не могут двигаться слишком быстро, должны быть точными и помещаться в рамку, которая не делает их слишком высокими или короткими. Наши специальные комплекты шарниров позволяют строителям регулировать диапазон движений и настройки скорости, чтобы они могли адаптировать робота к конкретным случаям использования. Мы работали с небольшой командой, которая создала робота-компаньона для пожилых людей с деменцией — они настроили запястный сустав так, чтобы он двигался медленно и осторожно при передаче таблетки, а локтевой сустав перестал двигаться, если он чувствует слабый захват, что не позволяет пожилому человеку уронить вещи.
Теперь давайте снова поговорим о материалах, потому что они связаны со всем. Мы не просто используем один материал для всех соединений — мы подбираем его под конкретную работу. Например, плечевые суставы, которые много двигаются и подвергаются нагрузкам, должны быть прочными, поэтому мы используем высококачественную легированную сталь. Для суставов голеней, которые испытывают нагрузку при ходьбе, мы используем смесь алюминия и легких композитных материалов, чтобы снизить вес и выдержать нагрузку. Мы всегда указываем строителям страницы «Алюминиевое шасси робота» и «Металлические детали роботов из нержавеющей стали», чтобы найти структурные опоры, которые дополняют наши суставы — например, коленный сустав в сочетании с прочным шасси делает всю ногу более устойчивой, без шатких движений. А для внешних частей, которые вступают в контакт с людьми, таких как покрытия суставов, мы используем безопасный для пищевых продуктов, не раздражающий пластик, который не царапает кожу, что является ключевым моментом для роботов, которые взаимодействуют с детьми или людьми в медицинских учреждениях.
Подождите, давайте ответим на вопрос, который мне постоянно задают: «В чем разница между обычным суставом робота и эргономичным суставом гуманоида?» Обычный роботизированный шарнир создан для скорости, точности и подъема тяжестей на фабриках — им все равно, если они столкнутся с рабочим, потому что на фабриках есть клетки безопасности. Гуманоидные суставы? Им приходится балансировать между точностью и безопасностью, диапазоном движений и стабильностью, а также силой и весом. Вот почему каждая часть сустава должна быть спроектирована с учетом человеческого взаимодействия. Даже мелкие детали, например плавность вращения сустава (без скрежетания и резких движений), заставляют робота чувствовать себя более естественно, как настоящий человек. Никто не хочет пожимать руку роботу, который движется, как сломанная игрушка; эргономичные соединения делают это взаимодействие гладким.
Я знаю, что многие производители роботов сосредоточены на продвижении технологий вперед, но иногда наиболее важными инновациями являются те, которые заставляют роботов работать на людей, а не только самостоятельно. В следующий раз, когда вы увидите робота-гуманоида, который интуитивно понятен, не кажется пугающим или неуклюжим, присмотритесь повнимательнее — скорее всего, его суставы спроектированы с учетом тех эргономических принципов, о которых я говорю. Это не просто металлические и пластиковые детали; благодаря им робот может встать на колени, чтобы поговорить с ребенком, передать чашку, не проливая, или перемещаться по гостиной, не опрокинув лампу.
Если вы создаете робота-гуманоида и вам нужны соединительные детали, сочетающие в себе производительность, безопасность и эргономику, свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваш проект. Мы можем помочь вам выбрать правильные компоненты, нужны ли вам стандартные модульные соединения или специально разработанные для вашего конкретного случая использования. Мы работаем со всеми, от групп любителей до промышленных партнеров, поэтому ни один проект не является слишком большим или слишком маленьким.
Ссылки
- Международная организация по стандартизации (ISO). «Роботы и роботизированные устройства. Требования безопасности для роботов-гуманоидов» ISO 13482:2014.
- Вукобратович М. и Потконьяк В. «Роботы-гуманоиды: основы моделирования и управления», Springer, 2013.
- Рю Дж. и Ким В. «Управление силой для безопасного взаимодействия человека и робота: обзор» IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, нет. 3, 2016, стр. 515–533.
- Чжан Л. и др. «Эргономичный дизайн суставов гуманоидных роботов для оказания помощи на дому» Материалы Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2020 г., 2020, стр. 5678-5684.
