Хей, момчета, ако някога сте се чудили защо хуманоидните роботи не се чувстват като тромави, неудобни машини, препъващи се в пространства, създадени за хора, нека разбием един от най-невъзпятите герои на това плавно движение: техните ставни части. Като доставчик на компоненти за стави на хуманоидни роботи, разговарям с конструктори на роботи, любители и инженери всеки ден, които се фиксират върху високотехнологични сервомотори или фантастични AI мозъци – и спят върху малките, ергономични части, които правят всичко да работи с (не срещу) хора. Нека да навлезем в детайлите на начина, по който тези съединения оформят използваемостта, безопасността и цялостното настроение на робота, обещавам без задушлив жаргон от учебници.
Първо, какви са „ергономичните аспекти“ на ставите на роботите? За хуманоид това означава, че всяка една става (рамене, лакти, китки, бедра, колене, глезени) трябва да имитира как се движат човешките тела, но също така да бъде безопасна за взаимодействие. Помислете за това: ако лакътната става на робот стърчи под странни ъгли или е достатъчно остра, за да изстърже детска рисунка, това е проблем. Ако колянната му става внезапно блокира, когато някой се облегне на нея за помощ, това е опасност. Ергономичността тук не е само за това роботът да „изглежда“ като човек – това е за проектиране на части, които работят с човешки пространства, а не срещу тях.
Да започнем с обхвата на движение, защото това е първата ергономична проверка. Хората имат определен диапазон на движение за всяка става: раменете ни се въртят на 360 градуса (е, почти), лактите ни се сгъват на 180, коленете ни се огъват само в една посока, нали? Ставите на хуманоидния робот трябва да съответстват на това, но не и да прекаляват - твърде голям обхват и получавате колебливо, нестабилно движение. Имал съм клиент, който е създал робот за грижа за възрастни хора, който ми каза, че оригиналните му коленни стави са били огънати само на 90 градуса и когато се опитаха да го програмират да коленичи на същата височина като седнал възрастен човек, не можа. Това е мястото, където идва правилният дизайн на фугата. Ние не просто продаваме готови части; работим със строители, за да коригираме границите на обхвата, така че роботът да не превишава или да не се представя по-слабо. Например, нашите раменни стави имат вградени ограничители на въртящия момент, които спират въртенето, преди да достигнат човешки максимум, което предотвратява както увреждане на ставата, така и случайни удари на хора наблизо.
На следващо място, чувствителността към сила – това е огромно за безопасността, която е в основата на ергономията, когато роботите са около хора. Човешката кожа може да почувства натиск, така че телата ни автоматично регулират колко сила използваме, когато докоснем чаша или прегърнем някого. Роботите се нуждаят от същия усет, но техните стави трябва да го превърнат в движение, което е нежно, а не твърдо. Да кажем, че хуманоид подава книга на дете: ако лакътната му става няма сензори за сила, той може да стисна книгата твърде силно или да замахне с ръка достатъчно бързо, за да събори лампа. Нашите ставни части интегрират нископрофилни сензори за въртящ момент и сила направо в оста на съединението, така че роботът да може да коригира движението си в реално време. Виждали сме как това се отплаща в малките хуманоидни роботи за образование, където децата ги взимат и движат ръцете си за упражнения по кодиране – никой никога не е бил наранен, защото ставата е спряла да се движи, когато е усетила човешко докосване.
След това има физическото прилягане на самата става, защото нека бъдем реални – никой не иска обемист робот, който заема два пъти повече място от човек. Ергономичността тук означава компактни, опростени стави, които се вписват в рамката на хуманоид, така че да може да навигира през вратите, да седне на дивана или да достигне до рафт, както би направил човек. Голяма част от това са материалите, които използваме. Чакай, може би си мислиш "материали? Това е нещо от роботиката, а не от ергономията", но ме изслушай. Ако съединението е направено от евтин, тежък метал, това прави целия робот тежък отгоре, което нарушава баланса и го прави трудно да се движи. Ето защо ние работим със строителите, за да изберем правилните материали в зависимост от техния случай на употреба. Например, роботите, предназначени да работят в тесни търговски площи, се възползват от по-леки, издръжливи части – ние дори препоръчваме да сдвоим нашите съвместни възли с леки структурни части като връзките на CNC Machine Robot Arm, които поддържат цялата платформа тънка, без да жертва силата. За роботи, които трябва да повдигат по-тежки артикули за логистика (но все пак работят около складови работници), ние използваме съединения от стоманена сплав с голям въртящ момент, но ги комбинираме с по-леки, гъвкави капаци като пластмасова обвивка на робот, за да омекотят ръбовете. Говорейки за това, тези капаци не са само за външен вид - заоблените, неостри ръбове на ставите означават по-малък риск от случайни порязвания, което е чист ергономичен дизайн.
Искам също да говоря за модулността, която е голяма ергономична победа както за строителите, така и за крайните потребители. как? Ако шарнирът се счупи, не е необходимо да сменяте целия робот — просто сменяте дефектната част. Това не е удобно само за ремонт; позволява на строителите да коригират дизайна на робота, докато вървят. Например екип по роботика в колеж може да започне с основна колянна става, след което по-късно да я надстрои за бягане (те могат да сменят нашата модулна колянна става с по-висок въртящ момент, без да изграждат отново целия комплект на крака). Модулността също така улеснява калибрирането на движенията на робота, което гарантира, че всяка става работи в синхрон, като истински човек. Видяхме, че екипите спестяват месеци време за тестване, защото нашите модулни съединения се включват в стандартни хъбове за аксесоари за роботи, така че не се налага да свързват всичко от нулата.
Чакай, нека разберем често срещаните грешки, които виждам. Много нови строители на роботи се фокусират върху спецификациите: максимален въртящ момент, скорост, цена, без да мислят за това как ставата взаимодейства с цялата хуманоидна система. Например, става, която е страхотна за вдигане на тежко, може да вибрира толкова много, че да разклати главата на робота (която има сензори за навигация), което затруднява робота да разпознае човешко лице или да навигира в стая. Това е ергономичен недостатък, защото дори движенията на робота да са силни, той не може да взаимодейства гладко с околната среда. Нашите съединения са проектирани с вградено потискане на вибрациите, така че да не изхвърлят другите системи на робота. Друга грешка? Игнориране на разпределението на теглото. Ако тазобедрените стави на робота са твърде тежки, той трябва да работи допълнително, за да стои, което изтощава живота на батерията и го кара да се движи бавно. Ние помагаме на строителите да балансират теглото на ставите в цялото тяло, така че всяка част да работи с другите, а не срещу тях.
А за роботите, които взаимодействат с уязвими хора – като възрастни или деца – има допълнителен слой ергономичност: достъпност. Хуманоид, предназначен да помага на някой, който използва инвалидна количка, трябва да достигне подлакътници, да вземе закуски от ниска маса и да се движи достатъчно бавно, за да може някой с ограничена подвижност да се справи. Това означава, че ставите му не могат да се движат твърде бързо, трябва да са точни и да пасват в рамка, която не ги прави твърде високи или ниски. Нашите персонализирани комплекти стави позволяват на строителите да регулират диапазона на движение и настройките на скоростта, така че да могат да приспособят робота към конкретни случаи на употреба. Работихме с малък екип, който изгради придружаващ робот за възрастни хора с деменция – те настроиха ставата на китката да се движи бавно и внимателно, когато подават хапче, и лакътната става да спре да се движи, ако усети слаб захват, което не позволява на възрастния човек да изпусне нещата.
Сега нека отново да поговорим за материалите, защото това е свързано с всичко. Ние не просто използваме един материал за всички фуги – ние го съобразяваме с работата. Например раменните стави, които се движат много и се натоварват, трябва да бъдат издръжливи, затова използваме висококачествена легирана стомана. За ставите на долната част на краката, които изпитват удар при ходене, ние използваме смес от алуминий и леки композитни материали, за да поддържаме ниско тегло, като издържаме на сила. Ние винаги насочваме конструкторите към нашите страници с алуминиево шаси за роботи и метални части за роботи от неръждаема стомана за структурни опори, които допълват нашите стави – например колянна става, съчетана със здраво шаси, прави целия крак по-стабилен, без колебливи движения. А за външни части, които влизат в контакт с хора, като капаци на фуги, ние използваме безопасни за храна, недразнещи пластмаси, които не драскат кожата, което е от ключово значение за роботи, които взаимодействат с деца или хора в здравни заведения.
Чакай, нека отговорим на един въпрос, който получавам през цялото време: „Каква е разликата между обикновена става на робот и ергономична хуманоидна става?“ Обикновена шарнирна връзка на робот е създадена за скорост, прецизност и повдигане на тежко във фабриките - те не се интересуват дали ще блъснат работник, защото фабриките имат предпазни клетки. Хуманоидни стави? Те трябва да балансират прецизността с безопасността, обхвата на движение със стабилността и силата с теглото. Ето защо всяка част от ставата трябва да бъде проектирана с оглед на човешкото взаимодействие. Дори дребни детайли, като това колко гладко се върти ставата – без смилане, без резки движения – карат робота да се чувства по-естествено, като истински човек. Никой не иска да се ръкува с робот, който се движи като счупена играчка; ергономичните стави правят това взаимодействие безпроблемно.
Знам, че много създатели на роботи са фокусирани върху прокарването на технологиите напред, но понякога най-важните иновации са тези, които карат роботите да работят за хората, а не само сами. Следващият път, когато видите хуманоиден робот, който се чувства интуитивен, който не се чувства страшен или тромав, погледнете го по-отблизо - шансовете са, че ставите му са проектирани с онези ергономични принципи, за които говоря. Те не са само метални и пластмасови битове; те са причината един робот да може да коленичи, за да говори с дете, да подаде чаша, без да разлее, или да се движи в хола, без да събори лампа.
Ако създавате хуманоиден робот и се нуждаете от части за свързване, които балансират производителност, безопасност и ергономичност, свържете се с нас, за да поговорим за вашия проект. Ние можем да ви помогнем да изберете правилните компоненти, независимо дали имате нужда от стандартни модулни съединения или такива, проектирани по поръчка за вашия конкретен случай на употреба. Ние работим с всички - от екипи любители до индустриални партньори, така че нито един проект не е твърде голям или твърде малък.
Референции
- Международна организация по стандартизация (ISO). „Роботи и роботизирани устройства — Изисквания за безопасност за хуманоидни роботи“ ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. and Potkonjak, V. „Humanoid Robots: Basics of Modeling and Control“ Springer, 2013.
- Ryu, J. и Kim, W. „Контрол на силата за безопасно взаимодействие човек-робот: преглед“ IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, бр. 3, 2016, стр. 515-533.
- Zhang, L. et al. „Ергономичен дизайн на ставите на хуманоидни роботи за приложения за домашна помощ“ Доклади от 2020 г. на Международната конференция на IEEE по роботика и автоматизация (ICRA), 2020 г., стр. 5678-5684.
