Hej ljudi, ako ste se ikad pitali zašto se humanoidni roboti ne osjećaju kao nezgrapni, nespretni strojevi koji teturaju po prostorima stvorenim za ljude, hajde da raščlanimo jednog od najneopjevanijih heroja tog glatkog pokreta: njihove zglobne dijelove. Kao dobavljač komponenti zglobova humanoidnih robota, svaki dan razgovaram s graditeljima robota, hobistima i inženjerima koji se fokusiraju na visokotehnološke servo uređaje ili otmjene AI mozgove — i spavaju na sićušnim, ergonomskim dijelovima koji omogućuju da cijela stvar radi s (a ne protiv) ljudi. Uđimo u potankosti načina na koji ovi spojevi oblikuju upotrebljivost, sigurnost i opću atmosferu robota, bez zagušljivog udžbeničkog žargona, obećanje.
Kao prvo, što su uopće "ergonomski aspekti" robotskih zglobova? Za humanoida to znači da svaki pojedini zglob (ramena, laktovi, zapešća, kukovi, koljena, gležnjevi) mora oponašati kako se ljudska tijela kreću, ali i biti siguran za interakciju s njim. Razmislite o tome: ako lakatni zglob robota strši pod čudnim kutovima ili je dovoljno oštar da ostruže dječji crtež, to je problem. Ako mu se zglob koljena iznenada blokira kada se netko na njega nasloni tražeći pomoć, to je opasnost. Ergonomija se ovdje ne odnosi samo na to da robot "izgleda" kao čovjek - radi se o dizajniranju dijelova koji rade s ljudskim prostorima, a ne protiv njih.
Počnimo s rasponom pokreta jer je to prva provjera ergonomije. Ljudi imaju određeni raspon pokreta za svaki zglob: ramena nam se okreću za 360 stupnjeva (dobro, gotovo), laktovi savijeni za 180, koljena samo u jednom smjeru, zar ne? Zglobovi humanoidnog robota moraju odgovarati tome, ali ne smiju pretjerati - preveliki domet i dobit ćete klimavo, nestabilno kretanje. Imao sam klijenta koji je izradio robota za njegu starijih osoba koji mi je rekao da su mu originalni zglobovi koljena bili savijeni samo za 90 stupnjeva, a kada su ga pokušali programirati da klekne na istoj visini kao sjedeća starija osoba, nije mogao. Tu dolazi pravi dizajn zgloba. Ne prodajemo samo gotove dijelove; surađujemo s graditeljima kako bismo podesili ograničenja dometa kako robot ne bi pretjerao ili podbacio. Na primjer, naši rameni zglobovi imaju ugrađene limitatore zakretnog momenta koji zaustavljaju rotaciju prije nego što dostignu maksimum sličan ljudskom, što sprječava oštećenje zgloba i slučajne udarce ljudi u blizini.
Sljedeće, osjetljivost na silu - ovo je ogromno za sigurnost, koja je ključna za ergonomiju kada su roboti u blizini ljudi. Ljudska koža može osjetiti pritisak, pa naše tijelo automatski prilagođava koliko sile koristimo kada dodirnemo čašu ili zagrlimo nekoga. Roboti trebaju isto osjetilo, ali njihovi zglobovi to moraju prevesti u pokret koji je nježan, a ne krut. Recimo da humanoid dodaje knjigu djetetu: ako njegov zglob nema senzore sile, mogao bi previše stisnuti knjigu ili zamahnuti rukom dovoljno brzo da sruši svjetiljku. Naši zglobni dijelovi integriraju niskoprofilne senzore zakretnog momenta i sile izravno u zglobnu os, tako da robot može prilagoditi svoje kretanje u stvarnom vremenu. Vidjeli smo da se to isplatilo u malim humanoidnim robotima za obrazovanje, gdje ih djeca podižu i pomiču rukama za vježbe kodiranja—nitko se nikad nije ozlijedio jer se zglob prestao micati kad osjeti ljudski dodir.
Zatim tu je i fizičko prilagođavanje samog zgloba, jer budimo realni — nitko ne želi glomaznog robota koji zauzima dvostruko više prostora od čovjeka. Ergonomija ovdje znači kompaktne, aerodinamične zglobove koji stanu unutar okvira humanoida, tako da može navigirati kroz vrata, sjediti na kauču ili dosegnuti policu kao što bi to učinila osoba. Veliki dio toga su materijali koje koristimo. Čekaj, možda misliš "materijali? To je stvar robotike, a ne ergonomije"—ali saslušaj me. Ako je zglob napravljen od jeftinog, teškog metala, cijeli robot postaje težak, što gubi ravnotežu i otežava kretanje. Zato surađujemo s graditeljima kako bismo odabrali prave materijale, ovisno o njihovom slučaju uporabe. Na primjer, roboti namijenjeni za rad u tijesnim maloprodajnim prostorima imaju koristi od lakših, izdržljivih dijelova—čak preporučujemo uparivanje naših spojnih sklopova s laganim strukturnim dijelovima kao što su karike CNC stroja za robotske ruke koje drže cijelu opremu tankom bez žrtvovanja snage. Za robote koji trebaju podizati teže predmete za logistiku (ali i dalje rade oko skladišnih radnika), koristimo spojeve od legure čelika visokog zakretnog momenta, ali ih uparujemo s lakšim, fleksibilnim poklopcima kao što je Plastic Robot Shell da omekšaju rubove. Kad smo kod toga, te navlake nisu samo za izgled—zaobljeni, neoštri rubovi na spojevima znače manji rizik od slučajnih posjekotina, što je čisti ergonomski dizajn.
Također želim govoriti o modularnosti, koja je velika ergonomska pobjeda i za graditelje i za krajnje korisnike. Kako? Ako zglob pukne, ne morate zamijeniti cijelog robota—samo zamijenite pokvareni dio. To nije samo zgodno za popravke; omogućuje graditeljima prilagođavanje dizajna robota u hodu. Na primjer, fakultetski robotički tim može započeti s osnovnim zglobom koljena, a zatim ga kasnije nadograditi za trčanje (mogu zamijeniti naš modularni zglob koljena s većim okretnim momentom bez ponovne izrade cijelog sklopa noge). Modularnost također olakšava kalibraciju pokreta robota, što osigurava da svaki zglob radi sinkronizirano, poput pravog čovjeka. Vidjeli smo da timovi štede mjesece vremena na testiranju jer se naši modularni spojevi priključuju na standardna čvorišta Robot Accessories, tako da ne moraju spajati sve od nule.
Čekaj, hajdemo shvatiti uobičajene pogreške koje vidim. Mnogi novi graditelji robota usredotočeni su na specifikacije: maksimalni okretni moment, brzinu, cijenu, ne razmišljajući o tome kako zglob djeluje s cijelim humanoidnim sustavom. Na primjer, zglob koji je izvrstan za dizanje teških tereta mogao bi toliko vibrirati da glava robota (koja ima senzore za navigaciju) bude drhtala, što robotu otežava prepoznavanje ljudskog lica ili kretanje kroz prostoriju. To je ergonomski promašaj jer čak i ako su pokreti robota snažni, on ne može glatko komunicirati sa svojom okolinom. Naši su spojevi dizajnirani s ugrađenim prigušivanjem vibracija, tako da ne odbacuju ostale robotove sustave. Još jedna greška? Zanemarivanje raspodjele težine. Ako su zglobovi kuka robota preteški, mora dodatno raditi da bi stajao, što troši bateriju i tjera ga da se kreće sporije. Pomažemo bilderima da uravnoteže težinu zglobova u cijelom tijelu, tako da svaki dio radi s drugima, a ne protiv njih.
A za robote koji komuniciraju s ranjivim ljudima - poput starijih ili djece - postoji dodatni sloj ergonomije: pristupačnost. Humanoid dizajniran da pomogne nekome tko se koristi invalidskim kolicima treba dohvatiti naslone za ruke, zgrabiti grickalice s niskog stola i kretati se dovoljno polako da ga netko s ograničenom pokretljivošću može pratiti. To znači da se njegovi zglobovi ne mogu kretati prebrzo, moraju biti precizni i stati unutar okvira koji ih ne čini previsokim ili niskim. Naši prilagođeni setovi zglobova omogućuju graditeljima prilagodbu raspona pokreta i postavki brzine, tako da mogu prilagoditi robota određenim slučajevima uporabe. Radili smo s malim timom koji je izradio robota pratitelja za starije osobe s demencijom—prilagodili su zglob zgloba da se pomiče polako i nježno kada daje tabletu, a zglob lakta da se prestane pomicati ako osjeti slab stisak, što sprječava starije osobe da ispuštaju stvari.
Sada, razgovarajmo opet o materijalima, jer to je povezano sa svime. Ne koristimo samo jedan materijal za sve spojeve — prilagođavamo ga poslu. Na primjer, rameni zglobovi, koji se puno pomiču i pod opterećenjem, moraju biti izdržljivi, stoga koristimo visokokvalitetni legirani čelik. Za zglobove na potkoljenicama, koji podnose udarce prilikom hodanja, koristimo mješavinu aluminija i laganih kompozitnih materijala kako bismo održali malu težinu, a izdržali silu. Graditelje uvijek upućujemo na naše stranice s aluminijskim kućištima robota i metalnim dijelovima robota od nehrđajućeg čelika za strukturalne potpore koje nadopunjuju naše zglobove—kao što je zglob koljena uparen s robusnom šasijom cijelu nogu čini stabilnijom, bez klimavih pokreta. A za vanjske dijelove koji dolaze u dodir s ljudima, poput poklopaca za zglobove, koristimo plastiku koja je sigurna za hranu, ne iritira kožu i ne grebe kožu, što je ključno za robote koji komuniciraju s djecom ili ljudima u zdravstvenim ustanovama.
Čekaj, pozabavimo se pitanjem koje stalno dobivam: "Koja je razlika između običnog robotskog zgloba i ergonomskog humanoidnog zgloba?" Uobičajeni zglob robota izgrađen je za brzinu, preciznost i podizanje tereta u tvornicama—nije ih briga hoće li udariti radnika, jer tvornice imaju sigurnosne kaveze. Humanoidni zglobovi? Moraju uravnotežiti preciznost sa sigurnošću, raspon pokreta sa stabilnošću i snagu s težinom. Zato svaki dio zgloba mora biti dizajniran imajući na umu ljudsku interakciju. Čak i mali detalji, kao što je to kako se zglob glatko okreće - bez brušenja, bez trzaja - čine da se robot osjeća prirodnije, poput prave osobe. Nitko se ne želi rukovati s robotom koji se kreće poput pokvarene igračke; ergonomski spojevi čine tu interakciju besprijekornom.
Znam da su mnogi proizvođači robota usredotočeni na napredovanje tehnologije, ali ponekad su najvažnije inovacije one koje čine da roboti rade za ljude, a ne samo za sebe. Sljedeći put kad vidite humanoidnog robota koji se čini intuitivnim, koji se ne čini zastrašujućim ili nezgrapnim, bolje ga pogledajte – velike su šanse da su njegovi zglobovi dizajnirani prema tim ergonomskim načelima o kojima govorim. Nisu samo metalni i plastični dijelovi; oni su razlog zašto robot može kleknuti kako bi razgovarao s djetetom, dodati šalicu bez prolijevanja ili se kretati dnevnom sobom bez prevrnuća svjetiljke.
Ako gradite humanoidnog robota i trebate spojne dijelove koji uravnotežuju performanse, sigurnost i ergonomiju, kontaktirajte nas da razgovaramo o vašem projektu. Možemo vam pomoći da odaberete prave komponente, bez obzira trebate li standardne modularne spojeve ili one prilagođene za vaš specifični slučaj upotrebe. Radimo sa svima, od timova hobista do industrijskih partnera, tako da nijedan projekt nije prevelik ili premalen.
Reference
- Međunarodna organizacija za standardizaciju (ISO). "Roboti i robotski uređaji—Sigurnosni zahtjevi za humanoidne robote" ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. i Potkonjak, V. "Humanoidni roboti: osnove modeliranja i upravljanja" Springer, 2013.
- Ryu, J. i Kim, W. "Kontrola sile za sigurnu interakciju čovjeka i robota: pregled" IEEE Transactions on Robotics, sv. 32, br. 3, 2016, str. 515-533.
- Zhang, L. i sur. "Ergonomski dizajn zglobova humanoidnih robota za aplikacije pomoći u kući" Zbornik radova 2020. IEEE Međunarodne konferencije o robotici i automatizaciji (ICRA), 2020., str. 5678-5684.
