Hej, chłopaki, jeśli kiedykolwiek zastanawialiście się, dlaczego humanoidalne roboty nie czują się jak niezdarne, niezręczne maszyny poruszające się w przestrzeniach przeznaczonych dla ludzi, przyjrzyjmy się jednemu z najbardziej niedocenianych bohaterów tego płynnego ruchu: ich wspólnym częściom. Jako dostawca elementów przegubów robotów humanoidalnych codziennie rozmawiam z konstruktorami robotów, hobbystami i inżynierami, którzy skupiają się na zaawansowanych technologicznie serwach lub fantazyjnych mózgach AI, a śpią na maleńkich, ergonomicznych elementach, dzięki którym całość działa z ludźmi (a nie przeciwko) ludziom. Przejdźmy do sedna tego, jak te połączenia kształtują użyteczność robota, bezpieczeństwo i ogólną atmosferę, bez dusznego, podręcznikowego żargonu, obiecuję.
Po pierwsze, jakie są „aspekty ergonomiczne” przegubów robota? Dla humanoida oznacza to, że każdy staw (ramiona, łokcie, nadgarstki, biodra, kolana, kostki) musi naśladować sposób poruszania się ludzkiego ciała, ale jednocześnie zapewniać bezpieczeństwo w interakcji. Pomyśl o tym: jeśli staw łokciowy robota wystaje pod dziwnym kątem lub jest wystarczająco ostry, aby zadrapać rysunek dziecka, jest to problem. Jeśli staw kolanowy nagle się zablokuje, gdy ktoś będzie się na nim opierał o pomoc, istnieje ryzyko. Ergonomia nie polega tutaj tylko na tym, aby robot „wyglądał” na człowieka — chodzi o zaprojektowanie części, które współpracują z przestrzenią człowieka, a nie przeciwko niej.
Zacznijmy od zakresu ruchu, bo to pierwszy sprawdzian ergonomii. Każdy staw u człowieka ma określony zakres ruchu: nasze ramiona obracają się o 360 stopni (no prawie), łokcie zginają się o 180, kolana zginają się tylko w jedną stronę, prawda? Stawy robota humanoidalnego muszą do tego pasować, ale nie mogą przekraczać granic — zbyt duży zasięg powoduje chwiejne i niestabilne ruchy. Klient, który zbudował robota do opieki nad osobami starszymi, powiedział mi, że jego oryginalne stawy kolanowe zginały się tylko pod kątem 90 stopni, a kiedy próbowali zaprogramować go tak, aby klękał na tej samej wysokości, co siedzący senior, nie udało się. W tym miejscu pojawia się właściwy projekt złącza. Nie sprzedajemy tylko gotowych części; współpracujemy z konstruktorami, aby dostosować limity zasięgu, aby robot nie przekraczał limitów ani nie osiągał gorszych wyników. Na przykład nasze stawy barkowe mają wbudowane ograniczniki momentu obrotowego, które zatrzymują obrót, zanim osiągną maksimum podobne do ludzkiego, co zapobiega zarówno uszkodzeniu stawu, jak i przypadkowym uderzeniom osób w pobliżu.
Następnie należy uwzględnić czułość na siłę — ma to ogromne znaczenie ze względu na bezpieczeństwo, które jest podstawą ergonomii, gdy roboty znajdują się w pobliżu ludzi. Ludzka skóra może odczuwać nacisk, więc nasze ciała automatycznie dostosowują siłę, jakiej używamy, gdy dotykamy szklanki lub kogoś przytulamy. Roboty potrzebują tego samego zmysłu, ale ich stawy muszą przełożyć to na ruch, który jest delikatny, a nie sztywny. Załóżmy, że humanoid podaje książkę dziecku: jeśli jego staw łokciowy nie ma czujników siły, może ścisnąć książkę zbyt mocno lub machać ramieniem na tyle szybko, aby przewrócić lampę. Nasze części przegubowe integrują niskoprofilowe czujniki momentu obrotowego i siły bezpośrednio w osi przegubu, dzięki czemu robot może regulować swój ruch w czasie rzeczywistym. Widzieliśmy, że to się opłaca w przypadku małych humanoidalnych robotów do celów edukacyjnych, gdzie dzieci je podnoszą i poruszają ramionami, wykonując ćwiczenia z kodowania — nikomu nigdy nie stała się krzywda, ponieważ staw przestał się poruszać pod wpływem ludzkiego dotyku.
Do tego dochodzi fizyczne dopasowanie samego stawu, bo bądźmy szczerzy – nikt nie chce nieporęcznego robota, który zajmuje dwa razy więcej miejsca niż człowiek. Ergonomia oznacza tutaj kompaktowe, opływowe przeguby, które mieszczą się w ramie humanoida, dzięki czemu może on poruszać się po drzwiach, siedzieć na kanapie lub sięgać do półki tak jak zrobiłby to człowiek. Dużą część tego stanowią materiały, których używamy. Czekaj, być może pomyślisz „materiały? To kwestia robotyki, a nie ergonomii” – ale wysłuchaj mnie. Jeśli złącze jest wykonane z taniego, ciężkiego metalu, powoduje to, że cały robot jest bardzo ciężki, co zaburza równowagę i utrudnia poruszanie się. Dlatego współpracujemy z konstruktorami, aby wybrać odpowiednie materiały, w zależności od ich zastosowania. Na przykład roboty przeznaczone do pracy w ciasnych przestrzeniach handlowych korzystają z lżejszych i trwałych części — zalecamy nawet połączenie naszych przegubów z lekkimi elementami konstrukcyjnymi, takimi jak łączniki ramienia robota maszyny CNC, które utrzymują smukłą konstrukcję bez utraty wytrzymałości. W przypadku robotów, które muszą podnosić cięższe przedmioty w celach logistycznych (ale nadal pracują z pracownikami magazynu), używamy przegubów ze stali stopowej o wysokim momencie obrotowym, ale łączymy je z lżejszymi, elastycznymi osłonami, takimi jak plastikowa obudowa robota, aby złagodzić krawędzie. A skoro już o tym mowa, te osłony służą nie tylko wyglądowi — zaokrąglone, nieostre krawędzie na złączach oznaczają mniejsze ryzyko przypadkowych skaleczeń, co jest czysto ergonomiczną konstrukcją.
Chcę także porozmawiać o modułowości, która jest dużą ergonomiczną korzyścią zarówno dla konstruktorów, jak i użytkowników końcowych. Jak? Jeśli pęknie złącze, nie musisz wymieniać całego robota — wystarczy wymienić wadliwą część. Jest to nie tylko wygodne w przypadku napraw; pozwala konstruktorom dostosowywać projekt robota na bieżąco. Na przykład uniwersytecki zespół robotyki może zacząć od podstawowego stawu kolanowego, a później ulepszyć go do biegania (może wymienić nasz modułowy staw kolanowy o wyższym momencie obrotowym bez konieczności przebudowy całego zespołu nogi). Modułowość ułatwia także kalibrację ruchów robota, co gwarantuje, że każdy staw działa zsynchronizowany, jak u prawdziwego człowieka. Widzieliśmy, że zespoły oszczędzają miesiące czasu na testowaniu, ponieważ nasze złącza modułowe podłącza się do standardowych koncentratorów akcesoriów robotów, dzięki czemu nie muszą okablować wszystkiego od zera.
Poczekaj, porozmawiajmy poważnie o typowych błędach, które widzę. Wielu nowych konstruktorów robotów skupia się na specyfikacjach: maksymalnym momencie obrotowym, prędkości i cenie, nie myśląc o tym, jak przegub współdziała z całym systemem humanoidalnym. Na przykład przegub, który doskonale nadaje się do podnoszenia ciężkich przedmiotów, może wibrować tak bardzo, że głowa robota (wyposażona w czujniki nawigacyjne) będzie się trząść, co utrudni robotowi rozpoznanie ludzkiej twarzy lub poruszanie się po pomieszczeniu. To porażka ergonomiczna, ponieważ nawet jeśli ruchy robota są mocne, nie może on płynnie wchodzić w interakcję z otoczeniem. Nasze przeguby mają wbudowany system tłumienia drgań, dzięki czemu nie zakłócają innych układów robota. Kolejny błąd? Ignorowanie rozkładu masy. Jeśli stawy biodrowe robota są zbyt ciężkie, musi on pracować wyjątkowo ciężko, aby tylko stać, co wyczerpuje żywotność baterii i powoduje, że porusza się powoli. Pomagamy budowniczym zrównoważyć ciężar stawów na całym ciele, tak aby każda część współpracowała z innymi, a nie przeciwko nim.
A w przypadku robotów wchodzących w interakcję z osobami bezbronnymi – takimi jak osoby starsze czy dzieci – istnieje dodatkowa warstwa ergonomii: dostępność. Humanoid zaprojektowany, aby pomóc osobie poruszającej się na wózku inwalidzkim, musi dosięgnąć podłokietników, zabrać przekąski z niskiego stołu i poruszać się na tyle powoli, aby osoba o ograniczonej sprawności ruchowej mogła dotrzymać mu kroku. Oznacza to, że jego stawy nie mogą poruszać się zbyt szybko, muszą być precyzyjne i mieścić się w ramie, która nie czyni ich zbyt wysokimi ani krótkimi. Nasze niestandardowe zestawy przegubów pozwalają konstruktorom dostosować zakres ruchu i ustawienia prędkości, dzięki czemu mogą dostosować robota do konkretnych zastosowań. Współpracowaliśmy z małym zespołem, który zbudował robota towarzyszącego dla osób starszych z demencją — dostosował staw nadgarstka tak, aby podczas podawania pigułki poruszał się powoli i delikatnie, a staw łokciowy tak, aby zatrzymywał się w przypadku słabego chwytu, co zapobiega upuszczaniu rzeczy przez seniora.
Porozmawiajmy jeszcze raz o materiałach, ponieważ to wiąże się ze wszystkim. Nie używamy tylko jednego materiału do wszystkich połączeń – dopasowujemy go do zadania. Na przykład stawy barkowe, które często się poruszają i są obciążone, muszą być trwałe, dlatego używamy wysokiej jakości stali stopowej. W przypadku stawów w podudziach, które są obciążone podczas chodzenia, stosujemy mieszankę aluminium i lekkich materiałów kompozytowych, aby utrzymać niską wagę i wytrzymać siłę. Zawsze kierujemy konstruktorów do naszych stron poświęconych aluminiowym podwoziom robota i metalowym częściom robotów ze stali nierdzewnej, gdzie znajdują się podpory konstrukcyjne, które uzupełniają nasze stawy — na przykład przegub kolanowy w połączeniu z solidną ramą sprawia, że cała noga jest stabilniejsza i pozbawiona chwiejnych ruchów. W przypadku części zewnętrznych mających kontakt z ludźmi, takich jak osłony stawów, używamy bezpiecznych dla żywności, niedrażniących tworzyw sztucznych, które nie rysują skóry, co jest kluczowe w przypadku robotów wchodzących w interakcję z dziećmi lub osobami w placówkach opieki zdrowotnej.
Czekaj, odpowiedzmy na pytanie, które ciągle dostaję: „Jaka jest różnica między zwykłym przegubem robota a ergonomicznym przegubem humanoidalnym?” W fabrykach zwykły przegub robota jest budowany z myślą o szybkości, precyzji i podnoszeniu ciężkich przedmiotów — nie przejmują się, jeśli uderzą pracownika, ponieważ fabryki mają klatki bezpieczeństwa. Humanoidalne stawy? Muszą zrównoważyć precyzję z bezpieczeństwem, zakres ruchu ze stabilnością i siłę z wagą. Dlatego też każda część złącza musi być zaprojektowana z myślą o interakcjach międzyludzkich. Nawet drobne szczegóły, takie jak płynność obracania się przegubu — brak zgrzytania i gwałtownych ruchów — sprawiają, że robot czuje się bardziej naturalnie, jak prawdziwa osoba. Nikt nie chce uścisnąć dłoni robotowi, który porusza się jak zepsuta zabawka; ergonomiczne przeguby sprawiają, że interakcja jest płynna.
Wiem, że wielu konstruktorów robotów koncentruje się na rozwijaniu technologii, ale czasami najważniejsze innowacje sprawiają, że roboty pracują dla ludzi, a nie tylko samodzielnie. Następnym razem, gdy zobaczysz humanoidalnego robota, który działa intuicyjnie, który nie wydaje się straszny ani niezgrabny, przyjrzyj się bliżej — prawdopodobnie jego stawy zostały zaprojektowane zgodnie z zasadami ergonomii, o których mówię. To nie tylko kawałki metalu i plastiku; dzięki nim robot może uklęknąć, aby porozmawiać z dzieckiem, podać kubek bez rozlewania lub poruszać się po salonie bez przewracania lampy.
Jeśli budujesz robota humanoidalnego i potrzebujesz części łączących, które równoważą wydajność, bezpieczeństwo i ergonomię, skontaktuj się z nami, aby porozmawiać o swoim projekcie. Pomożemy Ci wybrać odpowiednie komponenty, niezależnie od tego, czy potrzebujesz standardowych złączy modułowych, czy też specjalnie zaprojektowanych do konkretnego przypadku zastosowania. Współpracujemy ze wszystkimi, od zespołów hobbystycznych po partnerów przemysłowych, więc żaden projekt nie jest za duży ani za mały.
Referencje
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO). „Roboty i urządzenia robotyczne – wymagania bezpieczeństwa dla robotów humanoidalnych” ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. i Potkonjak, V. „Roboty humanoidalne: podstawy modelowania i sterowania” Springer, 2013.
- Ryu, J. i Kim, W. „Kontrola siły dla bezpiecznej interakcji człowiek-robot: przegląd” IEEE Transactions on Robotics, tom. 32, nie. 3, 2016, s. 515-533.
- Zhang, L. i in. „Ergonomic Design of Humanoid Robot Joints for Home Assistance Applications” – materiały z Międzynarodowej Konferencji IEEE 2020 na temat Robotyki i Automatyki (ICRA), 2020, s. 5678-5684.
