Hej, chlapci, ak ste sa niekedy čudovali, prečo sa humanoidné roboty necítia ako neohrabané, nemotorné stroje, ktoré sa potácajú po priestoroch vytvorených pre ľudí, poďme rozobrať jedného z najneospevovanejších hrdinov tohto plynulého pohybu: ich kĺbové časti. Ako dodávateľ komponentov kĺbov humanoidných robotov sa každý deň rozprávam s konštruktérmi robotov, nadšencami a inžiniermi, ktorí sa zameriavajú na špičkové servá alebo umelo vytvorené mozgy – a spia na malých, ergonomických kúskoch, vďaka ktorým celá vec funguje s (nie proti) ľuďom. Poďme sa pustiť do toho, ako tieto kĺby formujú použiteľnosť, bezpečnosť a celkovú atmosféru robota, žiadny upchatý učebnicový žargón, sľub.
Po prvé, aké sú „ergonomické aspekty“ kĺbov robotov? Pre humanoida to znamená, že každý jeden kĺb (ramená, lakte, zápästia, boky, kolená, členky) musí napodobňovať pohyb ľudského tela, no zároveň musí byť bezpečný pri interakcii. Premýšľajte o tom: ak lakťový kĺb robota vyčnieva v podivných uhloch alebo je dostatočne ostrý na to, aby zoškrabal detskú kresbu, je to problém. Ak sa jeho kolenný kĺb náhle zablokuje, keď sa oň niekto opiera o pomoc, je to riziko. Ergonómia tu nie je len o tom, aby robot „vyzeral“ ako človek – je to o navrhovaní častí, ktoré pracujú s ľudskými priestormi, nie proti nim.
Začnime rozsahom pohybu, pretože to je prvá ergonomická kontrola. Ľudia majú určitý rozsah pohybu pre každý kĺb: naše ramená sa otáčajú o 360 stupňov (teda takmer), lakte sa ohýbajú o 180, kolená sa ohýbajú iba jedným smerom, však? Kĺby humanoidných robotov tomu musia zodpovedať, ale nesmú to preháňať – príliš veľký dosah a vratký a nestabilný pohyb. Mal som klienta, ktorý zostrojil robota pre starostlivosť o starších, povedal mi, že jeho pôvodné kolenné kĺby sú ohnuté iba o 90 stupňov, a keď sa ho pokúsili naprogramovať tak, aby si kľakol v rovnakej výške ako sediaci senior, nepodarilo sa to. Tu prichádza na rad ten správny dizajn spoja. Nepredávame len bežné diely; pracujeme s konštruktérmi na vyladení limitov dosahu, aby robot neprestrelil alebo nedosiahol nižší výkon. Napríklad naše ramenné kĺby majú zabudované obmedzovače krútiaceho momentu, ktoré zastavia rotáciu skôr, než dosiahnu maximum podobné ľudskému, čo zabraňuje poškodeniu kĺbu a náhodným nárazom ľudí v blízkosti.
Ďalej je to citlivosť na silu – tá je obrovská pre bezpečnosť, ktorá je základom ergonómie, keď sú roboty okolo ľudí. Ľudská pokožka môže cítiť tlak, takže naše telo automaticky prispôsobí, akú silu použijeme, keď sa dotkneme pohára alebo niekoho objíme. Roboty potrebujú rovnaký zmysel, ale ich kĺby to musia premietnuť do pohybu, ktorý je jemný, nie strnulý. Povedzme, že humanoid podáva knihu dieťaťu: ak jeho lakťový kĺb nemá snímače sily, mohol by knihu príliš stlačiť alebo švihnúť rukou dostatočne rýchlo na to, aby prevrátil lampu. Naše kĺbové časti integrujú nízkoprofilové snímače krútiaceho momentu a sily priamo do osi kĺbu, takže robot môže prispôsobiť svoj pohyb v reálnom čase. Videli sme, že sa to vypláca v malých humanoidných robotoch na vzdelávanie, kde ich deti dvíhajú a pohybujú rukami pri kódovacích cvičeniach – nikto sa nikdy nezranil, pretože kĺb sa prestal hýbať, keď zacítil ľudský dotyk.
Potom je tu fyzické prispôsobenie samotného kĺbu, pretože buďme skutoční – nikto nechce objemného robota, ktorý zaberá dvakrát toľko miesta ako človek. Ergonómia tu znamená kompaktné, efektívne kĺby, ktoré zapadajú do rámu humanoida, takže sa môže pohybovať dverami, sedieť na gauči alebo dosiahnuť policu ako človek. Veľkú časť z toho tvoria materiály, ktoré používame. Počkajte, možno si myslíte "materiály? To je robotika, nie ergonómia" - ale vypočujte si ma. Ak je kĺb vyrobený z lacného ťažkého kovu, celý robot je nanajvýš ťažký, čo narúša rovnováhu a sťažuje pohyb. Preto spolupracujeme so staviteľmi pri výbere správnych materiálov v závislosti od ich použitia. Napríklad roboty určené na prácu v stiesnených predajných priestoroch ťažia z ľahších a odolných dielov – dokonca odporúčame spárovať naše kĺbové zostavy s ľahkými konštrukčnými prvkami, ako sú spojky ramena robota CNC stroja, ktoré udržujú celé zariadenie štíhle bez obetovania sily. Pre roboty, ktoré potrebujú zdvíhať ťažšie predmety pre logistiku (ale stále pracujú okolo skladníkov), používame spoje z oceľovej zliatiny s vysokým krútiacim momentom, ale spárujeme ich s ľahšími, flexibilnými krytmi, ako je plastová škrupina robota na zmäkčenie hrán. Keď už hovoríme o tom, tieto kryty nie sú len na vzhľad – zaoblené, neostré hrany na spojoch znamenajú menšie riziko náhodného porezania, čo je čistý ergonomický dizajn.
Chcem tiež hovoriť o modularite, ktorá je veľkou ergonomickou výhrou pre staviteľov aj koncových používateľov. Ako? Ak sa zlomí kĺb, nemusíte vymeniť celý robot – stačí vymeniť chybnú časť. To nie je vhodné len pre opravy; umožňuje staviteľom upravovať dizajn robota za pochodu. Napríklad univerzitný robotický tím môže začať so základným kolenným kĺbom a neskôr ho vylepšiť na beh (môže ho vymeniť za náš modulárny kolenný kĺb s vyšším krútiacim momentom bez prestavby celej zostavy nohy). Modularita tiež uľahčuje kalibráciu pohybov robota, čo zaisťuje, že každý kĺb funguje synchronizovane ako skutočný človek. Videli sme, že tímy ušetrili mesiace času pri testovaní, pretože naše modulárne spoje sa zapájajú do štandardných rozbočovačov príslušenstva pre roboty, takže nemusia zapájať všetko od začiatku.
Počkajte, poďme si povedať o bežných chybách, ktoré vidím. Mnoho nových konštruktérov robotov sa zameriava na špecifikácie: maximálny krútiaci moment, rýchlosť, cenu bez toho, aby premýšľali o tom, ako kĺb interaguje s celým humanoidným systémom. Napríklad kĺb, ktorý je skvelý na zdvíhanie ťažkých vecí, môže tak silno vibrovať, že sa hlava robota (ktorá má senzory na navigáciu) chveje, čo sťažuje robotovi rozpoznanie ľudskej tváre alebo navigáciu v miestnosti. To je ergonomický nedostatok, pretože aj keď sú pohyby robota silné, nedokáže hladko interagovať s prostredím. Naše kĺby sú navrhnuté so zabudovaným tlmením vibrácií, takže nevyhadzujú ostatné systémy robota. Ďalšia chyba? Ignorovanie rozloženia hmotnosti. Ak sú bedrové kĺby robota príliš ťažké, musí pracovať mimoriadne tvrdo, len aby stál, čo vyčerpáva batériu a pomaly sa pohybuje. Pomáhame staviteľom vyrovnávať váhu kĺbov naprieč celým telom, takže každá časť pracuje s ostatnými, nie proti nim.
A pre roboty, ktoré interagujú so zraniteľnými ľuďmi – ako sú starší ľudia alebo deti – je tu ďalšia vrstva ergonómie: dostupnosť. Humanoid navrhnutý tak, aby pomohol niekomu, kto používa invalidný vozík, potrebuje dosiahnuť na lakťové opierky, vziať si občerstvenie z nízkeho stola a pohybovať sa dostatočne pomaly, aby ho udržal niekto s obmedzenou pohyblivosťou. To znamená, že jeho kĺby sa nemôžu pohybovať príliš rýchlo, musia byť presné a musia zapadnúť do rámu, ktorý ich nerobí príliš vysokými alebo krátkymi. Naše vlastné súpravy kĺbov umožňujú staviteľom upraviť rozsah nastavení pohybu a rýchlosti, aby mohli prispôsobiť robota konkrétnym prípadom použitia. Spolupracovali sme s malým tímom, ktorý vytvoril sprievodného robota pre starších dospelých s demenciou – upravili zápästný kĺb tak, aby sa pri podávaní tabletky pohyboval pomaly a jemne, a lakťový kĺb, aby sa prestal hýbať, ak cíti slabý úchop, čo bráni seniorovi zhodiť veci.
Teraz sa bavme znova o materiáloch, pretože to súvisí so všetkým. Nepoužívame len jeden materiál na všetky spoje – prispôsobujeme ho danej úlohe. Napríklad ramenné kĺby, ktoré sa veľa pohybujú a sú namáhané, musia byť odolné, preto používame vysokokvalitnú legovanú oceľ. Pre kĺby na dolných končatinách, ktoré majú pri chôdzi vplyv, používame zmes hliníka a ľahkých kompozitných materiálov, aby sme udržali nízku hmotnosť a zároveň vydržali silu. Konštruktérov vždy odkazujeme na naše stránky Hliníkový podvozok robota a Kovové diely robota z nehrdzavejúcej ocele, kde nájdete štrukturálne podpery, ktoré dopĺňajú naše kĺby – ako napríklad kolenný kĺb spojený s robustným podvozkom robí celú nohu stabilnejšou, bez kolísavého pohybu. A pre vonkajšie časti, ktoré prichádzajú do kontaktu s ľuďmi, ako sú kryty kĺbov, používame potravinárske bezpečné, nedráždivé plasty, ktoré nepoškriabajú pokožku, čo je kľúčové pre roboty, ktoré komunikujú s deťmi alebo ľuďmi v zdravotníckych zariadeniach.
Počkajte, poďme sa zaoberať otázkou, ktorú dostávam neustále: „Aký je rozdiel medzi bežným kĺbom robota a ergonomickým humanoidným kĺbom? Bežný robotický kĺb je skonštruovaný pre rýchlosť, presnosť a zdvíhanie ťažkých bremien v továrňach – je im jedno, či zrazia pracovníka, pretože továrne majú bezpečnostné klietky. Humanoidné kĺby? Musia vyvážiť presnosť s bezpečnosťou, rozsah pohybu so stabilitou a silu s hmotnosťou. Preto musí byť každá časť spoja navrhnutá s ohľadom na ľudskú interakciu. Dokonca aj malé detaily, ako napríklad to, ako hladko sa kĺb otáča – žiadne brúsenie, žiadne trhavé pohyby – spôsobujú, že sa robot cíti prirodzenejšie, ako skutočný človek. Nikto si nechce podať ruku s robotom, ktorý sa pohybuje ako rozbitá hračka; vďaka ergonomickým kĺbom je interakcia bezproblémová.
Viem, že veľa konštruktérov robotov sa zameriava na posúvanie technológií vpred, ale niekedy sú najdôležitejšie inovácie tie, vďaka ktorým roboty pracujú pre ľudí, nielen sami. Keď nabudúce uvidíte humanoidného robota, ktorý sa cíti intuitívne, ktorý sa necíti strašidelne ani neohrabane, pozrite sa bližšie – je pravdepodobné, že jeho kĺby sú navrhnuté podľa tých ergonomických princípov, o ktorých hovorím. Nie sú to len kovové a plastové kúsky; sú dôvodom, prečo si robot môže kľaknúť, aby sa porozprával s dieťaťom, podať pohár bez rozliatia alebo sa pohybovať v obývačke bez toho, aby zhodil lampu.
Ak staviate humanoidného robota a potrebujete kĺbové diely, ktoré vyvažujú výkon, bezpečnosť a ergonómiu, kontaktujte nás a porozprávajte sa o svojom projekte. Môžeme vám pomôcť vybrať tie správne komponenty, či už potrebujete štandardné modulárne spoje alebo spoje navrhnuté na mieru pre váš konkrétny prípad použitia. Spolupracujeme so všetkými od amatérskych tímov až po priemyselných partnerov, takže žiadny projekt nie je príliš veľký alebo príliš malý.
Referencie
- Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO). „Roboty a robotické zariadenia – bezpečnostné požiadavky na humanoidné roboty“ ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. a Potkonjak, V. „Humanoidné roboty: Základy modelovania a riadenia“ Springer, 2013.
- Ryu, J. a Kim, W. "Force Control for Safe Human-Robot Interaction: A Review" IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, č. 3, 2016, s. 515-533.
- Zhang, L. a kol. „Ergonomický dizajn kĺbov humanoidných robotov pre aplikácie domácej asistencie“ Zborník z medzinárodnej konferencie IEEE 2020 o robotike a automatizácii (ICRA), 2020, s. 5678-5684.
