Hej ljudi, ako ste se ikada zapitali zašto se humanoidni roboti ne osjećaju kao nezgrapne, nezgodne mašine koje teturaju po prostorima napravljenim za ljude, hajde da razložimo jednog od najneopjevanijih heroja tog glatkog pokreta: njihove zglobne dijelove. Kao dobavljač zglobnih komponenti humanoidnih robota, svaki dan razgovaram sa konstruktorima robota, hobistima i inženjerima koji se fiksiraju na visokotehnološke servo ili otmjene AI mozgove – i spavaju na sitnim, ergonomskim dijelovima koji čine da cijela stvar funkcionira s (ne protiv) ljudima. Uđimo u detalje kako ovi zglobovi oblikuju robotsku upotrebljivost, sigurnost i ukupnu vibraciju, bez zagušljivog udžbeničkog žargona, obećavam.
Prvo, šta su uopće "ergonomski aspekti" zglobova robota? Za humanoida, to znači da svaki pojedini zglob (ramena, laktovi, ručni zglobovi, kukovi, koljena, gležnjevi) mora oponašati kretanje ljudskih tijela, ali i biti siguran za interakciju. Razmislite o tome: ako robotov lakat strši pod čudnim uglovima ili je dovoljno oštar da struže dječji crtež, to je problem. Ako mu se zglob koljena iznenada blokira kada se neko osloni na njega tražeći pomoć, to je opasnost. Ergonomija se ovdje ne svodi 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 ergonomska provjera. Ljudi imaju određeni opseg pokreta za svaki zglob: naša ramena se rotiraju za 360 stepeni (pa, skoro), naši laktovi se savijaju za 180, koljena se savijaju samo u jednom pravcu, zar ne? Zglobovi humanoidnih robota moraju odgovarati tome, ali ne pretjerajte – prevelik domet i vi ćete dobiti klimavo, nestabilno kretanje. Imao sam klijenta koji je napravio robota za negu starijih, rekao mi je da su njihovi originalni zglobovi kolena savijeni samo za 90 stepeni, a kada su pokušali da ga programiraju da kleči na istoj visini kao stariji stariji, to nije moglo. Tu dolazi do pravog dizajna spojeva. Mi ne prodajemo samo gotove dijelove; radimo sa graditeljima kako bismo podesili granice dometa kako robot ne bi prešao ili podbacio. Na primjer, naši rameni zglobovi imaju ugrađene limitatore zakretnog momenta koji zaustavljaju rotaciju prije nego što dostignu maksimum poput čovjeka, što sprječava oštećenje zgloba i slučajne udarce ljudima u blizini.
Sljedeće, osjetljivost na silu – ovo je ogromno za sigurnost, koja je ključna za ergonomiju kada su roboti oko ljudi. Ljudska koža može osjetiti pritisak, tako da naša tijela automatski prilagođavaju koliko sile koristimo kada dodirnemo čašu ili nekoga zagrlimo. Roboti trebaju isti osjećaj, ali njihovi zglobovi to moraju prevesti u pokret koji je nježan, a ne krut. Recimo da humanoid djetetu daje knjigu: ako njegov zglob lakta nema senzore sile, mogao bi previše čvrsto stisnuti knjigu ili zamahnuti rukom dovoljno brzo da prevrne lampu. Naši zglobni dijelovi integriraju niskoprofilne senzore momenta i sile direktno u os zgloba, tako da robot može prilagoditi svoje kretanje u realnom vremenu. Vidjeli smo da se to isplati u malim humanoidnim robotima za obrazovanje, gdje ih djeca podižu i pomiču rukama za vježbe kodiranja – niko nikada nije stradao jer je zglob prestao da se kreće kada je osjetio ljudski dodir.
Zatim, tu je i fizička usklađenost samog zgloba, jer budimo realni – niko ne želi glomaznog robota koji zauzima dvostruko više prostora od čovjeka. Ergonomija ovdje znači kompaktne, aerodinamične zglobove koji se uklapaju u okvir humanoida, tako da se može kretati kroz vrata, sjediti na kauču ili doći do police kao što bi to činila osoba. Veliki dio toga su materijali koje koristimo. Čekajte, možda mislite "materijali? To je stvar robotike, a ne ergonomije"—ali saslušajte me. Ako je zglob napravljen od jeftinog, teškog metala, cijeli robot postaje težak, što dovodi do poremećaja ravnoteže i otežava kretanje. Zato radimo sa graditeljima kako bismo odabrali prave materijale, ovisno o njihovom slučaju upotrebe. Na primjer, roboti namijenjeni za rad u skučenim maloprodajnim prostorima imaju koristi od lakših, izdržljivih dijelova — čak preporučujemo uparivanje naših spojnih sklopova s laganim strukturnim dijelovima kao što su veze CNC mašina robota koji drže cijelu opremu vitkom 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 okretnog momenta, ali ih uparujemo s lakšim, fleksibilnim poklopcima kao što je Plastic Robot Shell za omekšavanje rubova. Kad smo kod toga, ove navlake nisu samo za izgled – zaobljene, neoštre ivice na spojevima znače manji rizik od slučajnih posjekotina, što je čisti ergonomski dizajn.
Takođe želim da pričam o modularnosti, što je velika ergonomska pobeda i za graditelje i za krajnje korisnike. Kako? Ako dođe do loma zgloba, ne morate zamijeniti cijelog robota – samo zamijenite neispravan dio. To nije zgodno samo za popravke; omogućava graditeljima da prilagode dizajn robota u hodu. Na primjer, tim za robotiku na fakultetu može početi s osnovnim zglobom koljena, a zatim ga kasnije nadograditi za trčanje (mogu zamijeniti naš modularni zglob koljena sa većim momentom bez obnavljanja cijelog sklopa nogu). Modularnost također olakšava kalibraciju pokreta robota, što osigurava da svaki zglob radi sinkronizirano, kao pravi čovjek. Vidjeli smo da timovi štede mjesece vremena na testiranju jer se naši modularni spojevi spajaju u standardna čvorišta dodatne opreme za robote, tako da ne moraju sve spajati ispočetka.
Čekaj, hajde da shvatimo uobičajene greške koje vidim. Mnogi novi proizvođači robota fokusiraju se na specifikacije: maksimalni obrtni moment, brzinu, cijenu, bez razmišljanja o tome kako zglob stupa u interakciju s cijelim humanoidnim sistemom. Na primjer, zglob koji je odličan za podizanje teških tereta može toliko vibrirati da se glava robota (koja ima senzore za navigaciju) zatrese, što otežava robotu da prepozna ljudsko lice ili da se kreće po prostoriji. To je ergonomski nedostatak jer čak i ako su pokreti robota snažni, on ne može glatko komunicirati sa svojim okruženjem. Naši zglobovi su dizajnirani sa ugrađenim prigušivačem vibracija, tako da ne odbacuju druge sisteme robota. Još jedna greška? Zanemarivanje raspodjele težine. Ako su zglobovi kuka robota preteški, on mora dodatno raditi samo da bi stajao, što troši bateriju i čini da se kreće sporo. Pomažemo graditeljima da izbalansiraju težinu zglobova po cijelom tijelu, tako da svaki dio radi s drugima, a ne protiv njih.
A za robote koji komuniciraju sa ranjivim ljudima – poput starijih ili djece – postoji dodatni sloj ergonomije: pristupačnost. Humanoid dizajniran da pomogne nekome ko koristi invalidska kolica treba da dohvati naslone za ruke, zgrabi grickalice s niskog stola i da se kreće dovoljno sporo da neko sa ograničenom pokretljivošću može pratiti korak. To znači da se njegovi zglobovi ne mogu kretati prebrzo, moraju biti precizni i uklapati se u okvir koji ih ne čini previsokim ili niskim. Naši prilagođeni setovi zglobova omogućavaju graditeljima da prilagode raspon pokreta i postavki brzine, tako da mogu prilagoditi robota specifičnim slučajevima upotrebe. Radili smo s malim timom koji je napravio robota pratioca za starije odrasle osobe s demencijom – prilagodili su zglob ručnog zgloba da se kreće polako i nježno kada predaju tabletu, a zglob lakta da se prestane pomicati ako osjeti slab stisak, što sprječava starijeg da ispusti stvari.
Sada, hajde da ponovo razgovaramo o materijalima, jer se to povezuje sa svime. Ne koristimo samo jedan materijal za sve spojeve – mi ga prilagođavamo poslu. Na primjer, rameni zglobovi, koji se mnogo pokreću i opterećuju, moraju biti izdržljivi, pa koristimo legirani čelik visokog kvaliteta. Za zglobove na potkoljenicama, koji imaju utjecaj pri hodanju, koristimo mješavinu aluminija i laganih kompozitnih materijala kako bismo održali nisku težinu, a izdržali silu. Uvek upućujemo graditelje na naše stranice Aluminijumske šasije robota i Metalnih delova robota od nerđajućeg čelika za strukturne oslonce koji nadopunjuju naše zglobove—kao što je zglob kolena uparen sa robusnom šasijom čini celu nogu stabilnijom, bez klatećih pokreta. A za vanjske dijelove koji dolaze u kontakt s ljudima, kao što su poklopci za zglobove, koristimo plastiku sigurnu za hranu, neiritirajuću i koja ne grebe kožu, što je ključno za robote koji komuniciraju s djecom ili ljudima u zdravstvenim ustanovama.
Čekaj, hajde da se pozabavimo pitanjem koje stalno dobijam: „Koja je razlika između običnog robotskog zgloba i ergonomskog humanoidnog zgloba?“ Redovni robotski zglob je napravljen za brzinu, preciznost i dizanje teških tereta u fabrikama - nije ih briga ako će udariti radnika, jer fabrike imaju sigurnosne kaveze. Humanoidni zglobovi? Moraju uskladiti 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, poput toga kako glatko rotira zglob - bez brušenja, bez trzaja - čine da se robot osjeća prirodnije, kao prava osoba. Niko ne želi da se rukuje sa robotom koji se kreće kao polomljena igračka; ergonomski zglobovi čine da se ta interakcija osjeća besprijekorno.
Znam da su mnogi proizvođači robota fokusirani na unapređenje tehnologije, ali ponekad su najvažnije inovacije one koje čine da roboti rade za ljude, a ne samo za sebe. Sljedeći put kada vidite humanoidnog robota koji se osjeća intuitivnim, koji se ne osjeća zastrašujućim ili nezgrapnim, pogledajte ga izbliza – velike su šanse da su njegovi zglobovi dizajnirani prema onim ergonomskim principima o kojima govorim. To nisu samo metalni i plastični komadići; oni su razlog zašto robot može kleknuti da razgovara s djetetom, doda šolju bez prolivanja ili se kreće dnevnom sobom bez da sruši lampu.
Ako pravite humanoidnog robota i trebaju vam zglobni dijelovi koji balansiraju performanse, sigurnost i ergonomiju, kontaktirajte nas da razgovaramo o svom projektu. Možemo vam pomoći da odaberete prave komponente, bilo da su vam potrebni standardni modularni spojevi ili prilagođeni za vaš specifični slučaj upotrebe. Radimo sa svima, od hobi timova do industrijskih partnera, tako da nijedan projekat nije prevelik ili premali.
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, vol. 32, br. 3, 2016, str. 515-533.
- Zhang, L. et al. "Ergonomski dizajn zglobova humanoidnih robota za aplikacije kućne pomoći" Zbornik radova 2020. IEEE međunarodne konferencije o robotici i automatizaciji (ICRA), 2020., str. 5678-5684.
