อะไรคือลักษณะทางด้านสรีรศาสตร์ของชิ้นส่วนข้อต่อของหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์?

เฮ้เพื่อนๆ หากคุณเคยสงสัยว่าทำไมหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ถึงไม่รู้สึกเหมือนเครื่องจักรที่เทอะทะและงุ่มง่ามสะดุดไปรอบๆ พื้นที่ที่สร้างขึ้นเพื่อผู้คน เรามาดูรายละเอียดฮีโร่ที่ไม่มีใครร้องมากที่สุดคนหนึ่งในการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นนั้น นั่นก็คือ ข้อต่อของพวกมัน ในฐานะซัพพลายเออร์ส่วนประกอบข้อต่อหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ ฉันพูดคุยกับผู้สร้างหุ่นยนต์ ผู้ที่ชอบเล่นเป็นงานอดิเรก และวิศวกรทุกๆ วัน ซึ่งหมกมุ่นอยู่กับเซอร์โวไฮเทคหรือสมอง AI สุดล้ำ และนอนหลับบนชิ้นส่วนเล็กๆ ตามหลักสรีรศาสตร์ที่ทำให้ทุกสิ่งใช้งานได้ (ไม่ขัดแย้ง) มนุษย์ มาดูสาระสำคัญของการที่ข้อต่อเหล่านี้กำหนดรูปแบบการใช้งาน ความปลอดภัย และบรรยากาศโดยรวมของหุ่นยนต์ โดยไม่มีศัพท์เฉพาะในตำราเรียนที่น่าเบื่อ

ก่อนอื่น อะไรคือ “ลักษณะตามหลักสรีระศาสตร์” ของข้อต่อหุ่นยนต์? สำหรับรูปร่างคล้ายมนุษย์ นั่นหมายถึงข้อต่อทุกส่วน (ไหล่ ข้อศอก ข้อมือ สะโพก เข่า ข้อเท้า) จะต้องเลียนแบบการเคลื่อนไหวของร่างกายมนุษย์ แต่ยังต้องปลอดภัยในการโต้ตอบด้วย ลองคิดดู: หากข้อต่อข้อศอกของหุ่นยนต์ยื่นออกมาในมุมแปลกๆ หรือแหลมพอที่จะขูดภาพวาดของเด็ก นั่นก็เป็นปัญหา หากข้อเข่าของมันล็อคกะทันหันเมื่อมีคนพิงขอความช่วยเหลือ นั่นถือเป็นอันตราย การยศาสตร์ที่นี่ไม่ใช่แค่การทำให้หุ่นยนต์ "ดู" เป็นมนุษย์เท่านั้น แต่ยังเกี่ยวกับการออกแบบชิ้นส่วนที่ทำงานร่วมกับพื้นที่ของมนุษย์ โดยไม่ขัดแย้งกับพื้นที่เหล่านั้น

มาเริ่มกันที่ระยะการเคลื่อนไหว เพราะนั่นคือการตรวจสอบตามหลักสรีรศาสตร์ขั้นแรก มนุษย์มีช่วงการเคลื่อนไหวที่แน่นอนสำหรับข้อต่อแต่ละข้อ เช่น ไหล่ของเราหมุนได้ 360 องศา (เกือบแล้ว) ข้อศอกของเรางอ 180 องศา เข่าของเรางอเพียงทางเดียวใช่ไหม? ข้อต่อของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ต้องสอดคล้องกัน แต่อย่ามากเกินไป ระยะที่มากเกินไปจะทำให้คุณมีการเคลื่อนไหวที่สั่นคลอนและไม่มั่นคง ฉันมีลูกค้าที่สร้างหุ่นยนต์สำหรับการดูแลผู้สูงอายุบอกฉันว่าข้อเข่าเดิมของพวกเขางอเพียง 90 องศา และเมื่อพวกเขาพยายามตั้งโปรแกรมให้คุกเข่าลงที่ความสูงเท่ากันกับผู้อาวุโสที่นั่งอยู่ แต่ก็ทำไม่ได้ นั่นคือที่มาของการออกแบบข้อต่อที่เหมาะสม เราไม่เพียงแค่ขายชิ้นส่วนที่มีจำหน่ายทั่วไปเท่านั้น เราทำงานร่วมกับผู้สร้างเพื่อปรับแต่งขีดจำกัดของช่วง เพื่อให้หุ่นยนต์ไม่ทำงานเกินกำลังหรือด้อยประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ข้อไหล่ของเรามีลิมิตเตอร์แรงบิดในตัวที่จะหยุดการหมุนก่อนที่จะถึงค่าสูงสุดเหมือนมนุษย์ ซึ่งป้องกันทั้งความเสียหายต่อข้อต่อและการกระแทกโดยไม่ตั้งใจต่อผู้คนในบริเวณใกล้เคียง

ถัดไปคือ ความไวต่อแรง ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อความปลอดภัย ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของหลักสรีรศาสตร์เมื่อมีหุ่นยนต์อยู่รอบตัวมนุษย์ ผิวหนังของมนุษย์สามารถรับแรงกดทับได้ ดังนั้นร่างกายของเราจึงปรับแรงที่เราใช้เมื่อเราสัมผัสแก้วหรือกอดใครสักคนโดยอัตโนมัติ หุ่นยนต์ต้องการประสาทสัมผัสแบบเดียวกัน แต่ข้อต่อของพวกมันต้องแปลเป็นการเคลื่อนไหวที่อ่อนโยน ไม่แข็งทื่อ สมมติว่าหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์กำลังส่งหนังสือให้เด็ก หากข้อต่อข้อศอกไม่มีเซ็นเซอร์ตรวจจับแรง อาจบีบหนังสือแน่นเกินไป หรือแกว่งแขนเร็วพอที่จะชนโคมไฟได้ ชิ้นส่วนข้อต่อของเรารวมเซ็นเซอร์แรงบิดและแรงโปรไฟล์ต่ำเข้ากับแกนข้อต่อ ดังนั้นหุ่นยนต์จึงสามารถปรับการเคลื่อนไหวได้แบบเรียลไทม์ เราพบว่าสิ่งนี้ได้ผลดีกับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ขนาดเล็กเพื่อการศึกษา โดยเด็กๆ จะหยิบมันขึ้นมาและขยับแขนไปรอบๆ เพื่อฝึกเขียนโค้ด ไม่มีใครเคยได้รับบาดเจ็บเพราะข้อต่อหยุดเคลื่อนไหวเมื่อรู้สึกถึงการสัมผัสของมนุษย์

ถ้าอย่างนั้น ความพอดีทางกายภาพของข้อต่อนั้นเอง เพราะให้เป็นจริง ไม่มีใครอยากได้หุ่นยนต์ตัวใหญ่ที่ใช้พื้นที่มากกว่ามนุษย์ถึงสองเท่า การยศาสตร์ในที่นี้หมายถึงข้อต่อที่มีขนาดกะทัดรัดและเพรียวบางซึ่งพอดีกับกรอบของมนุษย์ จึงสามารถนำทางเข้าประตู นั่งบนโซฟา หรือเข้าถึงชั้นวางได้เหมือนกับที่บุคคลทั่วไปทำ ส่วนใหญ่คือวัสดุที่เราใช้ เดี๋ยว คุณอาจกำลังคิดว่า "วัสดุเหรอ นั่นเป็นเรื่องของหุ่นยนต์ ไม่ใช่หลักสรีรศาสตร์" แต่ฟังฉันหน่อย หากข้อต่อทำจากโลหะหนักราคาถูก ก็จะทำให้หุ่นยนต์ทั้งตัวมีน้ำหนักมาก ซึ่งทำให้เสียการทรงตัวและทำให้เคลื่อนที่ได้ยาก นั่นเป็นเหตุผลที่เราทำงานร่วมกับผู้สร้างเพื่อเลือกวัสดุที่เหมาะสม ขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานของพวกเขา ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์ที่ทำงานในพื้นที่ค้าปลีกแคบจะได้รับประโยชน์จากชิ้นส่วนที่เบาและทนทาน เรายังแนะนำให้จับคู่ชุดประกอบข้อต่อของเรากับชิ้นส่วนโครงสร้างน้ำหนักเบา เช่น ตัวต่อแขนหุ่นยนต์เครื่องจักร CNC ที่ทำให้แท่นขุดเจาะทั้งหมดบางโดยไม่ทำให้ความแข็งแรงลดลง สำหรับหุ่นยนต์ที่ต้องการยกสิ่งของที่หนักกว่าเพื่อการขนส่ง (แต่ยังคงต้องทำงานกับคนงานในคลังสินค้า) เราใช้ข้อต่อโลหะผสมเหล็กแรงบิดสูง แต่จับคู่กับฝาครอบที่เบาและยืดหยุ่น เช่น Plastic Robot Shell เพื่อทำให้ขอบนิ่มลง เมื่อพูดถึงเรื่องนี้ ฝาครอบเหล่านั้นไม่ได้มีไว้สำหรับรูปลักษณ์เท่านั้น ขอบข้อต่อที่โค้งมนและไม่แหลมคมยังช่วยลดความเสี่ยงที่จะเกิดการบาดโดยไม่ได้ตั้งใจ ซึ่งเป็นการออกแบบตามหลักสรีรศาสตร์อย่างแท้จริง

ฉันยังอยากจะพูดถึงความเป็นโมดูลาร์ด้วย ซึ่งเป็นผลดีตามหลักสรีระศาสตร์สำหรับทั้งผู้สร้างและผู้ใช้ปลายทาง ยังไง? หากข้อต่อแตกหัก คุณไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนหุ่นยนต์ทั้งตัว คุณเพียงแค่เปลี่ยนชิ้นส่วนที่ชำรุดออกเท่านั้น นั่นไม่เพียงแต่สะดวกในการซ่อมแซมเท่านั้น ช่วยให้ผู้สร้างสามารถปรับการออกแบบของหุ่นยนต์ได้ในขณะเดินทาง ตัวอย่างเช่น ทีมวิทยาการหุ่นยนต์ของวิทยาลัยอาจเริ่มต้นด้วยข้อเข่าพื้นฐาน จากนั้นจึงอัปเกรดสำหรับการวิ่งในภายหลัง (พวกเขาสามารถสลับข้อเข่าโมดูลาร์ที่มีแรงบิดสูงกว่าของเราได้โดยไม่ต้องสร้างชุดขาใหม่ทั้งหมด) ความเป็นโมดูลยังช่วยให้ปรับเทียบการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ได้ง่ายขึ้น ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อต่อทุกชิ้นจะซิงค์กันเหมือนมนุษย์จริงๆ เราพบว่าทีมต่างๆ ประหยัดเวลาในการทดสอบได้หลายเดือน เนื่องจากข้อต่อแบบโมดูลาร์ของเราเสียบเข้ากับฮับอุปกรณ์เสริม Robot มาตรฐาน ดังนั้นพวกเขาจึงไม่ต้องเดินสายทุกอย่างตั้งแต่เริ่มต้น

เดี๋ยวก่อน เรามาทำความเข้าใจเกี่ยวกับข้อผิดพลาดทั่วไปที่ฉันเห็นกันดีกว่า ผู้สร้างหุ่นยนต์หน้าใหม่จำนวนมากมุ่งเน้นไปที่ข้อมูลจำเพาะ เช่น แรงบิดสูงสุด ความเร็ว ราคา โดยไม่ได้คำนึงถึงว่าข้อต่อจะมีปฏิกิริยาอย่างไรกับระบบฮิวแมนนอยด์ทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ข้อต่อที่เหมาะสำหรับการยกของหนักอาจสั่นสะเทือนมากจนทำให้ศีรษะของหุ่นยนต์ (ซึ่งมีเซ็นเซอร์สำหรับการนำทาง) สั่นไหว ทำให้หุ่นยนต์จดจำใบหน้าของมนุษย์หรือนำทางในห้องได้ยาก นั่นเป็นความล้มเหลวตามหลักสรีระศาสตร์ เนื่องจากแม้ว่าหุ่นยนต์จะมีการเคลื่อนไหวที่รุนแรง แต่ก็ไม่สามารถโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมได้อย่างราบรื่น ข้อต่อของเราได้รับการออกแบบให้มีระบบลดแรงสั่นสะเทือนในตัว จึงไม่ทำให้ระบบอื่นๆ ของหุ่นยนต์หลุดไป ผิดพลาดอีกแล้วเหรอ? ละเลยการกระจายน้ำหนัก หากข้อสะโพกของหุ่นยนต์หนักเกินไป หุ่นยนต์จะต้องทำงานหนักเป็นพิเศษเพื่อที่จะยืน ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลดลงและทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ช้าๆ เราช่วยผู้สร้างสมดุลน้ำหนักของข้อต่อทั่วร่างกาย ดังนั้นแต่ละส่วนจึงทำงานร่วมกับส่วนอื่นๆ ได้ ไม่ใช่ขัดแย้งกัน

และสำหรับหุ่นยนต์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับผู้คนที่อ่อนแอ เช่น ผู้อาวุโสหรือเด็ก มีการยศาสตร์อีกชั้นหนึ่ง: การเข้าถึง หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่ออกแบบมาเพื่อช่วยให้ผู้ที่ใช้รถเข็นวีลแชร์ต้องเอื้อมถึงที่วางแขน หยิบขนมจากโต๊ะเตี้ย และเคลื่อนที่ช้าๆ เพื่อให้ผู้ที่มีความคล่องตัวจำกัดสามารถตามทัน นั่นหมายความว่าข้อต่อต้องไม่เคลื่อนที่เร็วเกินไป ต้องแม่นยำ และพอดีกับกรอบที่ไม่ทำให้สูงหรือสั้นเกินไป ชุดข้อต่อแบบกำหนดเองของเราช่วยให้ผู้สร้างสามารถปรับช่วงของการตั้งค่าการเคลื่อนไหวและความเร็วได้ ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถปรับแต่งหุ่นยนต์ให้เหมาะกับกรณีการใช้งานเฉพาะได้ เราได้ทำงานร่วมกับทีมเล็กๆ ที่สร้างหุ่นยนต์คู่หูสำหรับผู้สูงอายุที่เป็นโรคสมองเสื่อม โดยปรับข้อต่อข้อมือให้เคลื่อนที่ช้าๆ และนุ่มนวลเมื่อจ่ายยา และปรับข้อต่อข้อศอกให้หยุดเคลื่อนไหวหากสัมผัสได้ถึงการยึดเกาะที่อ่อนแอ ซึ่งป้องกันไม่ให้ผู้อาวุโสทำสิ่งของหล่น

ทีนี้ เรามาพูดถึงวัสดุกันอีกครั้ง เพราะมันเชื่อมโยงกับทุกสิ่ง เราไม่เพียงแค่ใช้วัสดุชนิดเดียวสำหรับข้อต่อทั้งหมด แต่เราจับคู่ให้เข้ากับงานด้วย เช่นข้อไหล่ที่ขยับมากและเกิดความเครียดก็ต้องมีความทนทานเราจึงเลือกใช้เหล็กอัลลอยด์เกรดสูง สำหรับข้อต่อบริเวณขาท่อนล่างซึ่งจะรับแรงกระแทกขณะเดิน เราใช้ส่วนผสมของอลูมิเนียมและวัสดุคอมโพสิตน้ำหนักเบาเพื่อรักษาน้ำหนักให้ต่ำในขณะที่ทนทานต่อแรง เรามักจะแนะนำให้ผู้สร้างไปที่หน้าโครงหุ่นยนต์อะลูมิเนียมและชิ้นส่วนหุ่นยนต์โลหะสแตนเลส สำหรับการรองรับโครงสร้างที่เสริมข้อต่อของเรา เช่น ข้อเข่าที่จับคู่กับโครงที่แข็งแกร่งทำให้ขาทั้งข้างมั่นคงมากขึ้น และไม่มีการเคลื่อนไหวที่สั่นคลอน และสำหรับชิ้นส่วนภายนอกที่สัมผัสกับผู้คน เช่น ที่หุ้มข้อต่อ เราใช้พลาสติกที่ปลอดภัยต่ออาหารและไม่ระคายเคืองซึ่งไม่เกาผิวหนัง ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญสำหรับหุ่นยนต์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับเด็กหรือผู้คนในสถานพยาบาล

เดี๋ยว เราจะมาตอบคำถามที่ฉันได้รับตลอดเวลา: "อะไรคือความแตกต่างระหว่างข้อต่อหุ่นยนต์แบบปกติกับข้อต่อแบบฮิวแมนนอยด์ตามหลักสรีรศาสตร์" ข้อต่อหุ่นยนต์ทั่วไปถูกสร้างขึ้นเพื่อความรวดเร็ว แม่นยำ และการยกของหนักในโรงงาน โดยไม่สนใจว่าจะชนคนงานหรือไม่ เพราะโรงงานมีกรงนิรภัย ข้อต่อของมนุษย์? พวกเขาต้องรักษาสมดุลระหว่างความแม่นยำกับความปลอดภัย ระยะการเคลื่อนไหวกับความมั่นคง และความแข็งแกร่งกับน้ำหนัก นั่นเป็นเหตุผลที่ทุกส่วนของข้อต่อต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ของมนุษย์ แม้แต่รายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ เช่น ความเรียบเนียนของข้อต่อที่หมุนได้ ไม่มีการบดหรือการเคลื่อนไหวกระตุก ก็ทำให้หุ่นยนต์รู้สึกเป็นธรรมชาติมากขึ้น เหมือนเป็นคนจริงๆ ไม่มีใครอยากจับมือกับหุ่นยนต์ที่เคลื่อนไหวเหมือนของเล่นที่พัง ข้อต่อตามหลักสรีระศาสตร์ทำให้การโต้ตอบนั้นรู้สึกราบรื่น

ฉันรู้ว่าผู้สร้างหุ่นยนต์จำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การผลักดันเทคโนโลยีไปข้างหน้า แต่บางครั้งนวัตกรรมที่สำคัญที่สุดก็คือนวัตกรรมที่ทำให้หุ่นยนต์ทำงานเพื่อมนุษย์ ไม่ใช่แค่เพียงเพื่อตนเองเท่านั้น ครั้งต่อไปที่คุณเห็นหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่ให้ความรู้สึกตามสัญชาตญาณ ไม่รู้สึกน่ากลัวหรือเทอะทะ ลองมองดูใกล้ๆ หน่อย มีโอกาสที่ข้อต่อของมันได้รับการออกแบบตามหลักสรีรศาสตร์ที่ฉันกำลังพูดถึง พวกมันไม่ใช่แค่เศษโลหะและพลาสติกเท่านั้น นี่เป็นเหตุผลที่หุ่นยนต์สามารถคุกเข่าคุยกับเด็ก ส่งแก้วโดยไม่ทำหก หรือนำทางในห้องนั่งเล่นโดยไม่ชนโคมไฟ

หากคุณกำลังสร้างหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์และต้องการชิ้นส่วนข้อต่อที่สมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และการยศาสตร์ โปรดติดต่อเราเพื่อพูดคุยเกี่ยวกับโครงการของคุณ เราสามารถช่วยคุณเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมได้ ไม่ว่าคุณจะต้องการข้อต่อโมดูลาร์มาตรฐานหรือข้อต่อที่ออกแบบเองสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะของคุณ เราทำงานร่วมกับทุกคนตั้งแต่ทีมมือสมัครเล่นไปจนถึงพันธมิตรทางอุตสาหกรรม ดังนั้นจึงไม่มีโครงการใดใหญ่หรือเล็กเกินไป

อ้างอิง

1. องค์การระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน (ISO) "หุ่นยนต์และอุปกรณ์หุ่นยนต์—ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์" ISO 13482:2014
2. Vukobratović, M. และ Potkonjak, V. "หุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์: พื้นฐานของการสร้างแบบจำลองและการควบคุม" Springer, 2013
3. Ryu, J. และ Kim, W. "การควบคุมบังคับเพื่อการโต้ตอบระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์อย่างปลอดภัย: การทบทวน" ธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับวิทยาการหุ่นยนต์, ฉบับที่ 1 32, ไม่ใช่. ฉบับที่ 3 ปี 2016 หน้า 515-533
4. จาง แอล และคณะ "การออกแบบตามหลักสรีรศาสตร์ของข้อต่อหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์สำหรับการใช้งานช่วยเหลือที่บ้าน" การประชุมนานาชาติ IEEE เรื่องหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติ (ICRA) ปี 2020, 2020, หน้า 5678-5684