سلام بچه ها، اگر تا به حال از خود پرسیده اید که چرا ربات های انسان نما مانند ماشین های بی دست و پا و بی دست و پا در فضاهای ساخته شده برای مردم دست و پا می زنند، بیایید یکی از ناشناخته ترین قهرمانان این حرکت نرم را بشکنیم: قسمت های مفصلی آنها. من به‌عنوان تامین‌کننده اجزای مفصل ربات انسان‌نما، هر روز با سازندگان ربات‌ها، علاقه‌مندان و مهندسین صحبت می‌کنم که به سرووهای پیشرفته یا مغزهای هوش مصنوعی تحسین برانگیز می‌پردازند – و روی قطعات کوچک و ارگونومیکی می‌خوابند که باعث می‌شود همه چیز با انسان (نه علیه) کار کند. بیایید به این موضوع بپردازیم که چگونه این اتصالات قابلیت استفاده، ایمنی و حال و هوای کلی یک ربات را شکل می دهند.
اول از همه، "جنبه های ارگونومیک" اتصالات ربات چیست؟ برای یک انسان نما، این بدان معناست که هر مفصل (شانه، آرنج، مچ دست، لگن، زانو، مچ پا) باید نحوه حرکت بدن انسان را تقلید کند، اما همچنین برای تعامل با آنها ایمن باشد. در مورد آن فکر کنید: اگر مفصل آرنج یک ربات از زوایای عجیب بیرون بیاید یا به اندازه کافی تیز باشد که نقاشی کودک را خراش دهد، این یک مشکل است. اگر زمانی که فردی برای کمک به آن تکیه می دهد، مفصل زانو ناگهان قفل شود، این یک خطر است. ارگونومی در اینجا فقط به این نیست که ربات را انسان "به نظر برسد" - بلکه طراحی قطعاتی است که با فضاهای انسانی کار می کنند، نه در برابر آنها.
بیایید با محدوده حرکت شروع کنیم، زیرا این اولین بررسی ارگونومیک است. انسان ها برای هر مفصل دامنه حرکتی مشخصی دارند: شانه های ما 360 درجه می چرخند (خوب، تقریباً)، آرنج های ما 180 خم می شوند، زانوهای ما فقط یک طرف خم می شوند، درست است؟ مفاصل ربات انسان نما باید با آن مطابقت داشته باشند، اما نباید از حد مجاز عبور کنند - برد بیش از حد زیاد است و حرکتی لرزان و ناپایدار خواهید داشت. من یک مشتری داشتم که رباتی برای مراقبت از سالمندان ساخته بود به من گفت که مفاصل اصلی زانویش فقط 90 درجه خم شده است، و زمانی که سعی کردند آن را طوری برنامه ریزی کنند که در همان ارتفاع یک سالمند نشسته زانو بزند، نتوانست. اینجاست که طراحی مناسب اتصالات وارد می شود. ما فقط قطعات خارج از قفسه را نمی فروشیم. ما با سازندگان کار می کنیم تا محدودیت های برد را تغییر دهیم تا ربات بیش از حد یا عملکرد ضعیفی نداشته باشد. به عنوان مثال، مفاصل شانه ما دارای محدود کننده‌های گشتاور داخلی هستند که قبل از رسیدن به حداکثر انسان مانند، چرخش را متوقف می‌کنند، که هم از آسیب به مفصل و هم از برآمدگی‌های تصادفی افراد نزدیک جلوگیری می‌کند.
در مرحله بعد، حساسیت نیرو - این برای ایمنی بسیار بزرگ است، که هسته اصلی ارگونومی زمانی است که ربات ها در اطراف انسان هستند. پوست انسان می تواند فشار را احساس کند، بنابراین بدن ما به طور خودکار میزان نیرویی را که وقتی لیوان را لمس می کنیم یا کسی را در آغوش می گیریم، تنظیم می کند. ربات‌ها به همین حس نیاز دارند، اما مفاصل آنها باید آن را به حرکتی ملایم و نه سفت تبدیل کند. فرض کنید یک انسان نما دارد کتابی را به کودکی می دهد: اگر مفصل آرنجش حسگرهای نیرو نداشته باشد، ممکن است کتاب را خیلی محکم بفشارد، یا بازو را آنقدر سریع بچرخاند که به یک لامپ ضربه بزند. قطعات مفصلی ما حسگرهای گشتاور و نیرو با مشخصات پایین را درست در محور مفصل ادغام می کنند، بنابراین ربات می تواند حرکت خود را در زمان واقعی تنظیم کند. ما این نتیجه را در ربات‌های انسان‌نما کوچک برای آموزش دیده‌ایم، جایی که بچه‌ها آنها را برمی‌دارند و دست‌هایشان را برای تمرین‌های کدنویسی به اطراف حرکت می‌دهند—هیچ‌کس صدمه‌ای ندیده است، زیرا هنگامی که مفاصل با لمس انسان از حرکت بازماندند.
سپس تناسب فیزیکی خود مفصل وجود دارد، زیرا بیایید واقعی باشیم—هیچ کس رباتی حجیم را نمی خواهد که دو برابر فضای انسان را اشغال کند. ارگونومی در اینجا به معنای اتصالات فشرده و روان است که در چارچوب یک انسان نما قرار می گیرد، بنابراین می تواند مانند یک شخص در درها حرکت کند، روی یک مبل بنشیند یا به قفسه برسد. بخش بزرگی از آن موادی است که ما استفاده می کنیم. صبر کنید، ممکن است به «مواد» فکر کنید؟ اگر یک اتصال از فلز ارزان و سنگین ساخته شده باشد، کل ربات را سنگین می کند، که تعادل را از بین می برد و حرکت را سخت می کند. به همین دلیل است که ما با سازندگان برای انتخاب مصالح مناسب، بسته به مورد استفاده، کار می کنیم. برای مثال، ربات‌هایی که برای کار در فضاهای خرده‌فروشی تنگ کار می‌کنند، از قطعات سبک‌تر و بادوام‌تر بهره می‌برند - ما حتی توصیه می‌کنیم مجموعه‌های مشترک خود را با قطعات ساختاری سبک‌وزن مانند پیوندهای بازوی ربات ماشین CNC جفت کنید که کل دکل را بدون کاهش قدرت باریک نگه می‌دارد. برای روبات‌هایی که نیاز به بلند کردن اقلام سنگین‌تر برای لجستیک دارند (اما هنوز در اطراف کارگران انبار کار می‌کنند)، از اتصالات آلیاژ فولادی با گشتاور بالا استفاده می‌کنیم، اما آنها را با پوشش‌های سبک‌تر و انعطاف‌پذیر مانند روبات پلاستیکی برای نرم کردن لبه‌ها جفت می‌کنیم. اگر صحبت از آن شد، این روکش ها فقط برای ظاهر نیستند - لبه های گرد و غیر تیز روی مفاصل به معنای خطر کمتر بریدگی تصادفی است که طراحی ارگونومیک خالص است.
من همچنین می خواهم در مورد ماژولار بودن صحبت کنم که یک پیروزی بزرگ ارگونومیک برای سازندگان و کاربران نهایی است. چگونه؟ اگر یک مفصل شکسته شود، لازم نیست کل ربات را جایگزین کنید - فقط قسمت معیوب را تعویض کنید. این فقط برای تعمیرات راحت نیست. این به سازندگان اجازه می دهد طراحی ربات را در حین حرکت تنظیم کنند. به عنوان مثال، یک تیم روباتیک کالج ممکن است با یک مفصل زانو اولیه شروع کند، سپس آن را برای دویدن ارتقا دهد (آنها می توانند مفصل زانو مدولار با گشتاور بالاتر را بدون بازسازی کل پاها تعویض کنند). مدولار بودن همچنین کالیبره کردن حرکات ربات را آسان‌تر می‌کند، که تضمین می‌کند هر مفصلی مانند یک انسان واقعی هماهنگ عمل می‌کند. ما دیده‌ایم که تیم‌ها ماه‌ها در زمان آزمایش صرفه‌جویی می‌کنند، زیرا مفاصل مدولار ما به هاب استاندارد لوازم جانبی روبات متصل می‌شوند، بنابراین مجبور نیستند همه چیز را از ابتدا سیم‌کشی کنند.
صبر کنید، بیایید در مورد اشتباهات رایجی که من می بینم واقعی بدانیم. بسیاری از سازندگان ربات جدید بر روی مشخصات تمرکز می کنند: حداکثر گشتاور، سرعت، قیمت، بدون اینکه به نحوه تعامل مفصل با کل سیستم انسان نما فکر کنند. به عنوان مثال، مفصلی که برای بلند کردن وسایل سنگین عالی است، ممکن است چنان لرزش داشته باشد که سر ربات (که دارای حسگرهایی برای مسیریابی است) می‌لرزد و تشخیص چهره انسان یا حرکت در اتاق را برای ربات سخت می‌کند. این یک شکست ارگونومیک است زیرا حتی اگر حرکات ربات قوی باشد، نمی تواند به راحتی با محیط خود تعامل داشته باشد. اتصالات ما با ارتعاش تعبیه شده درست طراحی شده اند، بنابراین سیستم های دیگر ربات را دور نمی اندازند. اشتباه دیگه؟ نادیده گرفتن توزیع وزن اگر مفاصل لگن یک ربات خیلی سنگین باشد، فقط برای ایستادن باید سخت کار کند، که عمر باتری را کم می کند و باعث می شود به آرامی حرکت کند. ما به سازندگان کمک می‌کنیم وزن مفاصل را در کل بدن متعادل کنند، بنابراین هر قسمت با بقیه کار می‌کند، نه در برابر آنها.
و برای روبات‌هایی که با افراد آسیب‌پذیر ارتباط برقرار می‌کنند - مانند بزرگترها یا بچه‌ها - یک لایه ارگونومی اضافی وجود دارد: دسترسی. یک انسان نما که برای کمک به فردی که از ویلچر استفاده می کند، طراحی شده است، باید به تکیه گاه دست ها برسد، خوراکی ها را از روی میز پایین بیاورد، و به قدری آهسته حرکت کند تا فردی با تحرک محدود بتواند از آن عقب بماند. این بدان معناست که مفاصل آن نمی توانند خیلی سریع حرکت کنند، باید دقیق باشند و در چارچوبی قرار بگیرند که باعث بلند یا کوتاهی آنها نشود. مجموعه‌های اتصال سفارشی ما به سازندگان اجازه می‌دهد تا محدوده حرکت و تنظیمات سرعت را تنظیم کنند، بنابراین می‌توانند ربات را برای موارد استفاده خاص تنظیم کنند. ما با تیم کوچکی کار کرده‌ایم که یک ربات همراه برای سالمندان مبتلا به زوال عقل ساخته‌اند - آنها مفصل مچ دست را طوری تنظیم کردند که هنگام تحویل دادن قرص به آرامی و به آرامی حرکت کند و مفصل آرنج را طوری تنظیم کردند که در صورت احساس فشار ضعیف، حرکت را متوقف کند، که مانع از انداختن اشیاء توسط سالمند می‌شود.
حالا بیایید دوباره در مورد مواد صحبت کنیم، زیرا این به همه چیز مرتبط است. ما فقط از یک ماده برای همه مفاصل استفاده نمی کنیم بلکه آن را با کار مطابقت می دهیم. به عنوان مثال، مفاصل شانه ای که حرکت زیادی دارند و تحت فشار قرار می گیرند، باید بادوام باشند، بنابراین از فولاد آلیاژی با عیار بالا استفاده می کنیم. برای مفاصل روی پاها که هنگام راه رفتن تاثیر می‌گذارند، ما از ترکیب آلومینیوم و مواد کامپوزیت سبک وزن استفاده می‌کنیم تا وزن را در عین تحمل نیرو کم نگه داریم. ما همیشه سازندگان را به صفحه‌های شاسی ربات آلومینیومی و قطعات ربات فلزی فولاد ضد زنگ خود راهنمایی می‌کنیم تا تکیه‌گاه‌های ساختاری‌ای که مفاصل ما را تکمیل می‌کنند، مانند، یک مفصل زانو با یک شاسی محکم، کل پا را پایدارتر می‌کند، بدون حرکت لرزشی. و برای قسمت‌های خارجی که با افراد در تماس هستند، مانند پوشش‌های مفصلی، از پلاستیک‌های ایمن و غیر تحریک‌کننده برای مواد غذایی استفاده می‌کنیم که پوست را خراش نمی‌دهند، که برای روبات‌هایی که با بچه‌ها یا افراد در بخش‌های مراقبت‌های بهداشتی تعامل دارند، کلیدی است.
صبر کنید، بیایید به سوالی که همیشه برایم پیش می آید پاسخ دهیم: "تفاوت یک مفصل ربات معمولی و یک مفصل انسان نما ارگونومیک چیست؟" یک مفصل ربات معمولی برای سرعت، دقت، و بلند کردن اجسام سنگین در کارخانه‌ها ساخته شده است - برای آنها مهم نیست که کارگری را به هم بزنند، زیرا کارخانه‌ها قفس‌های ایمنی دارند. مفاصل انسان نما؟ آنها باید دقت را با ایمنی، دامنه حرکت با ثبات و قدرت را با وزن متعادل کنند. به همین دلیل است که هر قسمت از مفصل باید با در نظر گرفتن تعامل انسان طراحی شود. حتی جزئیات کوچک، مانند نرمی چرخش مفصل - بدون ساییدن، بدون حرکت تند - باعث می‌شود ربات احساس طبیعی‌تری داشته باشد، مانند یک شخص واقعی. هیچ کس نمی خواهد با رباتی که مانند یک اسباب بازی شکسته حرکت می کند دست بدهد. اتصالات ارگونومیک باعث می شود که این تعامل یکپارچه احساس شود.
می‌دانم که بسیاری از سازندگان ربات روی پیشبرد فناوری متمرکز هستند، اما گاهی اوقات مهم‌ترین نوآوری‌ها آنهایی هستند که باعث می‌شوند ربات‌ها برای مردم کار کنند، نه فقط برای خودشان. دفعه بعد که یک ربات انسان نما را دیدید که احساس شهودی می کند، احساس ترسناکی یا درهم ریختگی نمی کند، نگاه دقیق تری بیندازید—به احتمال زیاد، مفاصل آن با آن اصول ارگونومیکی که من در مورد آن صحبت می کنم طراحی شده اند. آنها فقط قطعات فلزی و پلاستیکی نیستند. آنها دلیلی هستند که یک ربات می تواند برای صحبت با یک بچه زانو بزند، یک فنجان را بدون ریختن رد کند، یا در اتاق نشیمن بدون ضربه زدن به لامپ حرکت کند.
اگر در حال ساخت یک ربات انسان نما هستید و به قطعات مفصلی نیاز دارید که عملکرد، ایمنی و ارگونومی را متعادل کند، با ما تماس بگیرید تا در مورد پروژه خود چت کنیم. ما می‌توانیم به شما کمک کنیم تا اجزای مناسب را انتخاب کنید، چه به اتصالات مدولار استاندارد نیاز داشته باشید و چه به مفاصل طراحی شده سفارشی برای مورد استفاده خاص خود. ما با همه از تیم های سرگرم کننده گرفته تا شرکای صنعتی کار می کنیم، بنابراین هیچ پروژه ای خیلی بزرگ یا خیلی کوچک نیست.
مراجع
- سازمان بین المللی استاندارد (ISO). "ربات ها و دستگاه های رباتیک - الزامات ایمنی برای ربات های انسان نما" ISO 13482:2014.
- Vukobratović، M. and Potkonjak، V. "ربات های انسان نما: مبانی مدل سازی و کنترل" Springer، 2013.
- Ryu, J. and Kim, W. "Control Force for Safe Human-Robot Interaction: A Review" IEEE Transactions on Robotics, vol. 32، شماره 3، 2016، صص 515-533.
- ژانگ، ال و همکاران "طراحی ارگونومیک اتصالات ربات انسان نما برای کاربردهای کمک خانگی" مجموعه مقالات کنفرانس بین المللی IEEE 2020 در مورد رباتیک و اتوماسیون (ICRA)، 2020، صفحات 5678-5684.
