Ehi ragazzi, se vi siete mai chiesti perché i robot umanoidi non si sentono come macchine goffe e goffe che inciampano negli spazi fatti per le persone, analizziamo uno degli eroi meno celebrati di quel movimento fluido: le loro parti articolari. In qualità di fornitore di componenti articolari per robot umanoidi, parlo ogni giorno con costruttori di robot, hobbisti e ingegneri che si fissano su servi high-tech o fantasiosi cervelli IA e dormono sui piccoli pezzi ergonomici che fanno funzionare il tutto con (non contro) gli umani. Entriamo nel dettaglio di come queste articolazioni modellano l'usabilità, la sicurezza e l'atmosfera generale di un robot, senza il gergo soffocante dei libri di testo, promesso.
Innanzitutto, quali sono gli “aspetti ergonomici” delle articolazioni dei robot? Per un umanoide, ciò significa che ogni singola articolazione (spalle, gomiti, polsi, anche, ginocchia, caviglie) deve imitare il modo in cui si muovono i corpi umani, ma anche essere sicura con cui interagire. Pensateci: se l'articolazione del gomito di un robot sporge ad angoli strani o è abbastanza affilata da graffiare il disegno di un bambino, questo è un problema. Se l'articolazione del ginocchio si blocca improvvisamente quando qualcuno si appoggia per chiedere aiuto, è pericoloso. In questo caso, l'ergonomia non consiste solo nel far “sembrare” umano il robot: si tratta di progettare parti che funzionino con gli spazi umani, non contro di essi.
Cominciamo con l'ampiezza del movimento, perché è il primo controllo ergonomico. Gli esseri umani hanno una certa ampiezza di movimento per ciascuna articolazione: le nostre spalle ruotano di 360 gradi (beh, quasi), i nostri gomiti si piegano di 180, le nostre ginocchia si piegano solo in un modo, giusto? Le articolazioni dei robot umanoidi devono corrispondere a questo, ma senza esagerare: una portata eccessiva può provocare movimenti traballanti e instabili. Un cliente che ha costruito un robot per l'assistenza agli anziani mi ha detto che le sue articolazioni originali del ginocchio erano piegate solo di 90 gradi e quando hanno provato a programmarlo per inginocchiarsi alla stessa altezza di un anziano seduto, non ci sono riusciti. È qui che entra in gioco il giusto design del giunto. Non vendiamo solo parti standard; collaboriamo con i costruttori per modificare i limiti di portata in modo che il robot non superi o non abbia prestazioni inferiori. Ad esempio, le nostre articolazioni della spalla sono dotate di limitatori di coppia integrati che arrestano la rotazione prima che raggiungano un massimo simile a quello umano, prevenendo sia danni all'articolazione che urti accidentali alle persone vicine.
Successivamente, la sensibilità alla forza: questo è fondamentale per la sicurezza, che è fondamentale per l’ergonomia quando i robot si trovano in prossimità degli esseri umani. La pelle di un essere umano può avvertire pressione, quindi i nostri corpi regolano automaticamente la forza che usiamo quando tocchiamo un bicchiere o abbracciamo qualcuno. I robot hanno bisogno dello stesso senso, ma le loro articolazioni devono tradurlo in un movimento dolce, non rigido. Supponiamo che un umanoide stia passando un libro a un bambino: se l'articolazione del suo gomito non ha sensori di forza, potrebbe stringere troppo il libro o far oscillare il braccio abbastanza velocemente da far cadere una lampada. Le nostre parti articolari integrano sensori di coppia e forza a basso profilo direttamente nell'asse articolare, in modo che il robot possa regolare il proprio movimento in tempo reale. Abbiamo visto questo vantaggio nei piccoli robot umanoidi per l'istruzione, dove i bambini li prendono in braccio e muovono le braccia per esercizi di codifica: nessuno si è mai fatto male perché l'articolazione smetteva di muoversi quando sentiva il tocco umano.
Poi c'è l'adattamento fisico dell'articolazione stessa, perché siamo realisti: nessuno vuole un robot ingombrante che occupi il doppio dello spazio di un essere umano. Ergonomia qui significa giunti compatti e aerodinamici che si adattano alla struttura di un umanoide, in modo che possa attraversare le porte, sedersi su un divano o raggiungere uno scaffale come farebbe una persona. Gran parte di ciò sono i materiali che utilizziamo. Aspetta, potresti pensare "i materiali? È una questione di robotica, non di ergonomia", ma ascoltami. Se un giunto è fatto di metallo pesante e poco costoso, rende l’intero robot molto pesante, il che fa perdere l’equilibrio e rende difficile muoversi. Ecco perché collaboriamo con i costruttori per scegliere i materiali giusti, a seconda del loro caso d'uso. Ad esempio, i robot destinati a lavorare in spazi di vendita ristretti beneficiano di parti più leggere e durevoli: consigliamo anche di abbinare i nostri gruppi di giunzione con pezzi strutturali leggeri come i collegamenti del braccio robotico della macchina CNC che mantengono l'intero impianto sottile senza sacrificare la resistenza. Per i robot che devono sollevare oggetti più pesanti per la logistica (ma che lavorano comunque in prossimità dei magazzinieri), utilizziamo giunti in lega di acciaio a coppia elevata, ma li abbiniamo a coperture più leggere e flessibili come Plastic Robot Shell per ammorbidire i bordi. A proposito, queste coperture non sono solo per l'aspetto: i bordi arrotondati e non taglienti sulle articolazioni significano meno rischi di tagli accidentali, il che è puro design ergonomico.
Voglio anche parlare della modularità, che rappresenta un grande vantaggio ergonomico sia per i costruttori che per gli utenti finali. Come? Se si rompe un giunto, non è necessario sostituire l'intero robot: basta sostituire la parte difettosa. Non è solo conveniente per le riparazioni; consente ai costruttori di modificare il design del robot man mano che procedono. Ad esempio, un team universitario di robotica potrebbe iniziare con un'articolazione del ginocchio di base, per poi aggiornarla successivamente per la corsa (potrebbero sostituire la nostra articolazione del ginocchio modulare a coppia più elevata senza ricostruire l'intero gruppo della gamba). La modularità semplifica inoltre la calibrazione dei movimenti del robot, garantendo che ogni articolazione funzioni in sincronia, come un vero essere umano. Abbiamo visto i team risparmiare mesi di tempo sui test perché i nostri giunti modulari si collegano agli hub standard degli accessori per robot, quindi non devono cablare tutto da zero.
Aspetta, diventiamo reali sugli errori comuni che vedo. Molti nuovi costruttori di robot si concentrano sulle specifiche: coppia massima, velocità, prezzo, senza pensare a come il giunto interagisce con l’intero sistema umanoide. Ad esempio, un giunto ottimo per sollevare carichi pesanti potrebbe vibrare così tanto da far tremare la testa del robot (che è dotata di sensori per la navigazione), rendendo difficile per il robot riconoscere il volto di un essere umano o spostarsi in una stanza. Questo è un fallimento ergonomico perché anche se i movimenti del robot sono forti, non può interagire agevolmente con l'ambiente. I nostri giunti sono progettati con dispositivi di smorzamento delle vibrazioni integrati, in modo da non disturbare gli altri sistemi del robot. Un altro errore? Ignorare la distribuzione del peso. Se le articolazioni delle anche di un robot sono troppo pesanti, deve lavorare molto duramente solo per stare in piedi, il che riduce la durata della batteria e lo fa muovere lentamente. Aiutiamo i costruttori a bilanciare il peso delle articolazioni su tutto il corpo, in modo che ogni parte lavori con le altre, non contro di loro.
E per i robot che interagiscono con persone vulnerabili, come anziani o bambini, esiste un ulteriore livello di ergonomia: l'accessibilità. Un umanoide progettato per aiutare qualcuno che usa una sedia a rotelle a raggiungere i braccioli, prendere degli snack da un tavolo basso e muoversi abbastanza lentamente da consentire a qualcuno con mobilità ridotta di tenere il passo. Ciò significa che le sue articolazioni non possono muoversi troppo velocemente, devono essere precise e adattarsi a una cornice che non le renda troppo alte o corte. I nostri set di giunti personalizzati consentono ai costruttori di regolare la gamma di movimento e le impostazioni di velocità, in modo da poter adattare il robot a casi d'uso specifici. Abbiamo lavorato con un piccolo team che ha costruito un robot da compagnia per anziani affetti da demenza: hanno regolato l'articolazione del polso in modo che si muova lentamente e delicatamente quando viene consegnata una pillola e l'articolazione del gomito in modo che si fermi se rileva una presa debole, che impedisce all'anziano di far cadere le cose.
Ora parliamo ancora di materiali, perché sono legati a tutto. Non utilizziamo solo un materiale per tutti i giunti: lo adattiamo al lavoro. Ad esempio, le articolazioni delle spalle, che si muovono molto e sono soggette a sollecitazioni, devono essere durevoli, quindi utilizziamo acciaio legato di alta qualità. Per le articolazioni della parte inferiore delle gambe, che subiscono impatto quando si cammina, utilizziamo una miscela di alluminio e materiali compositi leggeri per mantenere il peso basso pur resistendo alla forza. Indichiamo sempre ai costruttori le nostre pagine Telaio per robot in alluminio e Parti per robot in metallo in acciaio inossidabile per supporti strutturali che completano le nostre articolazioni: ad esempio, un'articolazione del ginocchio abbinata a un telaio robusto rende l'intera gamba più stabile, senza movimenti traballanti. E per le parti esterne che entrano in contatto con le persone, come i coprigiunti, utilizziamo plastica adatta agli alimenti, non irritante e che non graffia la pelle, il che è fondamentale per i robot che interagiscono con bambini o persone in ambienti sanitari.
Aspetta, rispondiamo a una domanda che ricevo continuamente: "Qual è la differenza tra un normale giunto robotico e un giunto umanoide ergonomico?" Un normale giunto robotico è costruito per la velocità, la precisione e il sollevamento di carichi pesanti nelle fabbriche: a loro non importa se urtano un lavoratore, perché le fabbriche hanno gabbie di sicurezza. Giunti umanoidi? Devono bilanciare precisione con sicurezza, ampiezza di movimento con stabilità e forza con peso. Ecco perché ogni parte del giunto deve essere progettata pensando all'interazione umana. Anche i piccoli dettagli, come la fluidità della rotazione del giunto (nessuna macinazione, nessun movimento a scatti), fanno sembrare il robot più naturale, come una persona reale. Nessuno vuole stringere la mano a un robot che si muove come un giocattolo rotto; le articolazioni ergonomiche rendono l'interazione fluida.
So che molti costruttori di robot sono concentrati sullo sviluppo della tecnologia, ma a volte le innovazioni più importanti sono quelle che fanno sì che i robot funzionino per le persone, non solo per conto proprio. La prossima volta che vedi un robot umanoide che sembra intuitivo, che non sembra spaventoso o goffo, dai un'occhiata più da vicino: è probabile che le sue articolazioni siano progettate con quei principi ergonomici di cui sto parlando. Non sono solo pezzi di metallo e plastica; sono la ragione per cui un robot può inginocchiarsi per parlare con un bambino, passare una tazza senza rovesciarla o spostarsi in un soggiorno senza far cadere una lampada.
Se stai costruendo un robot umanoide e hai bisogno di parti articolari che bilancino prestazioni, sicurezza ed ergonomia, contattaci per parlare del tuo progetto. Possiamo aiutarvi a scegliere i componenti giusti, sia che abbiate bisogno di giunti modulari standard o di giunti progettati su misura per il vostro caso d'uso specifico. Lavoriamo con tutti, dai team di hobbisti ai partner industriali, quindi nessun progetto è troppo grande o troppo piccolo.
Riferimenti
- Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO). "Robot e dispositivi robotici: requisiti di sicurezza per robot umanoidi" ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. e Potkonjak, V. "Robot umanoidi: nozioni di base di modellazione e controllo" Springer, 2013.
- Ryu, J. e Kim, W. "Force Control for Safe Human-Robot Interaction: A Review" IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, n. 3, 2016, pp. 515-533.
- Zhang, L. et al. "Progettazione ergonomica di giunti robotici umanoidi per applicazioni di assistenza domestica" Atti della conferenza internazionale IEEE 2020 sulla robotica e l'automazione (ICRA), 2020, pp. 5678-5684.
