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| 本文作者： 楊波 | 2016-08-16 18:08 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者Bernt ?ivind B?rnich & Phuong Nguyen，來源robohub，由雷鋒網(wǎng)獨家編譯，未經(jīng)許可拒絕轉(zhuǎn)載！
機(jī)器人Eve是我們利用力量控制，從零開始打造出來的，我們想讓它像人類一樣敏捷、高效。接下來，我們將聊聊這樣打造Eve的原因，這些想法或許能為我們脫離工業(yè)制造的束縛提供一些靈感。
一些背景
1987年，Halodi Robotics的創(chuàng)始人P?l L?ken在一間技術(shù)型大學(xué)讀書，他見證了新一代工業(yè)機(jī)器人的誕生。那時候，人們熱切希望看到更便宜、體積更小的商業(yè)機(jī)器人，并認(rèn)為這種機(jī)器人的到來已經(jīng)指日可待?？墒?，大約30年后的今天，我們?nèi)栽诼N首期待著。當(dāng)P?l認(rèn)為是時候見證智能且便宜的消費型機(jī)器人的誕生時，我們就創(chuàng)造了Eve。
當(dāng)我們準(zhǔn)備要打造Eve的時候，我們先研究了諧波齒輪和高速電動機(jī)的傳統(tǒng)工藝制法。眾所周知，工業(yè)型機(jī)器人的生產(chǎn)中大多采用這種技術(shù)。但是我們意識到，這種技術(shù)會提高造價，同時限制機(jī)器人的運作和可控性。
在過去的三十年中，在縮形技術(shù)逐步發(fā)展起來的同時，機(jī)器人控制器的基本促動機(jī)制卻裹足不前，甚至那些創(chuàng)新型協(xié)作機(jī)器人仍在使用諧波齒輪和高速電動機(jī)進(jìn)行促動。
以下是我們打造Eve時考慮到的幾點因素：
摩擦力
在齒輪運作中，需要選擇其間隙和摩擦之間的平衡點，而在機(jī)器人技術(shù)中，低齒輪間隙點可以獲得更好地準(zhǔn)確度和復(fù)制性。這會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)自身產(chǎn)生極高的摩擦力，另外，摩擦力是由齒輪比例決定的，一般最小的是100:1。要意識到的是，現(xiàn)在，摩擦力和齒輪間隙都不能精準(zhǔn)地塑模。
反射慣性
當(dāng)齒輪以100:1的速率驅(qū)動發(fā)動機(jī)運作時，旋翼和桿需要比咬合點轉(zhuǎn)動快100下。因為運動力以速度的平方在運轉(zhuǎn)，慣性是總齒輪比的平方，所以就是10000下。這意味著，就算是非常輕的旋翼和桿也會讓機(jī)械臂對外界力變得非常不敏感。
驅(qū)動機(jī)械臂力
驅(qū)動機(jī)械臂力是外部環(huán)境向發(fā)動機(jī)直接傳輸?shù)哪芰?，因此?qū)動機(jī)械臂力反映了外部環(huán)境中的力量的可控性。同時，驅(qū)動機(jī)械臂力還受摩擦力和反射慣性控制。
我們的方法
在傳統(tǒng)機(jī)器人控制中，驅(qū)動機(jī)械臂力的缺失可以視為一個優(yōu)勢。通過控制一個在高處運作的齒輪，咬合點會高度受壓、分離，以至可以抵抗外部壓力。這個方法有極好的定位精準(zhǔn)度和速度控制性，但是它與接觸力不兼容，所以我們要確保它的高精準(zhǔn)度，并配備一些彈跳/減震系統(tǒng)。
正常情況下，下一步要解決的是控制力的問題，這在過去的幾年里已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但研究結(jié)果至今還停留在學(xué)術(shù)界——一般只有模仿的系統(tǒng)，因為極大的摩擦力和齒輪間隙讓機(jī)器人無法高效使用這些控制器?？刂屏νㄟ^操控不同的公式，讓它們能夠產(chǎn)生發(fā)動機(jī)需要的最佳扭轉(zhuǎn)力。這當(dāng)中產(chǎn)生了許多更柔軟、高效的動力，包括觸點壓力。
顯而易見的是，家用機(jī)器人必須是全力控制的機(jī)器人，它的咬合點要具備更多的驅(qū)動機(jī)械臂力。
低總齒輪比的機(jī)械臂會比人類的手臂更強壯嗎？
我們針對市面上的商業(yè)化發(fā)動機(jī)做了一項調(diào)查，答案是否定的，很多發(fā)動機(jī)只適應(yīng)中速到高速的運轉(zhuǎn)。這是因為效率隨著每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的增加而增加，而熱功率的減少變得更少——這個假設(shè)在考慮到整個系統(tǒng)的條件下就不成立了。在齒輪高速運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，很多能量以摩擦力和齒輪間隙的方式消耗了，這讓整體效率比發(fā)動機(jī)效率低很多。如果我們可以用金屬項圈造一個發(fā)動機(jī)的話，驅(qū)動機(jī)械臂力可以讓外部環(huán)境和發(fā)動機(jī)之前的能量流動消耗得更少，讓我們能通過再生制動重新獲得這些能量，補償熱功率的流失。在機(jī)器人技術(shù)中，這個原理更能成立，因為很多運動起始的能量值幾乎相同。
在翻閱大量書籍和研究成果后，我們認(rèn)為發(fā)動機(jī)技術(shù)的下一個突破點在金屬項圈上，而不是速度。最后我們研制出了超前的發(fā)動機(jī)技術(shù)，它能讓運載重量比是市面上發(fā)動機(jī)四倍的金屬項圈。
有了發(fā)動機(jī)上的金屬項圈，我們開始研發(fā)REVO-1。借鑒從力觸覺領(lǐng)域得到的靈感，我們采用了一個由電纜驅(qū)動的差分傳輸。
REVO-1通過在每個轉(zhuǎn)移點上反固定的一組混合電纜進(jìn)行運作，我們花了很長時間確定電纜的幾何學(xué)構(gòu)造和它們的包裹物不會導(dǎo)致電纜變形，這讓我們能將電纜拉長到齒輪間隙為零的長度。另外，近乎完美的幾何構(gòu)造讓的電纜永遠(yuǎn)不會變形，摩擦力接近零，同時也不產(chǎn)生任何噪音。最后一步是要讓咬合點存在各種差異性，并由不同的電纜驅(qū)動。除了壓縮咬合點并將更多的重量移動到運動鏈系上，它還能讓一對發(fā)動機(jī)共享能源——這讓機(jī)器人變強兩倍！
另外，這讓Eve的摩擦力和慣性變得很低，低到你用指頭觸摸，就可以自如地移動她。就算所有能量都轉(zhuǎn)移到了發(fā)動機(jī)上，她也能承受住各種壓力，毫發(fā)無傷。
因為我們完全掌控了動力，我們知道手臂應(yīng)該如何運動，以及它和外動力之前的任何偏離，這讓我們打造了一個7自由度機(jī)械臂。
關(guān)于造價
Eve是一個很復(fù)雜的機(jī)器，它的外表是鋁、鐵以及復(fù)合電纜。E-Ink display, FPGAs, IMUs以及其它感應(yīng)器都是批量生產(chǎn)且廉價的，這使發(fā)動機(jī)、驅(qū)動程序和編碼器的造價相對昂貴。因為他們是內(nèi)部制造的產(chǎn)物，所以我們從一開始就關(guān)注生產(chǎn)可行性。確保低價使我們相信，未來我們能達(dá)到以價格主導(dǎo)的銷售目標(biāo)。
測試開始后，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，在沒有載物的情況下，機(jī)械手臂的移動使用了大約2到15瓦。對移動不受限制的機(jī)器人而言，能量的消耗至關(guān)重要，電池的大小也是造價的關(guān)鍵因素。
怎么看待當(dāng)前市場上的協(xié)作型機(jī)器人？它們也以反轉(zhuǎn)作為賣點？
要實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，有以下幾個關(guān)鍵點：
1. 模擬力量感應(yīng)器的使用，對外部能量進(jìn)行虛擬轉(zhuǎn)化；
2. 用有彈性的促動器與彈跳器兼容；
3.低總齒輪比（大概100左右），使巨大的外部力量得以轉(zhuǎn)換。
雖然它能在低速條件下良好運轉(zhuǎn)，但是在與外界互動的過程中，它尚不能模擬人類手臂的敏捷度和速度。
我們的機(jī)器人真的實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)以及低摩擦力，在機(jī)械操作上，它能在控制軟件中移動物體——這意味著Eve的前景十分光明，我們希望在未來的若干年里，能與學(xué)界以及機(jī)器人社區(qū)合作，將其靈敏度和速度不斷推向極限。
機(jī)器人的下一步怎么走？
目前，我們在尋找投資方，幫助打造Eve的云大腦，這樣就可以將她從產(chǎn)品原型推向大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。在這樣一個集能力與低價為一身的機(jī)器人身上，我們想要打造她大腦內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)。我們希望讓Eve聰明到知道如何導(dǎo)航并分析周圍的環(huán)境、注意到物體在哪里，并能夠精準(zhǔn)地抓住它們。利用這些信息，它就能執(zhí)行更復(fù)雜的復(fù)合型任務(wù)——在云端的App store中這將以眾包的方式實現(xiàn)。欲知詳情，請點擊www.halodi.com
目前，我們在研發(fā)Eve原型的第二個版本，主要是為了能展示給大家看。那么，請繼續(xù)關(guān)注我們吧！
via robohub
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