مرحبًا يا شباب، إذا كنتم قد تساءلتم يومًا لماذا لا تبدو الروبوتات البشرية وكأنها آلات ثقيلة وغريبة تتعثر في المساحات المخصصة للناس، فدعونا نحلل أحد أكثر الأبطال المجهولين في تلك الحركة السلسة: الأجزاء المفصلية الخاصة بهم. باعتباري موردًا للمكونات المشتركة للروبوتات البشرية، أتحدث كل يوم إلى صانعي الروبوتات والهواة والمهندسين الذين يركزون اهتمامهم على الماكينات عالية التقنية أو أدمغة الذكاء الاصطناعي الفاخرة - وينامون على الأجزاء الصغيرة المريحة التي تجعل الأمر برمته يعمل مع البشر (وليس ضدهم). دعونا ندخل في التفاصيل الجوهرية لكيفية تشكيل هذه المفاصل لقابلية استخدام الروبوت وسلامته وحيويته العامة، لا يوجد مصطلحات كتابية خانقة، نعد بذلك.
أولاً، ما هي "الجوانب المريحة" لمفاصل الروبوت؟ بالنسبة للإنسان، هذا يعني أن كل مفصل (الكتفين والمرفقين والمعصمين والوركين والركبتين والكاحلين) يجب أن يحاكي كيفية تحرك الأجسام البشرية، ولكن أيضًا يكون آمنًا للتفاعل معها. فكر في الأمر: إذا كان مفصل مرفق الروبوت يبرز بزوايا غريبة أو كان حادًا بما يكفي ليخدش رسم طفل، فهذه مشكلة. إذا انغلق مفصل الركبة فجأة عندما يتكئ عليه شخص ما طلبًا للمساعدة، فهذا يشكل خطرًا. لا تقتصر بيئة العمل هنا على جعل الروبوت "يبدو" إنسانيًا فحسب، بل يتعلق أيضًا بتصميم الأجزاء التي تعمل مع المساحات البشرية، وليس ضدها.
لنبدأ بنطاق الحركة، لأن هذا هو أول فحص مريح. لدى البشر نطاق معين من الحركة لكل مفصل: أكتافنا تدور 360 درجة (حسنًا، تقريبًا)، ومرفقنا ينحني 180، وركبنا تنحني في اتجاه واحد فقط، أليس كذلك؟ يجب أن تتطابق مفاصل الروبوتات البشرية مع ذلك، ولكن لا تتجاوز حدودها - فالنطاق الكبير يؤدي إلى حركة متذبذبة وغير مستقرة. لقد كان لدي عميل قام ببناء روبوت لرعاية المسنين وأخبرني أن مفاصل الركبة الأصلية كانت تنحني بمقدار 90 درجة فقط، وعندما حاولوا برمجته ليركع على نفس ارتفاع أحد كبار السن الجالسين، لم يتمكنوا من ذلك. وهنا يأتي دور التصميم المشترك الصحيح. نحن لا نبيع فقط الأجزاء الجاهزة؛ نحن نعمل مع شركات البناء لتعديل حدود النطاق حتى لا يتجاوز الروبوت أو يضعف أداؤه. على سبيل المثال، تحتوي مفاصل الكتف لدينا على محددات عزم الدوران المدمجة التي توقف الدوران قبل أن تصل إلى الحد الأقصى الذي يشبه الإنسان، مما يمنع تلف المفصل والصدمات العرضية للأشخاص القريبين.
بعد ذلك، حساسية القوة - وهذا أمر مهم للسلامة، وهو أمر أساسي لبيئة العمل عندما تكون الروبوتات حول البشر. يمكن أن يشعر جلد الإنسان بالضغط، لذلك تقوم أجسامنا تلقائيًا بضبط مقدار القوة التي نستخدمها عندما نلمس كوبًا أو نعانق شخصًا ما. تحتاج الروبوتات إلى نفس الحاسة، لكن يجب على مفاصلها ترجمة ذلك إلى حركة لطيفة وليست جامدة. لنفترض أن أحد الروبوتات يمرر كتابًا إلى طفل: إذا لم يكن مفصل مرفقه مزودًا بأجهزة استشعار للقوة، فقد يضغط على الكتاب بشدة، أو يؤرجح ذراعه بسرعة كافية لضرب المصباح. تقوم أجزاء المفاصل الخاصة بنا بدمج أجهزة استشعار عزم الدوران والقوة المنخفضة في محور المفصل مباشرةً، حتى يتمكن الروبوت من ضبط حركته في الوقت الفعلي. لقد رأينا هذا يؤتي ثماره في الروبوتات الصغيرة للتعليم، حيث يلتقطها الأطفال ويحركون أذرعهم لتمارين البرمجة - لم يتأذى أحد على الإطلاق لأن المفصل توقف عن الحركة عندما شعر بلمسة بشرية.
ثم هناك الملاءمة الجسدية للمفصل نفسه، لأننا لنكن واقعيين - لا أحد يريد روبوتًا ضخمًا يشغل مساحة تبلغ ضعف مساحة الإنسان. تعني بيئة العمل هنا مفاصل مدمجة ومبسطة تتلاءم مع إطار الإنسان، حتى تتمكن من التنقل في المداخل، أو الجلوس على الأريكة، أو الوصول إلى الرف كما يفعل الشخص. جزء كبير من ذلك هو المواد التي نستخدمها. انتظر، ربما تفكر في "المواد؟ هذا شيء يتعلق بالروبوتات، وليس بيئة العمل" - ولكن اسمعني. إذا كان المفصل مصنوعًا من معدن ثقيل ورخيص الثمن، فإنه يجعل الروبوت بأكمله ثقيلًا للغاية، مما يؤدي إلى اختلال التوازن ويجعل من الصعب التحرك. ولهذا السبب، نعمل مع شركات البناء لاختيار المواد المناسبة، اعتمادًا على حالة الاستخدام الخاصة بها. على سبيل المثال، تستفيد الروبوتات المخصصة للعمل في مساحات البيع بالتجزئة الضيقة من الأجزاء الخفيفة والمتينة - حتى أننا نوصي بإقران مجموعاتنا المشتركة مع أجزاء هيكلية خفيفة الوزن مثل وصلات ذراع الروبوت لآلة CNC التي تحافظ على نحافة الجهاز بأكمله دون التضحية بالقوة. بالنسبة للروبوتات التي تحتاج إلى رفع أشياء أثقل لأغراض لوجستية (لكنها لا تزال تعمل حول عمال المستودعات)، فإننا نستخدم وصلات من سبائك الصلب ذات عزم دوران عالي، ولكن نقترنها بأغطية أخف وزنًا ومرنة مثل غلاف الروبوت البلاستيكي لتنعيم الحواف. وبالحديث عن ذلك، فإن هذه الأغطية ليست مخصصة للمظهر فقط - فالحواف الدائرية وغير الحادة على المفاصل تعني تقليل خطر حدوث جروح عرضية، وهو تصميم مريح تمامًا.
أريد أيضًا أن أتحدث عن النمطية، وهو فوز مريح كبير لكل من المنشئين والمستخدمين النهائيين. كيف؟ إذا انكسر المفصل، فلن تضطر إلى استبدال الروبوت بالكامل - كل ما عليك فعله هو استبدال الجزء المعيب. هذا ليس مناسبًا للإصلاحات فحسب؛ فهو يتيح للبناة تعديل تصميم الروبوت أثناء تقدمهم. على سبيل المثال، قد يبدأ فريق الروبوتات الجامعي بمفصل ركبة أساسي، ثم يقوم بترقيته لاحقًا للجري (يمكنهم تبديل مفصل الركبة المعياري ذو عزم الدوران العالي دون إعادة بناء مجموعة الساق بالكامل). كما أن النمطية تجعل من السهل معايرة حركات الروبوت، مما يضمن عمل كل مفصل بشكل متزامن، مثل الإنسان الحقيقي. لقد رأينا فرقًا توفر أشهرًا من الوقت في الاختبار لأن مفاصلنا المعيارية يتم توصيلها بمحاور ملحقات الروبوت القياسية، لذلك لا يتعين عليهم توصيل كل شيء من الصفر.
انتظر، دعونا نتعرف على الأخطاء الشائعة التي أراها. يركز الكثير من صانعي الروبوتات الجدد على المواصفات: الحد الأقصى لعزم الدوران، والسرعة، والسعر، دون التفكير في كيفية تفاعل المفصل مع النظام البشري بأكمله. على سبيل المثال، قد يهتز المفصل المناسب لرفع الأثقال كثيرًا مما يجعل رأس الروبوت (الذي يحتوي على أجهزة استشعار للملاحة) مهتزًا، مما يجعل من الصعب على الروبوت التعرف على وجه الإنسان أو التنقل في الغرفة. وهذا فشل مريح لأنه حتى لو كانت حركات الروبوت قوية، فإنه لا يمكنه التفاعل بسلاسة مع بيئته. تم تصميم مفاصلنا بحيث تحتوي على خاصية تخفيف الاهتزازات، بحيث لا تتخلص من أنظمة الروبوت الأخرى. خطأ آخر؟ إهمال توزيع الوزن. إذا كانت مفاصل الورك لدى الروبوت ثقيلة للغاية، فسيتعين عليه بذل جهد إضافي لمجرد الوقوف، مما يستنزف عمر البطارية ويجعله يتحرك ببطء. نحن نساعد البناة على موازنة وزن المفاصل في الجسم كله، بحيث يعمل كل جزء مع الأجزاء الأخرى، وليس ضدها.
وبالنسبة للروبوتات التي تتفاعل مع الأشخاص الضعفاء - مثل كبار السن أو الأطفال - هناك طبقة إضافية من بيئة العمل: إمكانية الوصول. يحتاج الإنسان المصمم لمساعدة شخص يستخدم كرسيًا متحركًا إلى الوصول إلى مساند الذراعين، والتقاط الوجبات الخفيفة من طاولة منخفضة، والتحرك ببطء بما يكفي حتى يتمكن شخص ذو قدرة محدودة على الحركة من مواكبة ذلك. وهذا يعني أن مفاصلها لا يمكنها التحرك بسرعة كبيرة، ويجب أن تكون دقيقة، وأن تتناسب مع إطار لا يجعلها طويلة جدًا أو قصيرة جدًا. تسمح مجموعات المفاصل المخصصة لدينا للبناة بضبط نطاق إعدادات الحركة والسرعة، حتى يتمكنوا من تخصيص الروبوت ليناسب حالات استخدام محددة. لقد عملنا مع فريق صغير قام ببناء روبوت مرافق لكبار السن المصابين بالخرف، حيث قاموا بتعديل مفصل الرسغ ليتحرك ببطء ولطف عند إعطاء حبوب منع الحمل، ومفصل الكوع ليتوقف عن الحركة إذا شعر بقبضة ضعيفة، مما يمنع كبار السن من إسقاط الأشياء.
الآن، دعونا نتحدث عن المواد مرة أخرى، لأن ذلك يرتبط بكل شيء. نحن لا نستخدم مادة واحدة فقط لجميع المفاصل، بل نطابقها مع الوظيفة. على سبيل المثال، يجب أن تكون مفاصل الكتف، التي تتحرك كثيرًا وتتعرض للضغط، متينة، لذلك نستخدم سبائك الفولاذ عالية الجودة. بالنسبة للمفاصل الموجودة في الجزء السفلي من الساقين، والتي تتأثر عند المشي، نستخدم مزيجًا من الألومنيوم والمواد المركبة خفيفة الوزن للحفاظ على الوزن منخفضًا مع تحمل القوة. نوجه دائمًا شركات البناء إلى صفحات هيكل الروبوت المصنوع من الألومنيوم وأجزاء الروبوت المعدنية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ للحصول على الدعم الهيكلي الذي يكمل مفاصلنا - مثل مفصل الركبة المقترن بهيكل قوي يجعل الساق بأكملها أكثر استقرارًا، ولا توجد حركة متذبذبة. وبالنسبة للأجزاء الخارجية التي تتلامس مع الأشخاص، مثل أغطية المفاصل، فإننا نستخدم مواد بلاستيكية آمنة للطعام وغير مهيجة ولا تخدش الجلد، وهو أمر أساسي للروبوتات التي تتفاعل مع الأطفال أو الأشخاص في أماكن الرعاية الصحية.
انتظر، دعنا نتناول السؤال الذي أطرحه دائمًا: "ما الفرق بين المفصل الآلي العادي والمفاصل البشرية المريحة؟" تم تصميم مفصل آلي عادي من أجل السرعة والدقة ورفع الأحمال الثقيلة في المصانع، فهم لا يهتمون إذا اصطدموا بالعامل، لأن المصانع لديها أقفاص أمان. مفاصل بشرية؟ عليهم أن يوازنوا بين الدقة والسلامة، ونطاق الحركة مع الاستقرار، والقوة مع الوزن. ولهذا السبب يجب تصميم كل جزء من المفصل مع وضع التفاعل البشري في الاعتبار. حتى التفاصيل الصغيرة، مثل مدى سلاسة دوران المفصل - بدون طحن أو حركة متشنجة - تجعل الروبوت يبدو طبيعيًا أكثر، وكأنه شخص حقيقي. لا أحد يريد أن يصافح روبوتًا يتحرك مثل لعبة مكسورة؛ المفاصل المريحة تجعل هذا التفاعل يبدو سلسًا.
أعلم أن الكثير من صانعي الروبوتات يركزون على دفع التكنولوجيا إلى الأمام، لكن في بعض الأحيان تكون الابتكارات الأكثر أهمية هي تلك التي تجعل الروبوتات تعمل لصالح الأشخاص، وليس فقط بمفردهم. في المرة القادمة التي ترى فيها روبوتًا بشريًا يشعر بالحدس، ولا يشعر بالخوف أو الثقل، قم بإلقاء نظرة فاحصة - من المحتمل أن تكون مفاصله مصممة بهذه المبادئ المريحة التي أتحدث عنها. إنها ليست مجرد قطع معدنية وبلاستيكية؛ إنها السبب وراء قدرة الروبوت على الركوع للتحدث مع طفل، أو تمرير كوب دون أن ينسكب، أو التنقل في غرفة المعيشة دون أن يطرق المصباح.
إذا كنت تقوم ببناء روبوت بشري وتحتاج إلى أجزاء مشتركة توازن بين الأداء والسلامة وبيئة العمل، فتواصل معنا للدردشة حول مشروعك. يمكننا مساعدتك في اختيار المكونات المناسبة، سواء كنت بحاجة إلى وصلات معيارية قياسية أو وصلات مصممة خصيصًا لحالة الاستخدام الخاصة بك. نحن نعمل مع الجميع بدءًا من فرق الهواة وحتى الشركاء الصناعيين، لذلك لا يوجد مشروع كبير جدًا أو صغير جدًا.
مراجع
- المنظمة الدولية للمعايير (ISO). "الروبوتات والأجهزة الروبوتية - متطلبات السلامة للروبوتات البشرية" ISO 13482:2014.
- فوكوبراتوفيتش، إم. وبوتكونجاك، ف. "الروبوتات البشرية: أساسيات النمذجة والتحكم" سبرينغر، 2013.
- Ryu, J. and Kim, W. "التحكم في القوة من أجل التفاعل الآمن بين الإنسان والروبوت: مراجعة" IEEE Transactions on Robotics، المجلد. 32، لا. 3، 2016، ص 515-533.
- تشانغ، L. وآخرون. "التصميم المريح لمفاصل الروبوتات البشرية لتطبيقات المساعدة المنزلية" وقائع مؤتمر IEEE الدولي لعام 2020 حول الروبوتات والأتمتة (ICRA)، 2020، الصفحات من 5678 إلى 5684.
