Đặt cạnh nhau, một cánh tay công nghiệp và cánh tay của robot hình người trông không khác nhau nhiều. Nhưng gần như mọi quyết định thiết kế bên trong đều đi theo hướng ngược lại, và lý do nằm ở chỗ chúng gắn vào đâu.
Khối lượng: từ không quan trọng thành quan trọng nhất
Cánh tay công nghiệp bắt xuống nền, nên khối lượng bản thân gần như không phải ràng buộc. Nặng thì cứng, cứng thì chính xác — đây là đánh đổi có lợi và nhà thiết kế khai thác nó triệt để.
Cánh tay robot hình người treo trên một thân đang tự giữ thăng bằng. Mỗi kilôgam thêm vào tay làm dịch trọng tâm, tăng quán tính khi vung, và ăn vào ngân sách pin.
Vì vậy cánh tay hình người luôn nhẹ hơn nhiều so với cánh tay công nghiệp cùng tầm với, và hệ quả trực tiếp là kém cứng vững hơn.
Đây không phải khiếm khuyết cần khắc phục mà là hệ quả tất yếu, và cách làm việc phải thiết kế quanh nó thay vì cố đạt độ chính xác kiểu công nghiệp.
Bảy khớp thay vì sáu
Cánh tay công nghiệp thường có sáu bậc tự do — đủ để đặt đầu công tác ở vị trí và hướng bất kỳ.
Cánh tay hình người thường có bảy, giống cánh tay người. Bậc thứ bảy là dư, nghĩa là với cùng một tư thế bàn tay, có vô số cách sắp xếp khuỷu.
Điều này mang lại ba lợi ích trong bối cảnh hình người: tránh vật cản bằng cách xoay khuỷu mà giữ nguyên tay; tránh tư thế xấu về mặt động học; và chọn cấu hình ít ảnh hưởng tới thăng bằng nhất.
Lợi ích thứ ba là lý do đặc thù của robot hình người: bộ điều khiển toàn thân dùng phần tự do dư này để giảm ảnh hưởng của chuyển động tay lên trọng tâm.
Điều khiển theo lực thay vì theo vị trí
Cánh tay công nghiệp chủ yếu điều khiển vị trí: đi tới toạ độ và giữ ở đó bất kể có gì cản.
Cánh tay hình người phải làm ngược lại ở nhiều tình huống. Nó làm việc gần người, chạm vào vật chưa biết, và bản thân nó gắn trên một nền không cố định — nên cứng nhắc theo vị trí là nguy hiểm và thường không đạt được.
Vì vậy các thiết kế hiện nay ưu tiên khả năng cảm nhận và điều chỉnh lực: cơ cấu có tỉ số truyền vừa phải để cảm nhận được tải từ bên ngoài, hoặc có cảm biến mô men tại từng khớp.
Kết quả là cánh tay có thể bị đẩy đi và nhường, thay vì chống lại tới khi hỏng. Đây là đặc tính bắt buộc khi làm việc cạnh người.
Tầm với và không gian làm việc
Cánh tay công nghiệp được chọn tầm với theo trạm làm việc. Cánh tay hình người bị ràng buộc bởi tỉ lệ cơ thể: dài quá thì trông và hoạt động không tự nhiên, và làm dịch trọng tâm mạnh khi vươn.
Bù lại, robot hình người có một khả năng mà cánh tay cố định không có: di chuyển cả thân. Không gian làm việc thực tế của nó là không gian nó đi tới được, không phải chỉ vùng tay với tới.
Điều này đổi cách thiết kế nhiệm vụ. Thay vì chọn cánh tay đủ dài để với tới mọi thứ, robot bước lại gần rồi thao tác trong vùng thuận lợi — nơi nó cứng vững nhất và ít ảnh hưởng thăng bằng nhất.
Vùng thuận lợi đó thường nằm trước ngực, ngang tầm hông tới vai. Thiết kế trạm làm việc để vật nằm trong vùng này cải thiện hiệu quả nhiều hơn mọi nỗ lực về điều khiển.
Hai tay và bài toán phối hợp
Robot hình người có sẵn hai tay, nên các nhiệm vụ cần hai điểm cầm trở nên khả thi mà không cần đồ gá.
Nhưng hai tay gắn trên cùng một thân tạo ra ràng buộc mà hai robot riêng biệt không có: chúng chia sẻ cùng một gốc, và gốc đó đang di chuyển.
Khi cả hai tay cùng giữ một vật, sai lệch tư thế thân ảnh hưởng tới cả hai cùng lúc. Điều này thực ra có lợi — hai tay dịch cùng nhau thì lực nội bộ không tăng — nhưng nó cũng nghĩa là mọi rung động của thân đều truyền vào vật.
Ngược lại, khi một tay giữ và một tay thao tác, robot có lợi thế lớn so với cánh tay đơn: nó tự tạo ra đồ gá cho chính mình, và đồ gá đó điều chỉnh được.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cánh tay hình người có bảy khớp?
Vì bậc thứ bảy cho phép xoay khuỷu mà không đổi tư thế bàn tay, giúp tránh vật cản và tránh các cấu hình bất lợi. Với robot hình người, nó còn được dùng để chọn tư thế ít ảnh hưởng tới thăng bằng nhất.
Cánh tay hình người có chính xác bằng cánh tay công nghiệp không?
Không, và khoảng cách khá lớn. Nguyên nhân là kết cấu nhẹ hơn nên kém cứng vững, cộng với việc gốc toạ độ nằm trên một thân đang tự giữ thăng bằng. Bù lại, nó dựa vào phản hồi thị giác và lực tại chỗ thay vì đi tới toạ độ tuyệt đối.
Vùng làm việc thuận lợi của robot hình người ở đâu?
Thường là vùng trước ngực, khoảng từ tầm hông tới tầm vai, nơi cánh tay gần thân nên cứng vững hơn và ít làm dịch trọng tâm. Thiết kế trạm để vật nằm trong vùng này cải thiện đáng kể tỉ lệ thành công.
Có nên dùng cánh tay công nghiệp gắn lên robot di động thay thế không?
Trong nhiều ứng dụng thì đó là lựa chọn hợp lý hơn: cứng vững hơn, chính xác hơn và bền hơn. Nhược điểm là nặng, tiêu tốn nhiều điện và thường không có khả năng cảm nhận lực cần thiết khi làm việc gần người.
Đọc thêm trong Các mẫu robot hình người và Tổng quan robot hình người.
