Khớp của robot hình người phải làm hai việc mâu thuẫn: sinh mô men lớn để nâng cơ thể, và đủ nhạy để cảm nhận lực từ bên ngoài. Không phương án truyền động nào làm tốt cả hai, nên lựa chọn ở đây định hình toàn bộ tính cách của robot.
Động cơ với hộp số giảm tốc tỉ số cao
Đây là phương án truyền thống, kế thừa từ robot công nghiệp. Một động cơ nhỏ quay nhanh, qua hộp số giảm tốc nhiều lần để cho mô men lớn ở khớp.
Ưu điểm: mô men rất lớn với động cơ nhỏ và nhẹ; giữ tư thế tốn ít năng lượng vì tỉ số truyền cao tạo hiệu ứng tự hãm; điều khiển vị trí chính xác.
Nhược điểm quyết định: tỉ số truyền cao khiến lực từ bên ngoài rất khó truyền ngược về động cơ. Robot không cảm nhận được khi bị chạm, và cũng không nhường khi bị đẩy.
Hệ quả: robot cứng như một khối. Khi va chạm, toàn bộ lực dồn vào cơ cấu và vào vật bị đụng. Đây là lý do phương án này ngày càng ít được dùng cho robot làm việc gần người.
Động cơ mô men cao, tỉ số truyền thấp
Hướng ngược lại: dùng động cơ đường kính lớn sinh mô men cao ngay ở tốc độ thấp, kết hợp hộp số tỉ số thấp hoặc không có hộp số.
Ưu điểm: lực từ bên ngoài truyền ngược về động cơ dễ dàng, nên có thể ước lượng mô men tiếp xúc từ dòng điện mà không cần cảm biến riêng. Robot nhường khi bị đẩy, và phản ứng nhanh với va chạm.
Điều này rất quan trọng: nó cho phép điều khiển theo mô men ở mọi khớp mà không cần thêm phần cứng.
Nhược điểm: động cơ nặng và to hơn cho cùng mô men; giữ tư thế tiêu tốn dòng liên tục vì không có hiệu ứng tự hãm; sinh nhiệt nhiều hơn khi đứng yên chịu tải.
Đây là hướng được nhiều thiết kế robot hình người và robot bốn chân hiện đại chọn, vì khả năng cảm nhận lực quan trọng hơn hiệu suất giữ tư thế.
Dẫn động bằng dây
Động cơ đặt ở thân hoặc ở gốc chi, truyền lực xuống khớp xa bằng dây chạy qua các ròng rọc.
Ưu điểm lớn nhất: khối lượng dồn về gần thân, nên phần xa rất nhẹ. Quán tính chi giảm mạnh, cho phép chuyển động nhanh và phản ứng lẹ.
Đây là lý do phương án này phổ biến trong bàn tay và trong một số thiết kế cánh tay nhẹ.
Nhược điểm: dây giãn theo thời gian nên cần căng lại; dây có thể đứt và đó là dạng hỏng đột ngột; ma sát trong đường dẫn làm giảm hiệu suất và làm việc ước lượng lực kém chính xác; và cơ cấu chỉ kéo được một chiều nên cần hai dây hoặc lò xo hồi vị cho mỗi bậc.
Phương án này mạnh ở chỗ cần nhẹ và nhanh, yếu ở chỗ cần bền và chính xác lâu dài.
Ba con số cần đọc khi so sánh
Ngoài mô men tối đa, ba thông số sau nói lên nhiều hơn.
Mô men liên tục so với mô men đỉnh. Mô men đỉnh chỉ duy trì được trong thời gian ngắn trước khi động cơ nóng. Với robot phải giữ tư thế lâu, mô men liên tục mới là con số quyết định.
Mật độ mô men trên khối lượng. Vì mọi kilôgam đều là gánh nặng, đây là chỉ số so sánh công bằng hơn mô men tuyệt đối.
Độ rơ. Ảnh hưởng trực tiếp tới độ lặp lại và tới việc điều khiển có ổn định không. Hộp số chính xác có độ rơ rất nhỏ nhưng đắt và nặng hơn.
Một con số nữa ít được công bố nhưng rất quan trọng: khả năng truyền ngược — lực bao nhiêu ở khớp thì làm động cơ quay. Con số này quyết định robot có cảm nhận được va chạm hay không.
Chọn theo vị trí trên cơ thể
Không nhất thiết dùng một phương án cho mọi khớp. Nhiều thiết kế phối hợp.
- Khớp chân chịu tải lớn — hông, gối: cần mô men cao và khả năng hấp thụ va chạm, thường dùng động cơ mô men cao tỉ số thấp.
- Khớp cổ chân: cần mô men lớn nhưng phải nhẹ vì ở xa; một số thiết kế đặt động cơ ở cẳng chân và truyền xuống bằng thanh nối hoặc dây.
- Khớp vai và khuỷu: cân bằng giữa mô men và khả năng cảm nhận lực.
- Cổ tay và ngón: ưu tiên nhẹ, thường dùng dẫn động bằng dây hoặc động cơ nhỏ có hộp số.
Nguyên tắc chung xuyên suốt: khối lượng càng ở xa thân càng phải nhẹ, và điều này thường quan trọng hơn việc chọn được phương án có thông số đẹp nhất trên giấy.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao tỉ số truyền cao lại làm robot không cảm nhận được va chạm?
Vì hộp số tỉ số cao khuếch đại mô men theo chiều từ động cơ ra khớp, nhưng theo chiều ngược lại nó chia nhỏ tín hiệu đi rất nhiều lần, cộng thêm ma sát trong hộp số che lấp phần còn lại. Lực ở khớp gần như không tới được động cơ.
Động cơ mô men cao có tốn điện hơn không?
Khi giữ tư thế thì có, vì không có hiệu ứng tự hãm nên phải duy trì dòng liên tục. Khi chuyển động thì không nhất thiết, và khả năng thu hồi năng lượng khi hãm lại tốt hơn nhờ tỉ số truyền thấp.
Dây dẫn động bao lâu phải căng lại?
Tuỳ vật liệu dây và mức tải, nhưng dây thường giãn nhiều nhất trong giai đoạn đầu sau khi lắp rồi ổn định dần. Nên kiểm tra thường xuyên trong những tuần đầu và sau đó theo lịch định kỳ, kèm theo dõi vị trí cuối hành trình như một chỉ báo.
Có thể thay hộp số tỉ số cao bằng cảm biến mô men không?
Có, và nhiều robot làm vậy: giữ hộp số tỉ số cao nhưng lắp cảm biến mô men ngay tại đầu ra khớp. Cách này cho phép điều khiển theo mô men, nhưng đắt hơn, phức tạp hơn và phản ứng vẫn chậm hơn so với cơ cấu vốn truyền ngược được.
Đọc thêm trong Tay & bàn tay khéo và Tổng quan robot hình người.
