Trực giác kỹ thuật nói rằng cơ cấu càng cứng càng tốt: cứng thì chính xác, phản ứng nhanh, không dao động. Nhưng nhiều robot hình người cố tình đặt một phần tử đàn hồi vào giữa, và có ba lý do rất cụ thể.
Lý do một: sống sót qua va chạm
Khi bàn chân robot đập xuống sàn, hoặc khi cánh tay va vào vật cứng, một lực xung kích rất lớn xuất hiện trong thời gian rất ngắn.
Với cơ cấu cứng, toàn bộ lực đó truyền thẳng vào răng hộp số và vào trục động cơ. Đây là nguyên nhân hỏng chính của các thiết kế cứng khi robot chạy hoặc ngã.
Phần tử đàn hồi biến dạng và kéo dài thời gian giảm tốc, làm giảm lực đỉnh xuống nhiều lần. Cơ cấu phía sau chỉ thấy một lực êm hơn nhiều.
Đây là lý do quan trọng nhất và cũng dễ hiểu nhất: nó là bộ giảm xóc cho hệ truyền động.
Lý do hai: đo lực mà không cần cảm biến lực
Nếu biết độ cứng của phần tử đàn hồi và đo được độ biến dạng của nó, có thể suy ra lực đang truyền qua — theo đúng quan hệ giữa lực và biến dạng.
Đo biến dạng thì đơn giản: chỉ cần hai cảm biến vị trí, một ở phía động cơ và một ở phía đầu ra khớp. Chênh lệch giữa hai giá trị chính là biến dạng.
Cách này cho phép điều khiển theo mô men ở mọi khớp với chi phí thấp hơn nhiều so với lắp cảm biến mô men chuyên dụng, và tín hiệu thường ít nhiễu hơn.
Với robot hình người, khả năng biết mô men ở từng khớp là điều kiện để thực hiện điều khiển toàn thân và để phân bổ lực tiếp xúc đúng cách.
Lý do ba: an toàn khi chạm người
Khi robot va vào người, mức tổn thương phụ thuộc vào lực đỉnh trong khoảnh khắc va chạm chứ không phải vào lực trung bình.
Cơ cấu cứng tạo ra lực đỉnh cao trong thời gian ngắn — dạng va chạm nguy hiểm nhất. Phần tử đàn hồi trải lực ra trên thời gian dài hơn, giảm đáng kể lực đỉnh.
Ngoài ra, nó cho hệ thống thêm thời gian để phản ứng: khoảng thời gian mà lò xo đang biến dạng chính là khoảng để bộ điều khiển phát hiện và dừng.
Với cơ cấu cứng, va chạm và lực đỉnh xảy ra gần như tức thời, và không có bộ điều khiển nào phản ứng kịp.
Cái giá phải trả
Mất độ chính xác vị trí. Vì phần tử đàn hồi biến dạng dưới tải, vị trí đầu ra không còn xác định hoàn toàn bởi vị trí động cơ. Muốn chính xác phải đo ở đầu ra và bù.
Băng thông giảm. Hệ có phần tử đàn hồi phản ứng chậm hơn với các thay đổi nhanh, vì lò xo phải biến dạng trước khi lực truyền qua.
Dao động. Hệ khối lượng và lò xo có tần số cộng hưởng riêng. Nếu bộ điều khiển kích thích tần số đó, robot rung. Việc chỉnh hệ số điều khiển khó hơn đáng kể.
Thêm bộ phận. Lò xo mỏi theo thời gian, và cần thêm một cảm biến vị trí ở đầu ra.
Ba nhược điểm đầu là lý do các ứng dụng cần độ chính xác cao vẫn dùng cơ cấu cứng.
Chọn độ cứng cho phù hợp
Đây là quyết định thiết kế then chốt và không có giá trị tối ưu chung.
Lò xo mềm: hấp thụ va chạm tốt hơn, đo lực nhạy hơn ở mức lực nhỏ, an toàn hơn khi chạm người. Đổi lại băng thông thấp và độ chính xác vị trí kém.
Lò xo cứng: giữ được nhiều ưu điểm của cơ cấu cứng nhưng vẫn có chút bảo vệ. Ít hấp thụ va chạm hơn.
Cách chọn thực dụng là bắt đầu từ dải lực cần đo và dải va chạm cần hấp thụ, rồi chọn độ cứng sao cho biến dạng nằm trong khoảng đo được của cảm biến ở dải lực làm việc.
Một số thiết kế dùng độ cứng thay đổi được: mềm khi làm việc gần người, cứng khi cần chính xác. Ý tưởng hấp dẫn nhưng thêm cơ cấu và thêm khối lượng, nên ít gặp trong sản phẩm thực tế.
Câu hỏi thường gặp
Truyền động đàn hồi có làm robot chậm hơn không?
Chậm hơn ở khả năng phản ứng với các thay đổi rất nhanh, vì lò xo phải biến dạng trước khi lực truyền qua. Nhưng với các chuyển động thông thường của robot hình người, giới hạn này ít khi là ràng buộc thực tế.
Đo lực qua biến dạng lò xo có chính xác không?
Khá chính xác nếu độ cứng lò xo ổn định và được hiệu chuẩn tốt. Sai số chủ yếu đến từ ma sát trong cơ cấu và từ việc độ cứng thay đổi theo nhiệt độ hoặc theo thời gian do mỏi vật liệu.
Khi nào nên chọn cơ cấu cứng?
Khi nhiệm vụ đòi độ chính xác vị trí cao dưới tải, khi không có va chạm đáng kể, và khi robot không làm việc gần người. Nhiều cánh tay thao tác chính xác vẫn dùng cơ cấu cứng vì lý do này.
Lò xo trong cơ cấu có bị mỏi không?
Có, giống mọi chi tiết chịu tải chu kỳ. Tuổi thọ phụ thuộc vào vật liệu, biên độ biến dạng và số chu kỳ. Nên đưa vào lịch kiểm tra và theo dõi xem quan hệ giữa biến dạng và lực có trôi khỏi giá trị hiệu chuẩn hay không.
Đọc thêm trong Nguồn điện & toả nhiệt và Các mẫu robot hình người.
