Desde el punto de vista de la ingeniería mecánica (dejando de lado la IA, el procesamiento espacial, etc.), ¿cuáles son las barreras más grandes que se interponen en el camino del desarrollo de un robot humanoide?

Answer 1

Intentaré escribir una respuesta exhaustiva e incluir las que se han escrito aquí.

• Actuadores que requieren una relación potencia / peso (alta).
• Fuente de energía con suficiente densidad de energía.

Estos dos ya han sido mencionados. Ahora, elaboraré un poco.

• Actuadores: deben ser pequeños, lo suficientemente potentes y ligeros. Su tamaño es tan crucial como su peso o potencia.
• Fuente de energía: una fuente de energía que puede energizarse durante una semana en promedio (~ 100-150 A-hrs). Además, debe ser lo suficientemente ágil como para cargar hasta el 50% del nivel de energía en menos de 30 minutos. Sería inútil de lo contrario.
• Materiales: los materiales deben estar libres de mantenimiento. En la vida real, cero mantenimiento. Sin pintura, sin rasguños. Podemos comprometernos con materiales de autoservicio donde los bots pueden ir y rociar pintura sobre sus rasguños / grietas / abolladuras, etc.
• Sensores: Aquí es donde la naturaleza nos superará, pase lo que pase. Solo para la mayoría de los sensores humanos (ojos, oídos, tacto, gusto, olfato) estamos atrasados ​​por millones de años de evolución. Para el olor, incluso para obtener la mitad del olor que nuestros sentidos olfativos pueden descubrir, necesitamos alrededor de 50k tipos diferentes de detectores de gases. Similar sobre el sabor. Para detectar una sensación táctil similar a la nuestra, necesitamos cubrir el bot completo con la función de pantalla táctil, aproximadamente 30-40x más nítida que las mejores pantallas táctiles capacitivas disponibles en la actualidad. Si ignoramos estos dos, necesitamos un sensor de cámara con una resolución superior a 400 MP, solo para emular un ojo. Luego, necesitamos coordinarlo con el otro, para mapear una topografía 3D en tiempo real de todo lo que ve. Sin embargo, estamos bastante cerca en el mapeo 3D de entradas de audio.
• Juntas / Conexiones: a partir de hoy, los ingenieros mecánicos usamos dos tipos de juntas: permanentes (por ejemplo, soldadura, remachado, etc.) y semipermanentes (pernos, sujetadores, etc.). Para los robots humanoides, necesitaremos un tipo completamente diferente de articulaciones. Permanente en alguna dirección, semipermanente en otras direcciones y luego libre en el resto de las direcciones. A partir de ahora, esto se implementa utilizando servoaccionamientos montados entre sí.
• Composición del material: Necesitaremos materiales que puedan cambiar su rigidez (resistencia, módulo de Young, nu, densidad) según las señales de una fuente. Estoy hablando de memoria permite, pero mucho más avanzado que eso.

Estos son los obstáculos básicos desde el punto de vista mecánico. Otros problemas, como los vínculos cinemáticos o el movimiento de la marcha, pueden resolverse cuando se encuentran.

Answer 2

Me encanta esta pregunta

Contribuí al diseño de 4 generaciones de robots humanoides.

REEM serie de robots de Pal Robotics.

Estos son los principales problemas, en mi opinión:

1) Restricciones de espacio. Cualquier robot humanoide tendrá AL MENOS 30 actuadores, más probablemente 40+. Cada uno de ellos requiere su propio motor, caja de cambios, rodamientos, codificadores y electrónica.
Es muy difícil encontrar espacio suficiente para todo esto.

2) Restricciones de peso. Muchos robots humanoides apenas pueden soportar su propio peso al caminar; Es muy difícil construir un robot bípedo que pueda transportar peso adicional. El uso de motores más grandes para entregar más torque requerirá cajas de engranajes más grandes y un marco mecánico más fuerte, lo que empeorará aún más el problema.

3) Baterías: la autonomía habitual de un robot bípedo sin una fuente de alimentación externa es de entre 1 y 2 horas. Ver 1) y 2).

4) Cableado. Debido a la cinemática de este tipo de robots, el cableado puede ser muy desafiante. Además, es uno de esos elementos que generalmente se descuida durante la fase de diseño.

5) Costo. Mis robots solían tener cientos (pueden ser más de 1000) de piezas de máquinas, eso es ridículamente caro. Las cajas de cambios que son lo suficientemente livianas como para ser utilizadas en un robot humanoide también son muy caras. Algún tipo de sensores también puede costar entre 200 y 5000 USD cada uno.

En resumen, debe poder diseñar una máquina compleja y optimizarla para que sea lo más ligera posible.

Answer 3

El tamaño es el verdadero problema principal, seguido de cerca por el peso y su efecto sobre el equilibrio y la fuerza requerida para mover equipos más pesados.

Se convierte en un problema porque estás tratando de meter muchas cosas en un espacio relativamente pequeño. Tenemos fuentes de alimentación sólidas, pero son grandes y muy pesadas … ambas cosas se convierten en un problema cuando intentas exprimir todo en forma de hombre.

El uso de una forma humana requiere un acto de equilibrio bípedo, que le impide apilar elementos donde sea que pueda colocarlos. Las formas humanas tienen un acto de equilibrio constante en todo momento. Esto se vuelve un millón de veces más difícil cuando comienzas a caminar. El caminar humanoide es literalmente una caída controlada; Nos inclinamos hacia adelante, levantamos un pie y caemos hacia él mientras movemos el otro pie hacia atrás. Caemos hacia el pie en el aire. Esto desplaza nuestro centro de equilibrio hacia el pie, lo que nos permite levantar el pie trasero y repetir el escenario. Si no cambiamos constantemente nuestro equilibrio, no podría levantar su pie trasero sin caer hacia atrás.

Ahora, si los 20 o más motores utilizados en cada mano, (solo para controlar los movimientos de los dedos), no tuvieran masa / peso real, aún tendría que contar la masa / peso del sistema de encuadre que los sujeta cuando se mueve. Ese no es el fin del mundo, pero ahora considere cuán pequeños necesitarían ser esos motores para poder ocultarse dentro de la forma / tamaño de una mano humana. Ahora considere que a menos que los motores en sí sean las uniones, todavía tenemos que dejar espacio para las uniones sobre las que actúan los motores. Intenta mover el dedo para ver cuántos movimientos son realmente posibles, ¡esas son algunas articulaciones elegantes!

Las cosas que utilizamos para la energía y las articulaciones motorizadas, etc. tienen más peso que las partes correspondientes del cuerpo humano, y hacer cualquier cosa, como simplemente balancear un brazo, arrojará ese peso en esa dirección, inmediatamente después de arrojarlo en la dirección opuesta, lo que requiere otro movimientos para estabilizar el sistema. Sin embargo, es alcanzable.

Si hiciéramos todo lo suficientemente pequeño, el peso seguiría siendo una preocupación, pero habría más espacio para cosas como giroscopios giratorios para ayudar a compensar los problemas de peso, o una respuesta rápida, contrapesos autoajustables.

Hay avances tecnológicos que significan que ya no siempre necesitamos usar motores, como las aleaciones con memoria de forma (SMA), que se pueden mover a una forma (por ejemplo, plana), y luego, cuando la corriente se ejecuta a través de ella, se puede mover en otra forma (digamos, flexionada), y luego regrese nuevamente cuando se elimine la corriente. Estos son bastante buenos para imitar los músculos, pero requieren mucha potencia para operar, no mantienen sus habilidades para siempre y, por lo general, solo pueden cambiar entre dos formas, en lugar de un rango de movimiento. (es decir, hay avances que vienen todo el tiempo desde esta dirección, sin embargo, aparentemente ahora hay SMA que pueden mantener múltiples posiciones, seleccionables por la corriente que pasa a través de ellos. Sin embargo, donde tiene mucha corriente, necesita mucha batería para entregarlo.

Las baterías son brutales, en términos de tamaño / peso / fuerza. Ese es uno de los principales problemas. Muchos de los robots con forma de hombre / tamaño que ves que se prueban en el campo para caminar sobre piedras desiguales y similares, por lo general, todavía están atados a su fuente de energía.

Answer 4

Actuadores compactos y energéticamente eficientes con un rango de movimiento adecuado y una fuente de energía silenciosa de larga duración.

Answer 5

Se me ocurren dos cosas: los actuadores que tienen una relación resistencia / peso muy alta y la fuente de alimentación portátil para esos actuadores y los sistemas de control del robot.

Answer 6

1. Fondos
2. No se requiere un mercado real en los puntos de precio para ser rentable en las próximas décadas
3. F = M * A