Backdrivability

Detto anche: Backdriveability, Back-drivability, Transparency, Backdrivable
Categoria: Actuation & drivetrain › Ratings
Tag: actuation, transmission, compliance, safety, legged-robots

La possibilità di muovere un giunto spingendone l'uscita: la proprietà che decide se un robot può sentire il contatto ed essere mosso a mano.

Definizione

La reversibilità è la misura in cui un giunto può essere azionato all'indietro: spinto dall'uscita fino a far girare il motore, anziché soltanto il contrario. Un motore direct drive è reversibile in modo quasi perfetto; una vite senza fine o un riduttore a onda di deformazione ad alto rapporto non sono di fatto reversibili.

Dipende soprattutto dal rapporto di riduzione e dall'attrito. La riduzione moltiplica la coppia in uscita, ma moltiplica anche per il quadrato del rapporto l'inerzia riflessa e l'attrito visti dall'uscita: per questo una trasmissione 10:1 si può ancora muovere a mano, mentre una 100:1 di qualità simile no. È il compromesso centrale nella progettazione degli attuatori: la densità di coppia spinge verso una riduzione elevata, la trasparenza nella direzione opposta, e gli attuatori quasi-direct drive (QDD) esistono proprio per collocarsi in un punto scelto deliberatamente tra i due.

La reversibilità conta al di là della sensazione al tatto. Un giunto reversibile può percepire il contatto attraverso la sola corrente del motore, senza sensore di forza, perché una spinta esterna si manifesta elettricamente. Può assorbire un urto cedendo anziché trasmettere lo shock agli ingranaggi. E può essere mosso da una persona, il che è al tempo stesso una proprietà di sicurezza e di usabilità, perché un braccio non reversibile che perde l'alimentazione diventa un ostacolo rigido.

Perché è importante

La reversibilità decide se un robot può essere sicuro vicino alle persone, se può sentire ciò che tocca senza sensori aggiuntivi e se qualcuno può spostarlo in caso di emergenza. È anche la proprietà che si perde più spesso per sbaglio: chi costruisce ricorre a una riduzione maggiore per avere coppia e scopre di aver sacrificato la cedevolezza di cui l'applicazione aveva davvero bisogno. Il termine quasi-direct drive (QDD) esiste perché un'intera generazione di robot con zampe è stata progettata proprio attorno a questo compromesso.

Applicazioni principali

Robot con zampe che percepiscono il contatto con il suolo attraverso la corrente del motore anziché con sensori nei piedi
Bracci collaborativi che devono cedere quando una persona li spinge
Insegnare una traiettoria a un robot guidandolo fisicamente lungo il movimento
Situazioni di emergenza in cui un braccio spento deve essere spostato a mano
Compiti con molti urti, in cui cedere protegge il riduttore

In pratica

La si verifica nel modo più ovvio: si toglie l'alimentazione al giunto e se ne spinge l'uscita. A grandi linee, il direct drive e le riduzioni a stadio singolo fino a circa 10:1 restano davvero reversibili; da 20:1 a 50:1 la reversibilità è marginale e dipende molto dal tipo di ingranaggio; oltre, solo con una forza notevole. I riduttori cicloidali e i riduttori planetari sono reversibili più facilmente dei riduttori a onda di deformazione dello stesso rapporto perché hanno meno attrito, e le viti senza fine sono volutamente non reversibili, il che è utile quando si vuole che un giunto mantenga la posizione ad alimentazione spenta.

Idee sbagliate comuni

Reversibile significa debole: descrive la trasparenza, non la capacità di coppia; il compromesso è con il rapporto di riduzione, non con la forza
È una proprietà sì o no: è uno spettro, e la posizione di un progetto dipende da rapporto, tipo di ingranaggio, attrito e lubrificazione
Qualsiasi riduttore è reversibile con abbastanza forza: le viti senza fine e i riduttori a onda di deformazione ad alto rapporto sono di fatto bloccati, il che a volte è proprio ciò che si vuole
Aggiungere un sensore di forza rende inutile la reversibilità: un sensore informa del contatto, ma un giunto non reversibile non può comunque cedere rapidamente

Chi dovrebbe saperlo

Chiunque scelga un rapporto di riduzione per un giunto robotico
Costruttori di robot con zampe e bracci collaborativi
Chiunque abbia bisogno di rilevare il contatto senza aggiungere sensori di forza
Progettisti che si chiedono cosa succede quando manca l'alimentazione
Studenti che imparano perché scelta dell'attuatore e strategia di controllo sono un'unica decisione

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