استخدام النوابض لتقليل استهلاك الطاقة في الروبوتات

تسلط دراسة ممولة من المؤسسة الوطنية للعلوم الضوء على كيفية استخدام النوابض لتحسين كفاءة المحركات. أعد الدراسة المهندسان الميكانيكيان إيريز كريمسكي وستيفن إتش. كولينز، وشرحا فوائد مشغّل يجمع بين محرك ونوابض قبل عرض نموذج أولي يعمل بالفعل. إليك أهم التفاصيل.

لماذا قد تكون النوابض هي الجواب

قد لا تبدو النوابض حلًا واضحًا لاستهلاك المحركات للطاقة أو تآكلها، لكن خصائصها تجعلها مفيدة. فهي تستطيع توليد قوة أو عزم من الطاقة المرنة المخزنة فيها، من دون استهلاك مستمر للكهرباء أثناء الاحتفاظ بالحمل. وهذا لا يعني أنها تنتج طاقة من العدم.

تخزن النوابض طاقة مرنة عند شدها أو ضغطها، ويمكن استعادة نسبة كبيرة منها في صورة شغل ميكانيكي. كما يمكن جمع عدة نوابض أو التحكم في توصيلها لتغيير العزم المتاح حسب الحاجة.

التحديات التي يجب التغلب عليها

أدرك باحثون سابقون قدرة النوابض على تخزين الطاقة وإعادتها، لكن دمجها في مشغّلات عملية واجه تحديات. ومن أبرزها التحكم الدقيق في توقيت اتصال النابض بالحمل وانفصاله عنه.

يرتد النابض بعد شده، لكن استخدامه في جهاز يتطلب التحكم في الحركة والقوة بصورة متكررة وموثوقة. لذلك كان على المهندسين تطوير طريقة للتحكم في النوابض المدمجة في المشغّل على امتداد دورات تشغيل عديدة.

تصميم نابض جديد

طور الباحثان ترتيبًا خفيفًا يجمع محركًا مع مجموعة من النوابض والقوابض منخفضة الاستهلاك. تُخزن الطاقة في النوابض ميكانيكيًا، بينما تتحكم القوابض الكهروالتصاقية في تثبيتها وتوصيلها بالحمل. النموذج الذي وصفته جامعة ستانفورد يضم ستة نوابض، لا أربعة، ولا يعمل بشد النابض مباشرة عبر تمرير التيار فيه.

تتيح مجموعة النوابض خيارات إضافية للعزم والتحكم. ويمكن توصيل نابض واحد أو عدة نوابض بحسب متطلبات المهمة. وقد صُمم نموذج صغير يمكن أن تستفيد منه التطبيقات الروبوتية وغيرها بعد مزيد من التطوير.

النموذج الأولي: مشغّل يستعيد الطاقة المرنة

يجمع النموذج الأولي محركًا مع ستة نوابض متوازية يمكن توصيلها أو فصلها بصورة مستقلة باستخدام قوابض كهروالتصاقية. وتساعد النوابض على تقليل العبء على المحرك وإعادة استخدام الطاقة الميكانيكية المخزنة.

نتائج الاختبار تبشر بالخير

أظهرت اختبارات النموذج الأولي نتائج مشجعة. شغّل الباحثان الجهاز في مهام دورية مختلفة لقياس أثر النوابض على استهلاك الطاقة، ووجدا تحسنًا كبيرًا في الكفاءة ضمن ظروف الاختبار.

شبه الباحثان اختيار مجموعات مختلفة من النوابض بتغيير نسب علبة التروس للحصول على استجابة مختلفة للعزم. لكن النظام يستخدم قوابض كهربائية لتوصيل النوابض وفصلها بدل الاعتماد على ترتيب تقليدي لعلبة تروس.

قوابض كهربائية لاصقة

كان استخدام أزواج من القوابض الكهروالتصاقية للاحتفاظ بتوتر النوابض عنصرًا أساسيًا في التصميم. صُنعت القوابض رقيقة لتخفيف الوزن، وتفصل طبقة عازلة بين أسطحها. وعند تطبيق الجهد يزداد الالتصاق الكهروستاتيكي، بينما يمكن للأسطح التحرك بحرية أكبر عند فصل الجهد.

تحتاج هذه القوابض إلى قدرة كهربائية منخفضة وتستجيب بسرعة. وقد توفر مزايا من حيث الكفاءة والوزن والتكلفة، لكن انتشارها تجاريًا يعتمد على المتانة والأداء ومتطلبات التطبيق.

الفوائد التي تجلبها محركات النوابض إلى السوق

قد تسهم هذه المشغّلات في تقليل استهلاك الطاقة في تطبيقات روبوتية عديدة. كما أن خفة الوزن قد تقلل الطاقة المطلوبة لتحريك الجهاز أو نقله. وتبقى الفوائد الفعلية مرتبطة بالمهمة والتصميم.

تقليل تآكل المحرك

من الفوائد المحتملة تقليل الحمل الواقع على المحرك. ففي مثال مكبس على خط تجميع، يبذل المحرك شغلًا لخفض الأداة ثم رفعها. يمكن لعنصر مرن مناسب أن يخزن جزءًا من طاقة الحركة ويساعد في مرحلة العودة.

تخيل الروبوت نفسه، لكن النوابض تساعده هذه المرة على رفع اللوح بعد الضغط إلى أسفل. قد يقلل ذلك الجهد المطلوب من المحرك والحرارة الناتجة عنه. غير أن مقدار انخفاض التآكل وعمر الجهاز يحتاجان إلى قياسات مخصصة، ولا يمكن استنتاجهما تلقائيًا من انخفاض استهلاك الطاقة.

قد يطيل تخفيف الحمل والحرارة عمر بعض مكونات المشغّل، لكن الدراسة لا تكفي للقول إن عمر كل محرك سيتضاعف. وتظل الحاجة قائمة لاختبارات المتانة طويلة الأمد وتقييم التصميم في التطبيقات العملية.

تعدد الاستخدامات

يتيح التصميم توصيل كل نابض أو فصله عند الحاجة. وهذا يوفر مرونة في التحكم ويقلل بعض خسائر الطاقة، لكنه لا يلغي جميع الخسائر في الجهاز.

مع توسع الروبوتات، يزداد الاهتمام بالأجهزة القادرة على التحكم الدقيق في القوة والحركة. فرفع حمل ثقيل يختلف عن الإمساك ببيضة من دون كسرها. وقد تساعد العناصر المرنة في ضبط القوة، لكن الأداء يعتمد أيضًا على الاستشعار والتحكم وتصميم الروبوت.

كفاءة طاقة أعلى

أظهرت المهام المختبرة انخفاض استهلاك القدرة بما لا يقل عن 50% في كل حالة، ووصل الانخفاض إلى 97% في أفضل حالة. لذلك قد تساعد هذه الفكرة أجهزة المستقبل على العمل لمدة أطول باستخدام الطاقة المتاحة، لكن النسب لا تنطبق تلقائيًا على جميع الروبوتات والمهام.

تخزين الطاقة بكفاءة

من المزايا استعادة الطاقة المرنة وإعادة استخدامها داخل المشغّل. يعمل النابض هنا كمخزن ميكانيكي للطاقة، ويمكنه تخفيف الطلب على البطارية الكهربائية. ولا يعني ذلك أن النابض يشحن البطارية مباشرة من دون نظام لتحويل الطاقة.

تأثيرات السوق

قد يؤثر هذا التطور في قطاعات تعتمد على الروبوتات. فالمشغّلات الأكثر كفاءة يمكن أن تساعد على إطالة مدة التشغيل بين مرات الشحن، بحسب ظروف العمل وتصميم النظام.

تتولى الروبوتات مزيدًا من المهام اليومية والصناعية. ومع تحسن إدراكها للبيئة وقدراتها على التعامل مع البشر، قد يزداد الطلب على مشغّلات دقيقة ومنخفضة الاستهلاك.

التصنيع

يسعى قطاعا التصنيع والصناعة منذ عقود إلى روبوتات أقل استهلاكًا للطاقة. وقد استثمرت شركات كبيرة مبالغ ضخمة في الأتمتة، التي حسنت الإنتاجية لكنها ما زالت تتطلب طاقة وصيانة.

يمكن أن تجمع الأجيال الجديدة من الروبوتات بين تحكم أذكى وكفاءة أعلى واحتياجات صيانة أقل. وقد تسهم المشغّلات المدعومة بالنوابض في تقليل بعض تكاليف التشغيل، لكن انخفاض طاقة المشغّل لا يعني أن جميع تكاليف المصنع ستنخفض إلى النصف.

الرعاية الصحية

تستخدم الروبوتات في الرعاية الصحية منذ سنوات، وقد تفيدها المشغّلات الخفيفة والموفرة للطاقة. ومن التطبيقات المحتملة الأطراف الاصطناعية والهياكل الخارجية، إذا أثبت التصميم ملاءمته من حيث السلامة والمتانة والتحكم.

يمكن للتقنيات الروبوتية والرقمية أن تساعد في الرعاية الصحية ودعم الأشخاص ذوي الإعاقة. وتخفيف وزن الأجهزة وتحسين كفاءتها قد يوسع إمكانية الاستفادة منها. وهناك أبحاث عديدة تجمع بين الروبوتات والتقنيات الصحية لتحسين حياة المرضى.

الذكاء الاصطناعي قد يكون المفتاح

استخدام النوابض والقوابض الكهروالتصاقية لتخفيف حمل المحرك خطوة نحو روبوتات أكثر كفاءة. ومن المهم أيضًا معرفة حدود المواد وأدائها. وقد يساعد الذكاء الاصطناعي في تحليل هذه الجوانب وتطوير التصميمات.

يمكن لأدوات الذكاء الاصطناعي دعم ابتكار التصميمات والمحاكاة وتحليل سيناريوهات الاختبار وتطوير خوارزميات التحكم. وتتكامل هذه الأدوات مع العمل الهندسي والتجارب الفعلية، ولا تحل محلها بالكامل.

سوق الروبوتات في حركة

يشهد قطاع الروبوتات نشاطًا واسعًا، من الشركات الكبرى التي تسعى لخفض تكاليف التشغيل إلى الشركات الناشئة التي تطور تطبيقات جديدة. وفيما يلي أمثلة لشركات تعمل في هذا المجال.

1. ABB Ltd

تأسست ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) عام 1988، ولها مقر وعمليات في سويسرا. ويعمل قسم الروبوتات التابع لها منذ عقود، وتستخدم روبوتاته حول العالم. ويذكر المقال أن الشركة شحنت أكثر من 500 ألف وحدة وقت كتابته.

يذكر المقال أن أعمال الروبوتات لدى ABB تضم أكثر من 11 ألف متخصص وتعمل في أكثر من 53 دولة. وتوفر الشركة مجموعة واسعة من حلول الأتمتة للشركاء الصناعيين؛ وهذه الأرقام لا تصف بالضرورة إجمالي موظفي مجموعة ABB.

2. KUKA

KUKA شركة ألمانية لصناعة الروبوتات استحوذت عليها مجموعة ميديا الصينية في 2016. وتقدم حلولًا ذكية تشمل الأتمتة والتحكم المركزي، بدءًا من الروبوتات الفردية وصولًا إلى أنظمة الإنتاج المتكاملة.

ورد في المقال أن KUKA تضم أكثر من 14 ألف موظف متخصص وتحقق مبيعات سنوية تتجاوز 3.2 مليار. وتعد الجودة والابتكار من عناصر حضورها في سوق الروبوتات. أما نموها المستقبلي فيعتمد على الطلب ونتائج أعمالها، ولا يمكن ضمانه.

3. HoneyBee Robotics

تعمل Honeybee Robotics في تقنيات الفضاء والاستكشاف، وتعاونت مع ناسا في مشروعات متعددة. كما تطور أنظمة للحفر وجمع العينات يمكن استخدامها في البيئات الصعبة، بما في ذلك تطبيقات الاستكشاف ذات الجاذبية المنخفضة.

تشمل تقنياتها أنظمة للحفر والتنقيب وجمع العينات وفحصها. وتتيح هذه الأجهزة تنفيذ مهام يصعب أداؤها يدويًا في البيئات النائية أو القاسية.

الشركات الناشئة التي تدفع الحدود

تأتي ابتكارات كثيرة من الشركات الناشئة المتزايدة في قطاع الروبوتات، التي تسعى إلى تطبيق أفكار وتقنيات ونماذج أعمال جديدة.

OutRider

تطور Outrider أنظمة ذاتية القيادة لساحات مراكز التوزيع والخدمات اللوجستية، وليس روبوتات لجز العشب. وتستخدم شاحنات كهربائية وتقنيات استشعار وتحكم لأتمتة حركة المقطورات داخل الساحات.

تساعد أنظمة الإدراك في تحديد المركبات والمقطورات والعاملين والعوائق داخل الموقع، بما يدعم المناورة بين مناطق الوقوف وأرصفة التحميل. وتهدف هذه الحلول إلى تحسين السلامة والكفاءة في العمليات اللوجستية.

الروبوتات تتقدم بقوة

يبين هذا البحث أن إعادة النظر في مكونات ميكانيكية مألوفة، مثل النوابض، قد تفتح مجالًا لتحسين الروبوتات. ويمكن لاستعادة الطاقة المرنة والتحكم الدقيق أن يساعدا على تطوير أجهزة أقل استهلاكًا، إذا أكدت الاختبارات اللاحقة أداءها في الاستخدام العملي.