Brug af fjedre til at reducere energiforbrug i robotteknologi

Et forskningsprojekt, der er finansieret af National Science Foundation, har afdækket, hvordan fjedre kan gøre motorer mere effektive i fremtiden. Studiet, der er udarbejdet af to mekaniske ingeniører, Erez Krimsky og Steven H. Collins, beskriver i detaljer fordelene ved en fjedre-hybridmotor, før de præsenterer en fungerende prototype. Her er, hvad du behøver at vide.

Hvorfor fjedre kan være svaret

Fjedre kan synes som en usandsynlig løsning på, at motorer slidt eller kræver massiv energiforbrug. Dog har fjedre nogle unikke egenskaber, der gør dem ideelt egnet til denne opgave. For det første kan de producere drejningsmoment uden at kræve energi.
Fjedre kan lagre elastisk energi, når de strækkes, med næsten ingen tab. Denne elastiske energi kan konverteres direkte til mekanisk kraft effektivt. Derudover kan fjedre justeres eller bruges i tandem til at øge eller reducere drejningsmoment, når det er nødvendigt.

Udfordringer at overvinde

Der har været nogle intuitive mennesker i fortiden, der har erkendt fjedres potentiale til at lagre og konvertere energi. Dog har der været nogle distinkte udfordringer, der skulle overvindes, før disse projekter kunne lykkes. For det første er fjedre notorisk svære at kontrollere.
Ja, hvis du trækker i en fjedre, vil den hoppe tilbage. Problemet er at lave en fjedre, der vil hoppe tilbage med samme hastighed over tusinder eller millioner af brug. Derfor var en af de første ting, ingeniørerne skulle finde ud af, hvordan de kunne kontrollere de fjedre, de ville integrere.

Ny fjedre-design

Efter en kort overvejelse besluttede de, at en ny design var nødvendig. De skabte en helt ny letvægts elastisk energi-aktiveret fjedre-sæt til projektet. Disse fjedre er lavet af et elastisk materiale, der strækkes over rammen stramt. Når en elektrisk strøm anvendes, trækker fjedren tilbage og strammer til. Denne strategi tillod udviklerne at stable fire fjedre ved siden af hinanden.
Brugen af multiple fjedre tilføjer yderligere drejningsmoment og kontrolmuligheder til motoren. Brugere kan engagere en eller flere fjedre, når kraftkravene stiger. Denne tilgang enablede dem at skabe en lille version af deres motor, der kan bruges i kommercielle og robotteknologiske anvendelser i fremtiden.

Prototypen – Recycling Aktuator

Den officielle prototype af den parallel-elastiske aktuator motor er allerede i testfasen. Denne lille motor integrerer fire elektrostatisk fjedre, der køre i parallel. Denne struktur tillader også, at motoren udnytter fjedrene til at reducere arbejdsbyrden, tilføje kraft og reducere mekanisk slid.

Testresultater viser lovende

Rapporten viste nogle imponerende testresultater fra prototypen. Udviklerne satte aktuatoren igennem multiple cykliske testcases for at forsøge at måle effekten af fjedrene på enheden. Det blev klart fra starten, at fjedrene forbedrede effektiviteten betydeligt.
Det, der er endnu mere interessant, er, at udviklerne fandt, at fjedrene fungerede som en gearkasse på en motor, så du kunne skifte gear for at få mere drejningsmoment. I modsætning til traditionelle gearkasser, der kræver mekaniske koblinger for at ændre drejningsmoment, integrerer denne opsætning elektriske koblinger, der aktiveres, når det er nødvendigt.

Elektroadhesive Koblinger

Brugen af par af elektroadhesive koblinger til at holde fjedre låst med spænding var en stor innovation. Disse koblinger er designet til at være så tynde som muligt for at reducere vægt. De er dielektrisk-beloget og kan passere uden friktion, når de ikke er aktiveret. Bemærkelsesværdigt er, at koblinger låser på plads, når spænding anvendes på dem.
Denne type elektrisk kobling kræver minimum kraft og giver næsten øjeblikkelig respons. Derudover tilbyder de høj effektivitet i forhold til mekaniske alternativer og kan produceres billigt. Disse faktorer betyder, at deres brug i elektrostatisk fjedre-motorer kunne blive normen.

Fordele fjedre-motorer bringer til markedet

Der er mange fordele, som denne type motor bringer til markedet. For det første forbedrer den effektiviteten i en enorm sektor af markedet. Disse enheder er designet til at være energi-effektive og bæredygtige. Derudover kræver deres letvægts-design langt mindre energi til transport eller drift.

Reducerer motor slid

En anden stor fordel ved denne type motor er, at den reducerer slid. Motorer i dag er ansvarlige for at håndtere alle aspekter af deres mekaniske bevægelser. Dette betyder, at en motor, der stempler et emne på en samlebånd, bruger sin energi til at stemple og løfte stemplet efter handlingen.
Forestil dig samme robot, men denne gang har den kun brug for at stemple ned. Fjedre engagerer så og løfter pladen tilbage op. Denne type fjedre-integration kunne reducere motor slid betydeligt ved at eliminere halvdelen af dens driftscyklus. Det reducerer også termisk slid. Varme motorer kører mindre effektivt og er mere udsat for fejl.
I teorien kunne fjedre-drevne motorer vare dobbelt så længe som deres fuldt mekaniske modparter. De ville kræve mindre energi til drift og ville være lettere at transportere eller operere på farten. Disse faktorer fortsætter med at få flere forskere til at dykke ned i sektoren.

Fleksibilitet

Forskerernes fjedre-motor viste sig at være fleksibel. Den mekaniske opsætning tillader, at hver fjedre kan engagere og deaktiveres individuelt, når det er nødvendigt. Denne struktur giver også fin kontrol og eliminerer energitab.
Da robotteknologien udvikler sig, er der en fortsat efterspørgsel efter enheder, der har fine motorfærdigheder. Overraskende er det lettere at finde en robot, der kan løfte en bil, end en, der kan samle et æg uden at knuse det. Fjedre-aktuator motorer kunne være den manglende del i denne søgen, da de giver ingeniører mulighed for at anvende præcis fin tryk, når det er nødvendigt, uden at tilføje vægt.

Højere energi-effektivitet

Brugen af fjedre til at reducere motorernes driftscyklus har mening, og dataen beviser det. Forsker-rapporten viser, at deres motor reducerede energiforbrug med 50% i gennemsnit. Studiet afslørede, at energibesparelsen kunne være op til 97%, afhængigt af opgaven. Derfor er der en del hype omkring, hvordan disse motorer en dag kan gøre det muligt for enheder at gå længere og operere længere end nogensinde.

Lagre energi effektivt

En anden stor fordel er evnen til at integrere elastisk energi-gendannelse til at drive batterier. Fjedre kan bruges som en mekanisk batteri eller i kombination med traditionelle former for batterier til at forbedre lagring og konverteringseffektivitet. Udviklernes brug af lavkraft-koblinger er et eksempel på, hvordan denne teknologi kunne drive batterierne i fremtiden.

Markedsindvirkninger

Denne seneste udvikling har potentialet til at ændre en række markeder, der er afhængige af eller vokser i afhængighed af robotter. Fjedre-motorer kunne hjælpe med at skabe lavenergi-robot-systemer, der kan håndtere lange dage med arbejde uden opladning.
Teknologi-revolutionen er allerede her, og hver dag overtager robotter mere og mere af de daglige opgaver fra mennesker. Da disse enheder bliver mere bevidste om deres omgivelser, tilføjer funktioner og lærer at kommunikere flydende med mennesker, vil efterspørgslen efter lavkraft-motorer øge eksponentielt.

Produktion

Produktions- og industri-sektorerne har søgt efter lavkraft-robotter i årevis. Kæmpefirmaer har allerede investeret milliarder i deres robot-infrastruktur. Disse tidlige robotter sparede dem milliarder, men krævede en del energi og vedligeholdelse på grund af deres design.

Den næste generation af robotter vil koste mindre at operere, være smartere og kræve mindre vedligeholdelse. Disse enheder er allerede på vej ind på markedet med avancerede AI-systemer. I fremtiden kunne fjedre-motorer hjælpe producenterne med at reducere deres omkostninger med halvdelen, samtidig med at de forbedrer kvaliteten af deres produkter.

Sundhedspleje

Når du tænker på robotter, er sundhedspleje måske ikke den første industri, der kommer i tanke. Robot-integrationen i sundhedspleje har været i gang i årevis, og denne seneste udvikling kunne hjælpe med at sætte tingene i hyperdrive. Den letvægts- og holdbare natur af fjedre-motorer kunne en dag gøre proteser eller eksoskeletter mere tilgængelige.

Robotter hjælper allerede mennesker med handicap med at nyde mere fuldbyrdede liv. At gøre disse enheder lettere og mere effektive åbner døren for nye mennesker til at få hjælp. Der er allerede en række interessante sundhedsprojekter i gang, der kombinerer robotter og sundhedspleje for at forbedre liv.

AI kan være nøglen

Brugen af elektrostatisk fjedre til at lette motor-arbejdsbyrden er et enormt skridt mod at skabe virkelig bæredygtige robotter. Den anden side af denne ligning er at bestemme grænserne og egenskaberne af materialerne, der bruges i disse enheder. AI har vist sig at være et uvurderligt værktøj på rejsen.
Det har hjulpet med at udvikle og konfigurere nye designs, virtuelt teste scenarier og programmere dybe læring-algoritmer. Sammen har disse udviklinger hjulpet med at gøre AI-robotter det næste store felt.

Robot-markedet er på farten

Det kræver kun et blik for at se, at robot-sektoren er en af de hotteste markeder i tech. Fra store firmaer, der søger at implementere disse enheder for at reducere driftsomkostninger, til startups, der skyder grænserne for teknologien, er der mange projekter værd at kigge på. Her er nogle robot-firmaer, du skal holde øje på.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. blev lanceret i 1988 og har operationer i Schweiz. Firmaets robot-afdeling har været en pioner på markedet i årevis. ABB-robotter kan findes over hele verden. Producenten har produceret og afsendt +500K enheder til dato.
ABB er en af de bedst performende producenter globalt. Firmaet beskæftiger +11K eksperter og har operationer i over 53 lande. I dag er de stadig en pioner-kraft, der tilbyder en bred vifte af robot-løsninger til industrielle partnere.

2. KUKA

KUKA er en tysk robot-producent, der blev købt af den kinesiske Midea Group i 2016. Firmaet tilbyder intelligente robot-løsninger, der inkluderer fuld automation og centraliserede kontrolmuligheder. KUKA forbliver en drivende kraft for innovation og tilbyder løsninger, der spænder fra simple robotter til hele systemer.
KUKA beskæftiger +14K robot-eksperter og gennemfører +3,2 milliarder i salg årligt. Dets engagement i kvalitet og innovation har hjulpet producenten med at blive en af de mest anerkendte navne på robot-markedet. Forvent at se vækst fra denne gruppe, da de udvider deres operationer for at møde forbruger-efterspørgsel.

3. HoneyBee Robotics

Honey Bee Robotics er en større spiller i forsvars- og rumfartssektorerne. Imponerende er, at gruppen har arbejdet med NASA på flere lejligheder i fortiden. Derudover arbejder de i øjeblikket med forskere for at skabe robot-udvindings-systemer, der kan operere i lav-gravitation-miljøer og mere.
HoneyBees intelligente udvindings-systemer er allerede i brug internationalt. Disse produkter gør det let at udføre boring og prøve-test i realtid over et stort område. Firmaet laver også forsvars-robotter, der er designet til at hjælpe soldater på slagmarken.

Startups skyder grænserne

En del af udviklingen i robot-sektoren kommer fra det voksende antal startups, der kommer ind på markedet. Disse firmaer vil tage robot-oplevelsen til nye højder via deres kreative strategier og forretningsmodeller.

OutRider

At klippe græs på en varm sommerdag kan synes som tortur, især hvis du har en grund, der kræver konstant vedligehold for at se acceptabel ud. Outrider løser dette problem med introduktionen af intelligente robot-græsklippere.
Disse enheder skaber en realtids-sted-struktur, der tillader dem at udføre komplekse manøvrer. De kan endda samarbejde for at få store opgaver gjort hurtigere. De, der bruger tusinder på at vedligeholde deres enorme ejendomme eller forretninger, vil finde, at disse højeffektive robot-løsninger har mening.

Robotter springer i aktion

Det er interessant at se, at fjedre-konceptet er genopstået som en af de bedste måder at drive robot-teknologi fremad. Disse systemer inkapslerer ingeniør-ånden og kunne gøre livet lettere for millioner. Derfor må man rose disse forskere og alle, der rejser med dem for at gøre lavkraft-robotter til virkelighed.