Brug af fjedre til at sænke energiforbruget i robotik

Et forskningsprojekt finansieret af National Science Foundation i sidste uge giver indsigt i, hvordan fjedre kan gøre motorer mere effektive i fremtiden. Undersøgelsen blev præsenteret af to maskiningeniører, Erez Krimsky og Steven H. Collins. I deres rapport går de i detaljer om fordelene ved en hybridfjedermotor, før de afslører en fungerende prototype.  Her er, hvad du behøver at vide.

Hvorfor fjedre kan være svaret

Fjedre kan synes som en usandsynlig løsning på motorers slid eller behov for enormt energiforbrug. Dog gør nogle unikke egenskaber fjedre ideelt egnede 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 effektivt omdannes direkte til mekanisk kraft. Derudover kan fjedre justeres eller bruges i tandem for at øge eller mindske drejningsmomentet efter behov.

Udfordringer der skal overvindes

Der har tidligere været nogle intuitive sind, der genkendte fjedrenes potentiale til at lagre og omdanne energi. Men der var nogle særlige udfordringer, der skulle overvindes, for at nogen af disse tidligere projekter kunne lykkes. For det første er fjedre notorisk svære at kontrollere.

Ja, hvis du trækker i en fjeder, vil den springe tilbage. Problemet er at lave en fjeder, der springer tilbage med samme hastighed over tusinder eller millioner af brug. Derfor var en af de første ting, ingeniørerne skulle finde ud af, hvordan de skulle kontrollere de fjedre, de ønskede at integrere.

Nyt fjederdesign

Efter lidt overvejelse besluttede de, at et nyt design var nødvendigt. De skabte en helt ny letvægts elastisk energiactiveret fjederopsætning til projektet. Disse fjedre er lavet af et elastisk materiale, der strækkes over rammen. Når en elektrisk strøm påføres, trækker fjederen sig tilbage og strammes. Denne strategi gjorde det muligt for udviklerne at stable fire fjedre ved siden af hinanden.

Brugen af flere fjedre tilføjer ekstra drejningsmoment og kontrolmuligheder til motoren. Brugerne kan aktivere én eller flere fjedre, når strømkravene stiger. Denne tilgang gjorde det muligt for dem at skabe en lille version af deres motor, som i fremtiden kan bruges i kommercielle og robotiske anvendelser.

Prototypen – Genbrugsaktuator

Den officielle prototype af den parallelle elastiske aktuator-motor er allerede i testfasen. Denne lille motor integrerer fire elektrostatiske fjedre, der kører parallelt. Denne struktur gør det også muligt for motoren at udnytte fjedrene til at reducere arbejdsbyrden, tilføje kraft og mindske mekanisk slid.

Testresultater viser lovende

Rapporten viste nogle imponerende testresultater fra prototypen. Udviklerne udsatte aktuatoren for flere cykliske testscenarier for at måle fjedrenes påvirkning på enheden. Det blev tydeligt fra starten, at fjedrene forbedrede effektiviteten betydeligt.

Endnu mere interessant er, at udviklerne fandt ud af, at fjedrene opførte sig som en gearkasse på en motor, så man kunne skifte gear for at få mere drejningsmoment. I modsætning til traditionelle gearkasser, der kræver mekaniske koblinger for at ændre drejningsmoment, integrerer denne opsætning problemfrit elektriske koblinger, der aktiveres efter behov.

Elektroadhæsive koblinger

Brugen af par af elektroadhæsive koblinger til at holde fjedrene låst under spænding var en stor innovation. Disse koblinger blev lavet så tynde som muligt for at reducere vægt. De er dielektrisk belagt og kan passere uden friktion, når de ikke er opladet. Bemærkelsesværdigt låser koblingerne på plads, når der påføres spænding.

Denne type elektrisk kobling kræver minimal strøm og giver næsten øjeblikkelig respons. Derudover tilbyder de høj effektivitet sammenlignet med mekaniske alternativer og kan produceres billigt. Disse faktorer betyder, at deres brug i elektrostatiske fjedermotorer kan blive normen.

Fordele ved fjedermotorer på markedet

Der er mange fordele, som denne type motor bringer til markedet. For det første forbedrer den effektiviteten i en stor del af markedet. Disse enheder er bygget til at være energieffektive og bæredygtige. Derudover kræver deres letvægtsdesign langt mindre energi til transport eller drift.

Reducer 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. Det betyder, at en motor, der stempler et emne på en samlebånd, bruger sin energi på at stemple og løfte stemplet efter handlingen.

Forestil dig den samme robot, men denne gang behøver den kun at stemple ned. Fjedrene aktiveres derefter og løfter platen op igen. Denne type fjederintegration kan reducere motor-slid betydeligt ved at eliminere halvdelen af dens driftscyklus. Den reducerer også termisk slid. Varme motorer kører mindre effektivt og er mere tilbøjelige til nedbrud.

I teorien kunne fjederdrevne motorer holde dobbelt så længe som deres fuldt mekaniske modparter. De ville kræve mindre energi at drive og ville være lettere at transportere eller bruge på farten. Disse faktorer får flere forskere til at dykke dybere ned i sektoren.

Alsidighed

Forskerne fandt, at fjedermotoren var alsidig. Den mekaniske opsætning gør det muligt at aktivere og deaktivere hver fjeder individuelt efter behov. Denne struktur giver også fin kontrol og eliminerer energitab.

Efterhånden som robotik udvides, er der en vedvarende efterspørgsel efter enheder med fine motoriske færdigheder. Overraskende nok er det lettere at finde en robot, der kan løfte en bil, end en, der kan løfte et æg uden at knække det. Fjederaktuator-motorer kan være det manglende led i denne søgen, da de gør det muligt for ingeniører at anvende præcis fin tryk, når det er nødvendigt, uden at tilføje vægt.

Højere energieffektivitet

Brugen af fjedre til at forkorte motorers driftscyklus giver mening, og dataene beviser det. Forskerens rapport viser, at deres motor reducerede energiforbruget med i gennemsnit 50 %. Undersøgelsen afslørede, at afhængigt af opgaven kunne energibesparelsen være op til 97 %. Derfor er der stor hype omkring, hvordan disse motorer en dag vil gøre det muligt for enheder at gå længere og fungere længere end nogensinde.

Lagring af energi effektivt

En anden stor fordel er ingeniørernes evne til at integrere elastisk energigenvinding til at drive batterier. Fjedre kan bruges som et mekanisk batteri eller i kombination med traditionelle batterier for at forbedre lagrings- og konverteringseffektiviteten. Ingeniørens brug af lavenergi-koblinger er et eksempel på, hvordan denne teknologi kan drive fremtidens batterier.

Markedsindvirkninger

Den seneste udvikling har potentiale til at omvælte en række markeder, der er afhængige af eller vokser i afhængighed af robotter. Fjedermotorer kan hjælpe med at skabe lavenergi-robotsystemer, der kan klare lange arbejdsdage uden opladning.

Den teknologiske revolution er allerede her, og hverdagsrobotter overtager flere daglige opgaver fra mennesker. Efterhånden som disse enheder bliver bevidste om deres omgivelser, får nye funktioner og lærer at kommunikere flydende med mennesker, vil efterspørgslen efter lavenergi-motorer stige eksponentielt.

Fremstilling

Fremstillings- og industrisektoren har i årtier søgt lavenergi-robotter. Store virksomheder har allerede investeret milliarder i deres robotinfrastruktur. Disse tidlige robotter sparede dem milliarder, men krævede meget energi og vedligeholdelse på grund af deres design.

Næste generation af robotter vil koste mindre at drive, være smartere og kræve mindre vedligeholdelse. Disse enheder er allerede på vej ind på markedet ved at udnytte avancerede AI-systemer. I fremtiden kan fjedermotorer hjælpe producenter med at halvere deres omkostninger, samtidig med at produktkvaliteten forbedres.

Sundhedssektoren

Når du tænker på robotik, er sundhedssektoren måske ikke den første branche, der kommer i tankerne. Integration af robotteknologi i sundhedssektoren har foregået i årtier, og denne seneste udvikling kan sætte farten i højeste gear. Den lette og holdbare natur af fjedermotorer kan en dag gøre proteser eller exoskeletter mere tilgængelige.

Robotter hjælper allerede personer med handicap med at få et mere tilfredsstillende liv. At gøre disse enheder lettere og mere effektive åbner døren for flere mennesker til at få hjælp. Bemærkelsesværdigt er der allerede en række interessante sundhedsprojekter i gang, som kombinerer robotter og sundhedspleje for at forbedre liv.

AI kan være nøglen

Brugen af elektrostatiske fjedre til at lette motorens arbejdsbyrde er et stort skridt mod at skabe virkelig bæredygtige robotter. Den anden side af denne ligning er at bestemme grænserne og kapaciteterne for de materialer, der bruges i disse enheder. AI har vist sig at være et uvurderligt værktøj på rejsen.

Den har hjulpet med at udvikle og konfigurere nye designs, virtuelt teste scenarier og programmere dyb læringsalgoritmer. Sammen har disse udviklinger bidraget til at gøre AI-robotik til den næste frontier.

Robotmarkedet i bevægelse

Det kræver kun et glimt for at se, at robotiksektoren er et af de varmeste markeder inden for teknologi. Fra store virksomheder, der ønsker at implementere disse enheder for at reducere driftsomkostninger, til startups, der presser teknologiens grænser, er der mange projekter, der er værd at holde øje med. Her er nogle få robotfirmaer, du bør følge.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) blev lanceret i 1988 og har aktiviteter i Schweiz. Firmaets robotdivision har i årtier været en pioner på markedet. ABB-robotter kan findes over hele kloden. Producenten har produceret og sendt over 500.000 enheder til dato.

ABB er en af de bedst præsterende producenter globalt. Virksomheden beskæftiger over 11.000 eksperter og har aktiviteter i mere end 53 lande. I dag forbliver de en pionerende kraft, der tilbyder et bredt udvalg af robotløsninger til industrielle partnere.

2. KUKA

KUKA er en tysk robotproducent, der blev købt af den kinesiske Midea Group i 2016. Firmaet tilbyder intelligente robotløsninger, der inkluderer fuld automatisering og centraliserede kontrolmuligheder. KUKA forbliver en drivkraft for innovation og tilbyder løsninger, der spænder fra simple robotter til komplette systemer.

KUKA beskæftiger over 14.000 roboteksperter og har en årlig omsætning på over 3,2 mia. Dens engagement i kvalitet og innovation har hjulpet producenten med at blive et af de mest anerkendte navne på robotmarkedet. Forvent vækst fra denne gruppe, når den udvider sine aktiviteter for at imødekomme forbrugerens efterspørgsel.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics er en vigtig aktør inden for forsvars- og rumfartssektoren. Imponerende har gruppen tidligere samarbejdet med NASA ved adskillige lejligheder. Derudover arbejder de i øjeblikket med forskere om at skabe robotminesystemer, der kan operere i lavtyngdekraftsmiljøer og mere.

HoneyBees intelligente udgravningssystemer er allerede i brug internationalt. Disse produkter gør det nemt at udføre boring og prøvetagning i realtid over et stort område. Firmaet fremstiller også forsvarsrobotter, der er designet til at hjælpe soldater i felten.

Startups der presser grænserne

Mange af udviklingerne i robotiksektoren kommer fra det stigende antal startups, der træder ind på markedet. Disse virksomheder ønsker at løfte robotoplevelsen til nye højder gennem deres kreative strategier og forretningsmodeller.

OutRider

At slå græsset på din græsplæne på en varm sommerdag kan føles som tortur, især hvis du har en have, der kræver konstant vedligeholdelse for at se acceptabel ud. OutRider løser dette problem ved at introducere intelligente landskabsrobotter.

Disse enheder skaber en realtidsstruktur på stedet, så de kan udføre komplekse manøvrer. De kan endda samarbejde for at få store opgaver udført hurtigere. Dem, der bruger tusinder på at vedligeholde deres enorme ejendomme eller virksomheder, vil finde disse højtydende robotlandskabs-løsninger fornuftige.

Robotter springer i aktion

Det er interessant at se, at konceptet med at bruge fjedre er genopstået som en af de bedste måder at drive robotik fremad på. Disse systemer indkapsler den ingeniørmæssige ånd og kan gøre livet lettere for millioner. Af disse grunde skal du lykønske disse forskere og alle dem, der rejser sammen med dem, for at gøre lavenergi-robotter til en realitet.