Jousien käyttäminen energian kulutuksen vähentämiseksi robotiikassa

National Science Foundationin rahoittama tutkimushanke valotti viime viikolla sitä, miten jouset voisivat parantaa moottorien tehokkuutta tulevaisuudessa. Tutkimuksen tekivät koneinsinöörit Erez Krimsky ja Steven H. Collins. Raportissaan he kuvaavat jousihybridimoottorin hyötyjä ja esittelevät toimivan prototyypin. Tässä tärkeimmät asiat.

Miksi jouset voisivat olla ratkaisu?

Jouset voivat tuntua epätodennäköiseltä ratkaisulta moottorien kulumiseen tai suureen energiankulutukseen. Niillä on kuitenkin tehtävään sopivia erityisominaisuuksia. Ne voivat esimerkiksi tuottaa vääntömomenttia kuluttamatta energiaa.

Venytetyt jouset varastoivat elastista energiaa lähes häviöttömästi. Energia voidaan muuntaa tehokkaasti suoraan mekaaniseksi voimaksi. Jousia voidaan myös säätää tai käyttää yhdessä vääntömomentin kasvattamiseksi tai pienentämiseksi tarpeen mukaan.

Ratkaistavat haasteet

Kekseliäät kehittäjät ovat aiemminkin tunnistaneet jousien mahdollisuudet energian varastoinnissa ja muuntamisessa. Hankkeiden onnistuminen edellytti kuitenkin tiettyjen haasteiden voittamista. Jousia on tunnetusti vaikea hallita.

Venytetty jousi kyllä palautuu, mutta haasteena on saada se palautumaan samalla nopeudella tuhansien tai miljoonien käyttökertojen ajan. Insinöörien oli siksi ensin selvitettävä, miten moottoriin liitettävien jousien toimintaa hallitaan.

Uusi jousirakenne

Pohdinnan jälkeen tutkijat päättivät kehittää uuden rakenteen. He loivat hanketta varten täysin uuden, kevyen jousijärjestelyn, joka hyödyntää elastista energiaa. Jouset valmistetaan rungon yli kireälle venytetystä elastisesta materiaalista. Kun sähkövirtaa syötetään, jousi vetäytyy ja kiristyy. Ratkaisu mahdollisti neljän jousen sijoittamisen rinnakkain.

Useat jouset tuovat moottoriin lisää vääntömomenttia ja ohjausvaihtoehtoja. Yksi tai useampi voidaan ottaa käyttöön tehontarpeen kasvaessa. Näin tutkijat pystyivät rakentamaan pienen moottorin, jota voitaisiin tulevaisuudessa käyttää kaupallisissa ja robotiikan sovelluksissa.

Prototyyppi: energiaa kierrättävä toimilaite

Rinnakkaiselastisen toimilaitemoottorin virallinen prototyyppi on jo testattavana. Pieneen moottoriin on yhdistetty neljä rinnakkain toimivaa sähköstaattista jousta. Rakenne mahdollistaa jousien käytön kuormituksen pienentämiseen, tehon lisäämiseen ja mekaanisen kulumisen vähentämiseen.

Lupaavia testituloksia

Raportissa esitettiin vaikuttavia prototyypin testituloksia. Kehittäjät kokeilivat toimilaitetta useissa toistuvissa toimintajaksoissa arvioidakseen jousien vaikutuksia. Jo alussa kävi ilmi, että jouset paransivat tehokkuutta huomattavasti.

Vielä kiinnostavampaa oli havainto, että jouset toimivat moottorin vaihteiston tavoin: niiden avulla voitiin vaihtaa suurempaan vääntömomenttiin. Perinteinen vaihteisto tarvitsee mekaanisia kytkimiä, mutta tässä sähköiset kytkimet toimivat saumattomasti tarpeen mukaan.

Sähköadhesiiviset kytkimet

Merkittävä innovaatio oli sähköadhesiivisten kytkinparien käyttö jousien lukitsemiseksi jännitettyyn tilaan. Kytkimet tehtiin mahdollisimman ohuiksi painon vähentämiseksi. Niissä on dielektrinen pinnoite, ja ne voivat liikkua ilman kitkaa, kun sähkövarausta ei ole. Jännite lukitsee ne paikoilleen.

Tällainen sähkökytkin tarvitsee hyvin vähän tehoa ja reagoi lähes välittömästi. Se on myös mekaanisia vaihtoehtoja tehokkaampi ja halpa valmistaa. Siksi sen käyttö sähköstaattisissa jousimoottoreissa voisi yleistyä.

Jousimoottorien hyödyt markkinoille

Tämä moottorityyppi tuo monia hyötyjä. Se parantaa tehokkuutta laajalla markkina-alueella. Laitteet suunnitellaan energiatehokkaiksi ja kestäviksi. Kevyt rakenne tarvitsee myös huomattavasti vähemmän energiaa kuljetukseen ja käyttöön.

Moottorien kulumisen vähentäminen

Toinen merkittävä etu on kulumisen väheneminen. Nykyiset moottorit vastaavat mekaanisen liikkeen kaikista vaiheista. Esimerkiksi kokoonpanolinjan leimausmoottori käyttää energiaa sekä leimaamiseen että leimasimen nostamiseen sen jälkeen.

Kuvitellaan sama robotti, jonka tarvitsisi vain painaa leimasin alas. Jouset nostaisivat levyn takaisin ylös. Tällainen ratkaisu voisi vähentää moottorin kulumista huomattavasti poistamalla puolet sen työjaksosta. Se vähentää myös lämpökulumista. Kuumat moottorit toimivat tehottomammin ja rikkoutuvat herkemmin.

Teoriassa jousiavusteiset moottorit voisivat kestää kaksi kertaa niin kauan kuin täysin mekaaniset vastineensa. Ne käyttäisivät vähemmän energiaa ja olisivat helpompia kuljettaa tai käyttää liikkeellä. Nämä tekijät houkuttelevat alalle lisää tutkijoita.

Monipuolisuus

Tutkijoiden jousimoottori osoittautui monipuoliseksi. Mekaaninen rakenne mahdollistaa kunkin jousen kytkemisen erikseen käyttöön ja pois. Se tarjoaa myös tarkkaa hallintaa ja poistaa energiahäviöitä.

Robotiikan laajentuessa hienomotoriikkaan kykenevien laitteiden kysyntä kasvaa. Yllättäen on helpompi löytää auton nostava robotti kuin sellainen, joka poimii kananmunan rikkomatta sitä. Jousitoimilaitemoottorit voivat olla puuttuva ratkaisu: niiden avulla insinöörit voivat käyttää tarkasti säädettyä pientä painetta lisäämättä painoa.

Parempi energiatehokkuus

Jousien käyttö moottorin työjakson lyhentämiseen on järkevää, ja tulokset tukevat sitä. Tutkijoiden raportin mukaan moottori vähensi energiankulutusta keskimäärin 50 %. Tehtävästä riippuen säästö saattoi olla jopa 97 %. Siksi odotukset ovat korkealla: tällaiset moottorit voivat jonain päivänä auttaa laitteita kulkemaan pidemmälle ja toimimaan kauemmin kuin ennen.

Energian tehokas varastointi

Toinen merkittävä hyöty on mahdollisuus hyödyntää elastisen energian talteenottoa akkujen energianlähteenä. Jousia voidaan käyttää mekaanisena akkuna tai perinteisten akkujen rinnalla varastoinnin ja muuntamisen tehostamiseksi. Tutkijoiden pienitehoiset kytkimet ovat esimerkki siitä, miten teknologia voisi palvella tulevaisuuden akkuja.

Vaikutukset markkinoihin

Tämä kehitys voi mullistaa useita markkinoita, jotka ovat riippuvaisia roboteista tai tukeutuvat niihin yhä enemmän. Jousimoottorit voivat mahdollistaa vähän energiaa kuluttavat robottijärjestelmät, jotka työskentelevät pitkiä päiviä ilman latausta.

Teknologiavallankumous on jo käynnissä, ja robotit ottavat ihmisiltä yhä enemmän arkisia tehtäviä. Kun laitteet oppivat ymmärtämään ympäristöään, saavat uusia kykyjä ja viestivät sujuvasti ihmisten kanssa, pienitehoisten moottorien kysyntä kasvaa räjähdysmäisesti.

Valmistusteollisuus

Valmistus- ja teollisuussektorit ovat etsineet vähän energiaa kuluttavia robotteja vuosikymmeniä. Suuryritykset ovat jo sijoittaneet miljardeja robotiikkainfrastruktuuriinsa. Varhaiset robotit säästivät niille miljardeja, mutta rakenteensa vuoksi ne tarvitsivat paljon energiaa ja huoltoa.

Seuraavan sukupolven robotit ovat halvempia käyttää, älykkäämpiä ja tarvitsevat vähemmän huoltoa. Edistyneitä tekoälyjärjestelmiä hyödyntäviä laitteita tulee jo markkinoille. Jousimoottorit voivat tulevaisuudessa auttaa valmistajia puolittamaan kustannuksensa ja samalla parantamaan tuotteiden laatua.

Terveydenhuolto

Terveydenhuolto ei ehkä tule ensimmäisenä mieleen robotiikasta puhuttaessa. Robotteja on kuitenkin yhdistetty terveydenhuoltoon vuosikymmeniä, ja tämä kehitys voi nopeuttaa sitä huomattavasti. Jousimoottorien keveys ja kestävyys voivat jonain päivänä tehdä proteeseista ja ulkoisista tukirangoista helpommin saatavia.

Robotit auttavat jo vammaisia ihmisiä elämään täysipainoisemmin. Kevyemmät ja tehokkaammat laitteet voivat tuoda avun uusien ihmisten ulottuville. Käynnissä on jo monia kiinnostavia hankkeita, joissa robotiikka ja terveydenhuolto yhdistyvät elämän parantamiseksi.

Tekoäly voi olla avain

Sähköstaattisten jousien käyttö moottorin kuorman keventämiseen on suuri askel kohti aidosti kestäviä robotteja. Toinen osa tehtävää on selvittää laitteissa käytettyjen materiaalien rajat ja mahdollisuudet. Tekoäly on osoittautunut tässä korvaamattomaksi työkaluksi.

Se on auttanut kehittämään ja määrittämään uusia rakenteita, testaamaan tilanteita virtuaalisesti sekä ohjelmoimaan syväoppimisalgoritmeja. Yhdessä nämä edistysaskeleet ovat nostaneet tekoälyrobotiikan kehityksen seuraavaksi rintamaksi.

Robotiikkamarkkinat liikkeessä

Jo nopea katsaus osoittaa, että robotiikka kuuluu teknologian kuumimpiin markkinoihin. Suuret yritykset haluavat pienentää käyttökustannuksia, ja startupit laajentavat teknologian rajoja. Tutustumisen arvoisia hankkeita on paljon. Tässä muutama seurattava robotiikkayritys.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) perustettiin vuonna 1988, ja sillä on toimintaa Sveitsissä. Sen robotiikkayksikkö on ollut alan edelläkävijä vuosikymmeniä. ABB:n robotteja on kaikkialla maailmassa, ja valmistaja on tähän mennessä tuottanut ja toimittanut yli 500 000 yksikköä.

ABB kuuluu maailman parhaiten menestyviin valmistajiin. Se työllistää yli 11 000 asiantuntijaa ja toimii yli 53 maassa. Yritys on edelleen edelläkävijä, joka tarjoaa teollisuuskumppaneille laajan valikoiman robotiikkaratkaisuja.

2. KUKA

KUKA on saksalainen robottivalmistaja, jonka kiinalainen Midea Group osti vuonna 2016. Yritys tarjoaa älykkäitä ratkaisuja, joihin kuuluvat täysi automaatio ja keskitetty ohjaus. KUKA edistää edelleen innovaatioita ja tarjoaa kaikkea yksittäisistä roboteista kokonaisiin järjestelmiin.

KUKA työllistää yli 14 000 robotiikka-asiantuntijaa, ja sen vuosimyynti ylittää 3,2 miljardia. Sitoutuminen laatuun ja innovaatioihin on tehnyt siitä yhden alan tunnetuimmista nimistä. Konsernin odotetaan kasvavan, kun se laajentaa toimintaansa vastaamaan asiakkaiden kysyntään.

3. HoneyBee Robotics

Honey Bee Robotics on merkittävä toimija puolustus- ja avaruustutkimussektoreilla. Se on tehnyt useita kertoja yhteistyötä NASAn kanssa. Yritys kehittää parhaillaan tutkijoiden kanssa myös robottikaivosjärjestelmiä, jotka toimivat muun muassa vähäisen painovoiman oloissa.

HoneyBeen älykkäitä kaivujärjestelmiä käytetään jo kansainvälisesti. Ne helpottavat porausta ja näytetutkimuksia reaaliajassa laajoilla alueilla. Yritys valmistaa myös puolustusrobotteja sotilaiden tueksi kentällä.

Rajoja laajentavat startupit

Monet robotiikan edistysaskeleet syntyvät alalle tulevien startupien kasvavassa joukossa. Yritykset pyrkivät viemään robotiikan uudelle tasolle luovilla strategioilla ja liiketoimintamalleilla.

OutRider

Nurmikon leikkaaminen kuumana kesäpäivänä voi tuntua piinalta etenkin, jos piha vaatii jatkuvaa hoitoa näyttääkseen edes kohtuulliselta. Outrider ratkaisee ongelmaa älykkäillä maisemanhoitoroboteilla.

Laitteet muodostavat alueesta reaaliaikaisen rakenteellisen mallin, joka mahdollistaa monimutkaiset liikkeet. Ne voivat myös työskennellä yhdessä suurten tehtävien nopeuttamiseksi. Suurten kiinteistöjen tai yritysalueiden hoitoon tuhansia käyttävät voivat hyötyä näistä tehokkaista ratkaisuista.

Robotit ponnahtavat toimintaan

On kiinnostavaa, että jousien hyödyntäminen on noussut uudelleen yhdeksi parhaista tavoista edistää robotiikkaa. Järjestelmät ilmentävät insinööritaidon henkeä ja voivat helpottaa miljoonien ihmisten elämää. Siksi tutkijat ja heidän rinnallaan vähän energiaa kuluttavia robotteja kehittävät ansaitsevat tunnustuksen.