Het gebruik van veren om het energieverbruik in de robotica te verlagen

Onderzoek dat werd gefinancierd door de Amerikaanse National Science Foundation laat zien hoe veren motoren energiezuiniger kunnen maken. De studie is uitgevoerd door werktuigbouwkundigen Erez Krimsky en Steven H. Collins. Zij beschrijven een actuator die een elektromotor met veren combineert en presenteren een werkend prototype. Dit zijn de belangrijkste bevindingen.

Waarom veren het antwoord kunnen zijn

Veren lijken misschien geen voor de hand liggende oplossing voor het energieverbruik van motoren. Toch kunnen ze nuttig zijn: een gespannen veer kan kracht of koppel leveren zonder daarvoor voortdurend elektrisch vermogen te vragen. Het opspannen van de veer kost wel energie.

Uitgerekte veren kunnen elastische energie opslaan en later weer afgeven, met relatief kleine verliezen. Zo kan energie efficiënt worden hergebruikt voor mechanische beweging. Door veren anders af te stellen of te combineren, kan het beschikbare koppel worden aangepast.

Uitdagingen om te overwinnen

Het idee om energie in veren op te slaan en terug te winnen bestaat al langer. Een belangrijke uitdaging is de regeling: de opgeslagen energie moet op het juiste moment en op een beheerste manier worden afgegeven.

Een uitgerekte veer wil terugkeren naar haar oorspronkelijke vorm. Voor een betrouwbare actuator moet die beweging echter gedurende vele duizenden of miljoenen cycli gecontroleerd blijven. De onderzoekers moesten daarom een bruikbare manier vinden om de veren in en uit te schakelen.

Nieuw veerontwerp

De onderzoekers ontwikkelden een lichte constructie met uitgerekte rubberen veren en elektroadhesieve koppelingen. De spanning bedient de koppelingen, die bepalen of een veer wordt vastgehouden of aan de beweging bijdraagt. Het rubber trekt niet rechtstreeks samen doordat er stroom doorheen loopt. Het prototype gebruikt zes veren.

Meerdere veren bieden extra mogelijkheden om het koppel en de beweging te regelen. Afhankelijk van de taak kunnen één of meer veren worden ingeschakeld. De onderzoekers bouwden een compacte actuator die in de toekomst bruikbaar kan zijn voor robotica en andere toepassingen.

Het prototype: actuator met energieterugwinning

Het geteste prototype is een parallel-elastische actuator: zes rubberen veren werken naast een elektromotor. Door energie op te slaan en op het juiste moment terug te geven, kunnen de veren de belasting en het energieverbruik van de motor verminderen.

Testresultaten tonen belofte

De onderzoekers testten het prototype met verschillende cyclische bewegingen om de invloed van de veren te meten. Bij alle geteste taken nam het energieverbruik aanzienlijk af.

De opstelling biedt, net als een versnellingsbak, verschillende mogelijkheden om het geleverde koppel aan te passen. In plaats van een traditionele mechanische schakeling gebruikt zij elektrisch bediende koppelingen om veren naar behoefte in of uit te schakelen.

Elektroadhesieve koppelingen

Een belangrijk onderdeel zijn paren elektroadhesieve koppelingen die de veren onder spanning kunnen vasthouden. Ze zijn dun uitgevoerd om het gewicht te beperken en voorzien van een diëlektrische laag. Zonder aangelegde spanning kunnen de delen langs elkaar bewegen; met spanning hechten ze aan elkaar.

Deze koppelingen vragen weinig elektrisch vermogen en reageren snel. Hun lage energieverbruik en lichte constructie maken ze interessant voor actuatoren die elastische energie opslaan. Dat betekent nog niet dat ze al een algemene industriestandaard zijn.

Voordelen die veermotoren op de markt brengen

Dit type actuator kan voordelen bieden in toepassingen waar energiezuinigheid en een laag gewicht belangrijk zijn. Hoe groot die voordelen zijn, hangt af van de beweging, belasting en volledige systeemopbouw.

Minder belasting van de motor

De veren kunnen een deel van de belasting van de motor overnemen. Denk aan een machine die een stempel naar beneden beweegt en daarna weer optilt. Zonder energieterugwinning moet de aandrijving voor beide bewegingsrichtingen energie leveren.

Bij een geschikte constructie kunnen veren energie opslaan tijdens de ene beweging en die afgeven tijdens de teruggaande beweging. Daardoor hoeft de motor minder werk te verrichten. Dit kan warmteontwikkeling en belasting verminderen, maar halveert niet automatisch de volledige bedrijfscyclus of slijtage.

Een lagere motorbelasting kan voordelen hebben voor de levensduur en het energieverbruik. Het onderzoek toont echter niet aan dat dergelijke motoren twee keer zo lang meegaan. Verdere tests zijn nodig om duurzaamheid en praktische inzetbaarheid vast te stellen.

Veelzijdigheid

Elke veer kan afzonderlijk worden in- of uitgeschakeld. Dat maakt verschillende combinaties van kracht en opgeslagen energie mogelijk en helpt verliezen te beperken. Volledig verliesvrij is het systeem niet.

Naarmate robotica meer taken overneemt, groeit de behoefte aan nauwkeurige krachtregeling. Een zwaar voorwerp optillen vraagt iets anders dan een kwetsbaar ei vastpakken. Actuatoren met veren kunnen bijdragen aan fijnere regeling, afhankelijk van het ontwerp en de toepassing.

Hogere energie-efficiëntie

De tests laten zien dat veren het elektrische energieverbruik kunnen verminderen. In alle onderzochte taken bedroeg de besparing minstens 50%; in een specifieke test liep die op tot 97%. Deze resultaten gelden voor de geteste taken en zijn geen gegarandeerde besparing voor iedere robot.

Energie efficiënt opslaan

Elastische energieterugwinning slaat energie mechanisch op in veren. In die zin kan een veer functioneren als een mechanische batterij. Dat is iets anders dan rechtstreeks een elektrische batterij opladen. De energiezuinige koppelingen helpen de opgeslagen energie te beheren.

Marktimpact

Deze ontwikkeling kan relevant zijn voor markten waar robots herhaalde bewegingen uitvoeren. Een lager energieverbruik kan langere gebruiksduur mogelijk maken, maar de uiteindelijke werktijd hangt ook af van de rest van het systeem.

Robots nemen steeds meer dagelijkse taken over. Naarmate hun waarneming, vaardigheden en interactie met mensen verbeteren, neemt ook het belang van efficiënte aandrijvingen toe.

Productie

De industrie zoekt al decennia naar energiezuinige robots. Grote ondernemingen hebben veel geïnvesteerd in automatisering. Robots kunnen arbeid en kosten besparen, maar vragen zelf ook energie en onderhoud.

Nieuwe generaties robots kunnen slimmer en efficiënter worden, onder meer door geavanceerde besturing en KI. Actuatoren met veren zouden fabrikanten kunnen helpen energie te besparen. De onderzochte motorbesparing betekent echter niet dat de totale productiekosten halveren.

Gezondheidszorg

Robotica wordt al jarenlang in de gezondheidszorg toegepast. Lichte, efficiënte actuatoren zouden in de toekomst bruikbaar kunnen zijn voor prothesen of exoskeletten. Dat is een mogelijke toepassing, geen aangetoond klinisch resultaat van dit prototype.

Robots kunnen mensen met een beperking al helpen bij dagelijkse activiteiten. Lichtere en efficiëntere apparaten kunnen nieuwe toepassingen mogelijk maken. Verschillende onderzoeksprojecten combineren robotica en gezondheidszorg om de zelfstandigheid en levenskwaliteit te verbeteren.

AI zou de sleutel kunnen zijn

Het gebruik van rubberen veren met elektroadhesieve koppelingen kan de motorbelasting verminderen. Een andere uitdaging is het bepalen van geschikte ontwerpen, materiaaleigenschappen en bedrijfsgrenzen. KI kan daarbij als onderzoekshulpmiddel dienen.

KI-methoden kunnen helpen bij ontwerpverkenning, virtuele tests en de ontwikkeling van besturingsalgoritmen. Zulke toepassingen maken deel uit van de bredere ontwikkeling van intelligente robotica.

Roboticamarkt in beweging

De roboticasector omvat grote ondernemingen die processen automatiseren en start-ups die nieuwe toepassingen onderzoeken. Hieronder volgen enkele voorbeelden van bedrijven in deze sector.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) ontstond in 1988 en is gevestigd in Zwitserland. De roboticadivisie is al tientallen jaren actief en heeft wereldwijd meer dan 500.000 robots geleverd, volgens de cijfers die in dit artikel worden aangehaald.

ABB biedt industriële klanten een breed scala aan robotoplossingen. Het artikel noemt voor de roboticadivisie meer dan 11.000 medewerkers en activiteiten in ruim 53 landen. Deze cijfers beschrijven de situatie rond de publicatie en zijn geen actuele personeelsopgave.

2. KUKA

KUKA is een Duitse roboticafabrikant waarin de Chinese Midea Group in 2016 een meerderheidsbelang verwierf. Het bedrijf levert intelligente robotoplossingen, van afzonderlijke robots tot complete automatiseringssystemen met centrale besturing.

Het artikel noemt voor KUKA meer dan 14.000 medewerkers en een jaaromzet van ruim 3,2 miljard. De onderneming behoort tot de gevestigde namen in industriële robotica. Toekomstige groei blijft afhankelijk van de vraag en de uitvoering van haar plannen.

3. HoneyBee Robotics

Honeybee Robotics ontwikkelt robottechnologie voor onder meer ruimteonderzoek. Het bedrijf heeft aan verschillende NASA-projecten meegewerkt en onderzoekt systemen voor boren, monstername en graafwerk onder moeilijke omstandigheden, waaronder lage zwaartekracht.

De graaf- en monsternamesystemen van Honeybee zijn bedoeld voor onderzoek van bodem en gesteente. Zulke technologie kan helpen op locaties die voor mensen lastig toegankelijk zijn. Niet alle beschreven onderzoeksconcepten zijn al commercieel in gebruik.

Start-ups die de grenzen verleggen

Een deel van de vernieuwing in robotica komt van start-ups. Zij onderzoeken nieuwe technische benaderingen en bedrijfsmodellen om robots in meer situaties inzetbaar te maken.

OutRider

Outrider ontwikkelt autonome elektrische trekkers voor logistieke terreinen, niet voor grasmaaien of tuinonderhoud. Het systeem is bedoeld om opleggers op distributieterreinen te verplaatsen en daarbij terugkerende manoeuvres te automatiseren.

De voertuigen gebruiken een actuele weergave van het terrein om manoeuvres te plannen. Tot de beoogde taken behoren het koppelen en verplaatsen van opleggers en het aansluiten van leidingen. De efficiëntie moet daarom worden beoordeeld binnen logistieke processen, niet als oplossing voor landschapsbeheer.

Robots springen in actie

Het onderzoek laat zien dat een bekend mechanisch principe — energie opslaan in veren — nieuwe mogelijkheden kan bieden voor robotica. Verdere ontwikkeling moet uitwijzen waar dergelijke actuatoren betrouwbaar en praktisch inzetbaar zijn. De testresultaten vormen daarvoor een veelbelovend uitgangspunt.