Bruke fjærer for å redusere energiforbruket i robotikk

Et forskningsprosjekt støttet av National Science Foundation undersøkte hvordan fjærer kan redusere energibehovet i elektriske aktuatorer. I en studie publisert i Science Robotics 20. mars 2024 presenterte Erez Krimsky og Steven H. Collins en prototype som kombinerer motor, fjærer og elektrisk styrte koblinger. Her er hovedpunktene.

Hvorfor fjærer kan være svaret

Fjærer kan avlaste en motor ved å lagre og frigjøre elastisk energi. De kan levere kraft eller dreiemoment uten kontinuerlig elektrisk tilførsel mens de holder en belastning, men energien må først tilføres når fjæren spennes.

Når en fjær strekkes eller komprimeres, lagrer den mekanisk energi. Virkelige materialer har tap, og ingen fjær skaper energi. Flere fjærer kan kobles inn etter behov for å tilpasse kraft eller dreiemoment.

Utfordringer som må overvinnes

Bruk av fjærer i aktuatorer er ikke nytt, men det kan være vanskelig å kombinere energilagringen med presis kontroll over varierende bevegelser. Forskerne arbeidet særlig med inn- og utkobling av fjærene.

En fjær trekker seg tilbake når belastningen fjernes. I en robot må denne responsen samordnes med ønsket bevegelse og gjentatte arbeidssykluser. Kontrollerbare koblinger er derfor en viktig del av løsningen.

Ny fjærdesign

Forskerne brukte fire elastiske gummifjærer, hver plassert mellom to elektroadhesive koblinger. Den ene koblingen kan forbinde fjæren med leddet for å hjelpe motoren, mens den andre holder fjæren strukket når den ikke brukes. Spenningen aktiverer koblingene; den får ikke selve gummifjæren til å trekke seg sammen.

Flere fjærer gir mulighet til å velge hvor mye elastisk støtte motoren får. En eller flere kan kobles inn etter oppgaven, noe som gir et mer tilpasningsdyktig system enn en fast fjær.

Prototypen – Resirkuleringsaktuator

Prototypen er en parallell-elastisk aktuator: fjærene virker sammen med en elektrisk motor. De fire fjærene lagrer og returnerer energi, mens koblingene styrer når de bidrar. Det dreier seg ikke om fire elektrostatiske fjærer.

Testresultater viser løfter

Forskerne prøvde aktuatoren på flere bevegelser og oppgaver. I disse forsøkene brukte den mindre elektrisk effekt enn en vanlig motor som utførte tilsvarende oppgaver.

Forskjellige kombinasjoner av innkoblede fjærer gir ulike nivåer av støtte. Det kan sammenlignes med å velge utveksling, men systemet er ikke en vanlig girkasse og endrer ikke mekanisk girforhold på samme måte.

Elektroadhesive koblinger

De tynne, dielektrisk belagte elektroadhesive koblingene låses når elektrisk spenning påføres. Når de kobles ut, kan flatene bevege seg i forhold til hverandre med lav motstand. Dette gir kontroll over den lagrede fjærenergien.

Koblingene er lette, reagerer raskt og krever lite elektrisk effekt. Hvor godt de egner seg i produkter, avhenger også av slitestyrke, produksjon og driftsforhold.

Fordeler fjærmotorer bringer til markedet

Tilnærmingen kan redusere energibehovet ved visse dynamiske bevegelser. Mulige gevinster må vurderes for hver oppgave, medregnet vekten og tapene i motor, koblinger og fjærer.

Redusert motorbelastning

Ved gjentatte bevegelser kan fjærer lagre energi fra én fase og bidra i en annen. Det kan redusere motorens belastning og varmeutvikling, men forsøket dokumenterer ikke at slitasje eller levetid forbedres med en bestemt faktor.

En fjær kan for eksempel hjelpe en mekanisme tilbake etter et slag eller en nedadgående bevegelse. Motoren og koblingene må fortsatt styre hele syklusen. Energigevinsten avhenger av belastningen og hvor godt fjæren passer til bevegelsen.

Lavere motorbelastning kan være nyttig, men det er ikke grunnlag for å love dobbelt levetid. Langvarig drift må testes, inkludert slitasje på koblinger og utmatting i fjærmaterialet.

Allsidighet

Hver fjær kan kobles inn og ut separat. Dermed kan systemet tilpasses ulike bevegelser, men det eliminerer ikke alle energitap.

Presis håndtering krever sensorer, styring og passende mekanikk. Elastiske aktuatorer kan bidra, men fjærer alene gjør ikke en robot i stand til å løfte skjøre gjenstander med riktig kraft.

Høyere energieffektivitet

I de undersøkte oppgavene brukte den forbedrede motoren minst 50 % mindre effekt enn sammenligningsmotoren, og i det beste tilfellet var reduksjonen 97 %. Dette var forsøksresultater for bestemte oppgaver, ikke en generell garanti for alle roboter.

Lagre energi effektivt

Fjærer kan fungere som et mekanisk energilager og gjenbruke energi fra bevegelser. De er ikke elektriske batterier, og lading av et batteri krever en egen mekanisme for å omdanne mekanisk energi til elektrisitet.

Markedsvirkninger

Teknologien kan være relevant for robotsystemer med gjentatte eller varierende bevegelser. Lengre driftstid på batteri er en mulig gevinst, men må dokumenteres for et komplett produkt.

Etter hvert som roboter brukes til flere oppgaver, øker interessen for energieffektive aktuatorer. Den fremtidige etterspørselen avhenger av kostnader, ytelse, sikkerhet og faktisk anvendelse.

Produksjon

Industriroboter har lenge blitt brukt til gjentatte oppgaver. Energiforbruk og vedlikehold er viktige kostnader, og nye aktuatorer kan være ett av flere tiltak for å redusere dem.

Fjærassisterte aktuatorer kan undersøkes for bestemte produksjonsbevegelser. Forsøket gir ikke grunnlag for å si at en fabrikk kan halvere alle kostnader eller automatisk forbedre produktkvaliteten.

Helsevesen

I helsevesenet kan lav vekt og lavt energibehov være nyttig i proteser eller eksoskjeletter. Slike anvendelser vil kreve egen utvikling og vurdering av sikkerhet og klinisk nytte.

Digitale verktøy og roboter brukes til ulike oppgaver i helsevesenet. Artikkelen det lenkes til, undersøker om språkmodeller kan hjelpe nevrologer med å analysere slagpasienter; den dokumenterer ikke bruk av denne fjæraktuatoren. Lettere og mer effektive hjelpemidler kan være verdifulle, men må vurderes for den enkelte anvendelsen.

AI kan være nøkkelen

Elektroadhesive koblinger gjør det mulig å styre fjærenes bidrag uten at fjærene selv er elektrostatiske. Materialegenskaper og kontrollstrategier er sentrale for ytelsen; studien viser ikke at kunstig intelligens var nødvendig for resultatet.

Kunstig intelligens kan brukes til konstruksjon, simulering og styring i robotikk. Slike generelle muligheter må skilles fra metodene som faktisk ble demonstrert i denne studien.

Robotikkmarkedet i bevegelse

Robotikk omfatter både store industrileverandører og mindre utviklingsselskaper. Følgende selskaper arbeider med forskjellige robotteknologier; omtalen betyr ikke at de har tatt i bruk denne aktuatoren.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) ble dannet i 1988 og har hovedkontor i Sveits. Robotikkvirksomheten leverer løsninger til industri i mange land. Oppgitte leveransetall gjelder historiske samlede leveranser, ikke produksjon i ett enkelt år.

ABB tilbyr industriroboter, styringssystemer og automasjonsløsninger. Ansattall og antall land må knyttes til riktig forretningsområde og rapporteringsår, og er ikke dokumentasjon på bruk av fjæraktuatoren.

2. KUKA

KUKA er en tysk leverandør av roboter og automatiserte produksjonssystemer. Midea overtok kontrollen gjennom et oppkjøp annonsert i 2016, og eierforholdet utviklet seg videre i senere år.

KUKAs virksomhet omfatter både enkeltroboter og komplette automatiseringsanlegg. Fremtidig vekst avhenger av etterspørsel og gjennomføring; selskapets størrelse alene gir ingen garanti for vekst.

3. HoneyBee Robotics

Honeybee Robotics utvikler robotmekanismer for blant annet romfart og har levert teknologi til NASA-oppdrag. Blue Origin kunngjorde i 2022 at selskapet skulle overtas. Boring, prøvetaking og utforskning i krevende miljøer er viktige arbeidsområder.

Systemer for boring og prøvehåndtering kan brukes i romfarts- og forskningsoppdrag. Utvikling av løsninger for lav tyngdekraft må skilles fra utstyr som allerede er utplassert; artikkelen dokumenterer ikke allmenn operativ gruvedrift i slike miljøer.

Oppstartsbedrifter som presser grensene

Oppstartsbedrifter bidrar også med nye robotløsninger og forretningsmodeller. De arbeider ofte med avgrensede oppgaver der automatisering kan gi praktiske gevinster.

OutRider

Outrider utvikler autonom drift av terminaltraktorer på logistikkområder. Det er ikke en leverandør av robotgressklippere eller hagearbeidsroboter. Selskapets system flytter tilhengere mellom parkeringsplasser og lasteramper.

Systemet kombinerer elektriske terminaltraktorer, sensorer, robotisert tilkobling og programvare for å planlegge og koordinere tilhengerflytting. I februar 2024 beskrev Outrider planer om kommersielle leveranser senere samme år.

Veien videre for fjærassistert robotikk

Fjærer og kontrollerbare koblinger gir en ny måte å redusere energibruken i enkelte robotbevegelser på. Resultatene er lovende, men praktisk nytte, holdbarhet og skalerbarhet må vurderes videre før bred bruk.