Att använda fjädrar för att minska energiförbrukningen inom robotik

Ett forskningsprojekt som finansierades av National Science Foundation förra veckan ger viss insikt i hur fjädrar kan göra motorer mer effektiva i framtiden. Studien studie presenterades av två maskiningenjörer, Erez Krimsky och Steven H. Collins. I deras rapport går de in på fördelarna med en fjäderhybridmotor innan de avslöjar en fungerande prototyp.  Här är vad du behöver veta.

Varför fjädrar kan vara svaret

Fjädrar kan verka som en osannolik lösning på motorers slitage eller behov av enorm energiförbrukning. Men vissa unika egenskaper gör fjädrar idealiska för denna uppgift. För det första kan de producera vridmoment utan att kräva energi.

Fjädrar kan lagra elastisk energi när de sträcks, med nästan ingen förlust. Denna elastiska energi kan omvandlas direkt till mekanisk kraft på ett effektivt sätt. Dessutom kan fjädrar justeras eller användas i tandem för att öka eller minska vridmomentet vid behov.

Utmaningar att övervinna

Det har tidigare funnits några intuitiva sinnen som erkände fjädrars potential att lagra och omvandla energi. Men vissa tydliga utmaningar måste övervinnas för att något av dessa tidigare projekt skulle lyckas. För det första är fjädrar notoriskt svåra att kontrollera.

Ja, om du drar i en fjäder så studsar den tillbaka. Problemet är att skapa en fjäder som studsar tillbaka med samma hastighet under tusentals eller miljontals användningar. Så en av de första sakerna ingenjörerna behövde lösa var hur man kontrollerar de fjädrar de ville integrera.

Ny fjäderdDesign

Efter en kort överläggning beslutade de att en ny design var nödvändig. De skapade en helt ny lättviktig elastisk energidriven fjädersystem för projektet. Dessa fjädrar är tillverkade av ett elastiskt material som sträcks över ramen. När en elektrisk ström appliceras drar fjädern sig tillbaka och spänns. Denna strategi gjorde det möjligt för utvecklarna att stapla fyra fjädrar bredvid varandra.

Användningen av flera fjädrar ger extra vridmoment och kontrollalternativ till motorn. Användare kan aktivera en eller flera fjädrar när kraftbehovet ökar. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att skapa en liten version av sin motor, som i framtiden kan användas i kommersiella och robotiska tillämpningar.

Prototypen – Återvinningsaktuator

Den officiella prototypen av den parallella elastiska aktuatormotorn är redan i testfasen. Denna lilla motor integrerar fyra elektrostatiska fjädrar som körs parallellt. Denna struktur gör det också möjligt för motorn att utnyttja fjädrarna för att minska arbetsbelastning, öka kraft och minska mekaniskt slitage.

Testresultaten visar lovande resultat

Rapporten visade några imponerande testresultat från prototypen. Utvecklarna utsatte aktuatorn för flera cykliska testfall för att försöka mäta fjädrarnas påverkan på enheten. Det blev tydligt från början att fjädrarna avsevärt förbättrade effektiviteten.

Det som är ännu mer intressant är att utvecklarna upptäckte att fjädrarna fungerade som ett växellåda på en motor, så att man kunde växla för att få mer vridmoment. Till skillnad från traditionella växellådor som kräver mekaniska kopplingar för att ändra vridmoment, integrerar denna lösning sömlöst elektriska kopplingar som aktiveras vid behov.

Elektroadhesiva kopplingar

Användningen av par av elektroadhesiva kopplingar för att hålla fjädrar låsta med spänning var en stor innovation. Dessa kopplingar gjordes så tunna som möjligt för att minska vikten. De är dielektriskt belagda och kan passera utan friktion när de inte är laddade. Noterbart låser kopplingarna på plats när spänning appliceras på dem.

Denna typ av elektrisk koppling kräver minimal kraft och ger nästan omedelbar respons. Dessutom erbjuder de hög effektivitet jämfört med mekaniska alternativ och kan produceras billigt. Dessa faktorer innebär att deras användning i elektrostatiska fjädermotorer kan bli normen.

Fördelar som fjädermotorer ger till marknaden

Det finns många fördelar som denna typ av motor för med sig till marknaden. För det första förbättrar den effektiviteten i en stor del av marknaden. Dessa enheter är byggda för att vara energieffektiva och hållbara. Dessutom kräver deras lätta design mycket mindre energi för transport eller drift.

Minska motor slitage

En annan stor fördel med denna typ av motor är att den minskar slitage. Dagens motorer ansvarar för att hantera alla aspekter av sina mekaniska rörelser. Detta innebär att en motor som stämplar ett föremål på en produktionslinje använder sin energi för att stämpla och lyfta stämpeln efter handlingen.

Föreställ dig samma robot, men den behöver bara trycka ner. Fjädrarna aktiveras sedan och lyfter plattan tillbaka upp. Denna typ av fjäderintegration kan avsevärt minska motorslitage genom att eliminera hälften av dess driftcykel. Det minskar också termiskt slitage. Varma motorer fungerar mindre effektivt och är mer benägna att gå sönder.

I teorin kan fjäderdrivna motorer hålla dubbelt så länge som deras helt mekaniska motsvarigheter. De skulle kräva mindre energi för drift och skulle vara enklare att transportera eller använda på språng. Dessa faktorer fortsätter att få fler forskare att fördjupa sig i sektorn.

Mångsidighet

Forskarnas fjädermotor visade sig vara mångsidig. Den mekaniska uppsättningen möjliggör att varje fjäder kan aktiveras och avaktiveras individuellt vid behov. Denna struktur ger också fin kontroll och eliminerar energiförluster.

När robotiken expanderar finns det ett fortsatt behov av enheter med finmotoriska färdigheter. Förvånansvärt är det lättare att hitta en robot som kan lyfta en bil än en som kan plocka upp ett ägg utan att bryta det. Fjäderaktuatormotorer kan vara den saknade länken i detta sökande eftersom de gör det möjligt för ingenjörer att applicera exakt fin tryck när det behövs utan att lägga till vikt.

Högre energieffektivitet

Användningen av fjädrar för att förkorta motorns driftcykel är logisk och data bevisar det. Forskningsrapporten visar att deras motor minskade energiförbrukningen med i genomsnitt 50 %. Studien avslöjade att, beroende på uppgift, energibesparingen kan nå upp till 97 %. Därför finns det mycket hype kring hur dessa motorer en dag kommer att göra det möjligt för enheter att gå längre och fungera längre än någonsin.

Lagra energi effektivt

En annan enorm fördel är ingenjörernas möjlighet att integrera elastisk energirecirkulation för att driva batterier. Fjädrar kan användas som ett mekaniskt batteri eller i kombination med traditionella batterier för att förbättra lagrings- och konverteringseffektiviteten. Ingenjörernas användning av lågkraftskopplingar är ett exempel på hur denna teknik kan driva framtidens batterier.

Marknadspåverkan

Denna senaste utveckling har potential att omvälva en rad marknader som är beroende av eller blir alltmer beroende av robotar. Fjädermotorer kan hjälpa till att skapa lågenergi-robotiska system som kan klara långa arbetsdagar utan laddning.

Teknikrevolutionen är redan här och vardagsrobotar tar över fler dagliga uppgifter från människor. När dessa enheter blir medvetna om sin omgivning, får nya funktioner och lär sig kommunicera flytande med människor, kommer efterfrågan på lågkraftsmotorer att öka exponentiellt.

Tillverkning

Tillverknings- och industrisektorerna har sökt lågenergi-robotar i årtionden. Stora företag har redan investerat miljarder i sin robotik-infrastruktur. Dessa tidiga robotar sparade dem miljarder men krävde mycket energi och underhåll på grund av sin design.

Nästa generation av robotar kommer att kosta mindre att driva, vara smartare och kräva mindre underhåll. Dessa enheter är redan på väg in på marknaden genom att utnyttja avancerade AI-system. I framtiden kan fjädermotorer hjälpa tillverkare att halvera sina kostnader samtidigt som de förbättrar produktkvaliteten.

Hälsovård

När du tänker på robotik är kanske hälso- och sjukvården inte den första branschen som kommer i åtanke. Integrationen av robotik i hälso- och sjukvården har pågått i årtionden nu och denna senaste utveckling kan hjälpa till att sätta fart på utvecklingen. Den lätta och hållbara naturen hos fjädermotorer kan en dag göra proteser eller exoskelett mer tillgängliga.

Robotar hjälper redan personer med funktionsnedsättningar att njuta av ett mer meningsfullt liv. Att göra dessa enheter lättare och mer effektiva öppnar dörren för nya människor att få hjälp. Noterbart finns redan en rad intressanta hälso- och sjukvårdsprojekt på gång som kombinerar robotar och vård för att förbättra liv.

AI kan vara nyckeln

Användningen av elektrostatiska fjädrar för att minska motorbelastningen är ett stort steg mot att skapa verkligt hållbara robotar. Den andra sidan av ekvationen är att fastställa trösklarna och kapaciteterna för de material som används i dessa enheter. AI har visat sig vara ett ovärderligt verktyg på resan.

Det har hjälpt till att utveckla och konfigurera nya designer, virtuellt testa scenarier och programmera djupinlärningsalgoritmer. Tillsammans har dessa utvecklingar bidragit till att göra AI-robotik till nästa frontier.

Robotikmarknaden i rörelse

Det räcker med en blick för att se att robotiksektorn är en av de hetaste marknaderna inom teknik. Från stora företag som vill implementera dessa enheter för att minska driftskostnader till startups som driver teknikens gränser, finns det många projekt som är värda att titta på. Här är några robotikföretag att hålla ögonen på.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) grundades 1988 och har verksamhet i Schweiz. Företagets robotikdivision har varit en pionjär på marknaden i årtionden. ABB-robotar kan hittas över hela världen. Tillverkaren har producerat och levererat över 500 000 enheter till dags datum.

ABB är en av de mest framstående tillverkarna globalt. Företaget har över 11 000 experter och verksamhet i mer än 53 länder. Idag är de fortfarande en pionjärkraft som erbjuder ett brett utbud av robotiklösningar till industriella partners.

2. KUKA

KUKA är en tysk robotiktillverkare som köptes upp av det kinesiska Midea Group 2016. Företaget erbjuder intelligenta robotiklösningar som inkluderar full automation och centraliserade styrningsalternativ. KUKA förblir en drivkraft för innovation och erbjuder lösningar som sträcker sig från enkla robotar till hela system.

KUKA har över 14 000 robotikexperter och omsätter över 3,2 miljarder dollar årligen. Deras engagemang för kvalitet och innovation har hjälpt tillverkaren att bli ett av de mest igenkända namnen på robotikmarknaden. Förvänta dig tillväxt från denna grupp när de expanderar sin verksamhet för att möta konsumenternas efterfrågan.

3. HoneyBee Robotics

HoneyBee Robotics är en stor aktör inom försvars- och rymdutforskningssektorerna. Imponerande nog har gruppen samarbetat med NASA vid flera tillfällen tidigare. Dessutom arbetar de för närvarande med forskare för att skapa robotiska gruvsystem som kan fungera i låggravitationella miljöer och mer.

HoneyBees intelligenta grävsystem används redan internationellt. Dessa produkter gör det enkelt att utföra borrning och provtagning i realtid över ett stort område. Företaget tillverkar också försvarsrobotar som är utformade för att hjälpa soldater i fält.

Startups som driver gränserna

Många av utvecklingarna inom robotiksektorn kommer från det växande antalet startups som går in på marknaden. Dessa företag vill ta robotikupplevelsen till nya höjder genom sina kreativa strategier och affärsmodeller.

OutRider

Att klippa gräset på en het sommardag kan kännas som tortyr, särskilt om du har en trädgård som kräver ständig underhåll för att se acceptabel ut. OutRider löser detta problem genom att introducera intelligenta landskapsrobotar.

Dessa enheter skapar en realtidsstruktur på plats, vilket gör att de kan utföra komplexa manövrar. De kan till och med samarbeta för att slutföra stora jobb snabbare. De som spenderar tusentals på att underhålla sina enorma fastigheter eller företag kommer att finna dessa högpresterande robotiska landskapslösningar meningsfulla.

Robotar springer in i handling

Det är intressant att se att konceptet att använda fjädrar har återuppstått som ett av de bästa sätten att driva robotiken framåt. Dessa system kapslar in ingenjörsandan och kan göra livet enklare för miljontals. Av dessa skäl måste du gratulera dessa forskare och alla som reser tillsammans med dem för att göra lågkraftsrobotar till en verklighet.