Paggamit ng mga Spring upang Bawasan ang Konsumo ng Enerhiya sa Robotika

Ipinakita ng pananaliksik na pinondohan ng National Science Foundation kung paano makatutulong ang mga spring upang maging mas matipid sa enerhiya ang mga robot. Ang pag-aaral nina Erez Krimsky at Steven H. Collins, na inilathala noong Marso 2024, ay naglalarawan ng actuator na pinagsasama ang de-kuryenteng motor, mga spring at mga kontroladong clutch. Sinubukan nila ang isang prototype sa paulit-ulit na gawain.

Bakit Makakatulong ang mga Spring

Ang spring ay maaaring mag-imbak ng enerhiyang elastiko kapag iniunat o pinisil, saka ibalik ito bilang puwersa o torque. Hindi ito lumilikha ng libreng enerhiya: kailangang manggaling muna sa ibang pinagmulan ang enerhiyang iniimbak nito. Gayunman, maaari nitong bawasan ang enerhiyang kailangang ibigay ng motor sa ilang bahagi ng paggalaw.

Sa paulit-ulit na gawain, maaaring mabawi ang bahagi ng enerhiya sa halip na tuluyang mawala ito bilang init. Ang pagpili kung aling mga spring ang ikakabit sa isang galaw ay nagbibigay ng karagdagang paraan upang kontrolin ang tulong na natatanggap ng motor.

Mga Hamon sa Pagkontrol

Matagal nang ginagamit ang mga spring sa mga mekanismo, ngunit hindi sapat ang basta pagkabit nito sa isang motor. Kailangang kontrolin kung kailan mag-iimbak at magbabalik ng enerhiya ang spring, lalo na kapag nagbabago ang gawain.

Mahalaga rin ang maaasahang pagganap sa maraming siklo at ang pag-iwas sa sobrang pagkawala ng enerhiya habang kinakabit o inihihiwalay ang spring. Ito ang mga problemang tinugunan ng mga mananaliksik gamit ang mga clutch na mababa ang konsumo ng kuryente.

Disenyong Nagre-recycle ng Enerhiya

Pinagsama ng mga mananaliksik ang isang motor at magkakaparehong spring na maaaring ikabit o ihiwalay nang paisa-isa. Ayon sa paliwanag ng Stanford, anim ang spring sa prototype. Hindi ang spring mismo ang direktang kumokontra dahil nilagyan ng kuryente; ang boltahe ang kumokontrol sa electroadhesive clutch.

Sa pagpili ng kombinasyon ng mga spring, nagbabago ang tulong na naibibigay sa motor. Maaari nitong mapanatili ang nakaimbak na enerhiya at maibalik ito sa naaangkop na bahagi ng gawain.

Ang Prototype: Actuator na Nagbabalik ng Enerhiya

Ang prototype ay isang actuator na may mga spring na nakakabit nang parallel sa motor. Pinamamahalaan ng magkapares na electroadhesive clutch ang bawat spring. Layunin nitong mapanatili ang kakayahang kontrolin ang galaw habang binabawasan ang kuryenteng kailangan sa paulit-ulit na gawain.

Mga Resulta ng Pagsubok

Sinubukan ng mga mananaliksik ang prototype sa limang paulit-ulit na gawain na may mga katangiang karaniwan sa paggamit ng robot. Sa mga kondisyong iyon, mas mababa ang konsumo nito kaysa sa karaniwang motor na ginamit bilang paghahambing.

Ang pagpili ng mga spring ay nagbibigay ng iba’t ibang antas ng tulong, na maihahambing sa pagpili ng angkop na mekanikal na tugon. Gayunman, hindi ito simpleng gearbox: mga clutch ang kumokontrol sa pagkabit ng mga spring at sa pagbawi ng enerhiya.

Mga Electroadhesive Clutch

Ang clutch na ito ay gumagamit ng electrostatic na pagkapit upang hawakan o bitawan ang spring. Ang manipis na mga sapin na may dielectric coating ay dumidikit kapag nilagyan ng boltahe. Kapag binitiwan, maaari nang makagalaw ang mga bahagi nang mas malaya.

Mababa ang kapangyarihang kailangan para sa kontrol kumpara sa pagpapaandar ng buong gawain gamit lamang ang motor. Mahalaga ito upang hindi maubos sa clutch ang enerhiyang natipid ng mga spring. Ang gastos, tibay at pagganap sa malawakang paggamit ay kailangan pang suriin.

Mga Posibleng Benepisyo

Maaaring makatulong ang ganitong disenyo sa mga robot na paulit-ulit ang galaw. Ang mas mababang konsumo ay maaaring magpahaba sa oras ng paggamit ng baterya o magpababa ng init sa angkop na aplikasyon. Hindi pa nito pinatutunayang magiging mas matipid ang lahat ng uri ng robot o lahat ng gawain.

Posibleng Pagbawas sa Pagkapudpod ng Motor

Sa ilang mekanismo, kailangang magbigay ng puwersa ang motor sa paggalaw pababa at sa pagbabalik paitaas. Halimbawa, maaaring kailanganin nitong idiin at iangat muli ang isang pambakas sa linya ng produksyon. Ang spring ay maaaring tumulong sa isang bahagi ng siklong ito.

Kung naimbak sa spring ang enerhiya sa pagdiin, maaaring gamitin ang bahagi nito upang iangat muli ang mekanismo. Maaari nitong bawasan ang trabaho at init ng motor. Gayunman, hindi awtomatikong nawawala ang kalahati ng siklo, at nakadepende sa disenyo ang epekto sa pagkasira.

Ang mas mababang pag-init at mekanikal na karga ay maaaring makatulong sa tibay, ngunit hindi ipinakita ng pag-aaral na tiyak na dodoble ang buhay ng motor. Kailangan ng pangmatagalang pagsusuri upang malaman ang epekto sa pagpapanatili at habang-buhay ng buong actuator.

Kakayahang Umangkop sa Iba’t Ibang Gawain

Maaaring ikabit o ihiwalay ang bawat spring kung kinakailangan, kaya mas nababago ang tulong nito kaysa sa isang permanenteng nakakabit na spring. Hindi nito inaalis ang lahat ng pagkawala ng enerhiya.

Mahalaga sa robotika ang maingat na pagkontrol sa puwersa, lalo na sa marurupok na bagay at pakikipag-ugnayan sa tao. Posibleng makatulong ang kontroladong mga spring, ngunit kailangan pa ring idisenyo at subukin ang buong sistema para sa partikular na gawain.

Mas Mababang Konsumo ng Enerhiya

Sa limang gawaing sinubukan, bumaba nang hindi bababa sa 50% ang konsumo ng kuryente, at umabot sa 97% ang pinakamalaking pagbaba. Ang 50% ay hindi simpleng pangkalahatang average. Ang mga resulta ay para sa nasubukang prototype at mga kondisyong iyon; hindi ito pangako ng parehong pagtitipid sa anumang robot.

Pag-imbak at Pagbawi ng Enerhiyang Mekanikal

Ang spring ay maihahambing sa isang mekanikal na imbakan: iniipon nito ang enerhiyang elastiko at ibinabalik iyon bilang paggalaw. Hindi ipinakita ng pag-aaral ang direktang pag-charge ng mga de-kuryenteng baterya. Ang pakinabang ay ang pagbawas sa enerhiyang kailangang kunin ng motor sa baterya o suplay ng kuryente.

Posibleng Epekto sa Paggamit ng mga Robot

Maaaring makinabang ang mga robot na gumagawa ng paulit-ulit na galaw kung mapapahusay ang pagbawi ng enerhiya. Posibleng humaba ang oras ng paggamit bago muling mag-charge, ngunit nakadepende ito sa buong sistema at uri ng trabaho.

Habang dumarami ang mga aplikasyon sa robotika, mahalaga ang mga motor at actuator na matipid sa enerhiya. Hindi sapat ang prototype upang patunayan ang tiyak na bilis ng paglago ng demand o ang agarang pagbabago sa buong merkado.

Paggawa

Matagal nang ginagamit ng mga manufacturer ang robot para sa paulit-ulit at maseselang gawain. Ang konsumo ng enerhiya, bilis, pagiging maaasahan at pagpapanatili ay mahahalagang bahagi ng gastos. Maaaring makatulong ang pagbawi ng enerhiya kung angkop ito sa proseso.

Ang mas mahusay na kontrol at mga bagong actuator ay maaaring magpababa ng gastos sa ilang aplikasyon. Gayunman, ang nasukat na pagtitipid sa kuryente ng motor ay hindi nangangahulugang mahahati ang kabuuang gastos ng isang pabrika. Kailangang isama ang presyo ng kagamitan, pagpapanatili at integrasyon.

Kalusugan

Maaari ring maging kapaki-pakinabang ang matipid na actuator sa mga prosthesis at exoskeleton. Posibleng mabawasan ang kinakailangang enerhiya o bigat ng baterya. Mga potensyal na aplikasyon ang mga ito; hindi pa pinatutunayan ng prototype ang klinikal na benepisyo o mas murang akses para sa lahat.

Ang mga robot ay tumutulong na sa ilang taong may kapansanan. Maaaring palawakin ng mas magaan at mas mahusay na aparato ang mga pagpipilian sa tulong, kung mapatutunayan ang kaligtasan at pagiging angkop nito. Ang mga proyektong ito ay nangangailangan ng maingat na pagdidisenyo at pagsusuri.

Posibleng Papel ng AI

Maaaring gamitin ang AI at mga pamamaraan ng komputasyonal na pagdidisenyo upang suriin ang mga materyal, gayahin ang galaw at pagbutihin ang kontrol ng robot. Hindi ito nangangahulugang AI ang dahilan ng lahat ng resulta ng kasalukuyang pag-aaral.

Ang mekanikal na pagdisenyo, maaasahang mga sensor at kontrol, at pagsubok sa aktuwal na gamit ay nananatiling mahalaga kasabay ng anumang AI na ginagamit.

Mga Kumpanya sa Robotika

Maraming kumpanya ang gumagawa ng mga robot at sistema ng awtomasyon para sa magkakaibang gawain. Ang mga sumusunod ay mga halimbawa ng industriya, hindi patunay na ginagamit nila ang actuator na ito o na garantisado ang kanilang paglago.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) ay nabuo noong 1988 at nakabase sa Switzerland. Matagal nang gumagawa ang dibisyon nito sa robotika ng mga solusyon para sa industriya. Sa mga pahayag nito noong 2024, iniulat nitong nakapaghatid na ito ng higit sa 500,000 solusyong robotiko.

Ang Robotics & Discrete Automation business area nito ay may humigit-kumulang 11,000 empleyado sa mahigit 100 lokasyon sa humigit-kumulang 53 bansa. Ang mga bilang na ito ay konteksto ng panahong iyon at hindi sukatan ng paggamit ng actuator na nasa pag-aaral.

2. KUKA

Ang KUKA ay isang manufacturer ng robotika at awtomasyon na nakabase sa Germany at bahagi ng Midea Group. Nag-aalok ito ng mga indibidwal na robot at mas malalaking sistema para sa awtomatikong produksyon at kontrol.

Binanggit sa orihinal na paglalarawan ang mahigit 14,000 empleyado at mahigit 3.2 bilyon sa taunang benta, ngunit walang malinaw na taon at salapi para sa huling bilang. Mga makasaysayang pagtataya ang mga ito na hindi dapat ituring na kasalukuyang ulat sa pananalapi. Hindi garantisado ang paglago ng kumpanya dahil lamang sa pag-unlad ng robotika.

3. Honeybee Robotics

Ang Honeybee Robotics ay gumagawa ng mga mekanismo para sa paggalugad sa kalawakan, kabilang ang pagbabarena, paghuhukay at pagkuha ng sample. Nakipagtulungan ito sa mga programang kaugnay ng NASA at iba pang ahensiya.

Halimbawa, ipinadala nito noong 2023 ang pneumatic sampling system para sa misyong MMX ng JAXA. Ang ganitong kagamitan ay idinisenyo para sa mga natatanging kondisyon ng mga misyon; hindi ito nangangahulugang lahat ng iminungkahing sistema sa pagmimina sa kalawakan ay ginagamit na sa operasyon.

Mga Startup na Nagpapalawak ng Hangganan

May papel din ang mga startup sa pagbuo ng mga bagong aplikasyon at modelo ng negosyo sa robotika. Iba-iba ang kanilang teknolohiya, target na gawain at yugto ng komersiyalisasyon.

Outrider

Ang Outrider ay gumagawa ng mga awtonomong sistema para sa mga logistics yard, hindi mga robot na nagtatabas ng damo. Gumagamit ito ng mga de-kuryenteng yard truck upang ilipat ang mga trailer sa pagitan ng mga loading dock at paradahan.

Pinagsasama nito ang software sa pamamahala, mga awtonomong sasakyan at imprastraktura ng lugar. Noong 2024, inilarawan ng kumpanya ang paghahanda sa komersiyal na pagpapadala ng sistema nito. Layunin nitong mapahusay ang galaw ng kargamento at kaligtasan sa mga sentro ng logistics.

Mga Spring Bilang Tulong sa Robotika

Ipinakita ng pananaliksik na maaaring mapahusay ng kontroladong pagbawi ng enerhiyang elastiko ang kahusayan sa ilang paulit-ulit na gawain. Ang susunod na hakbang ay malaman kung gaano ito katibay, kapraktikal at kapaki-pakinabang sa mas malawak na paggamit. Isang mahalagang pagsubok ito tungo sa mga robot na mas matipid sa enerhiya.