Robotik Sistemlerde Enerji Tüketimini Düşürmek İçin Yayların Kullanımı

Ulusal Bilim Vakfının desteklediği bir araştırma, yayların elektrik motorlarının enerji tüketimini nasıl azaltabileceğini inceliyor. Makine mühendisleri Erez Krimsky ve Steven H. Collins tarafından hazırlanan çalışma, yay destekli bir aktüatörün tasarımını ve prototip deneylerini açıklıyor. İşte araştırmanın temel noktaları.

Neden Yaylar Çözüm Olabilir

Yaylar, motorların enerji ihtiyacını azaltmak için ilk akla gelen çözüm olmayabilir. Ancak gerildiklerinde depoladıkları enerjiyi geri vererek motorun yükünü hafifletebilirler. Kuvvet üretirken sürekli elektrik tüketmemeleri, enerjiyi yoktan ürettikleri anlamına gelmez.

Gerilen bir yay, esnek potansiyel enerji depolar ve bu enerjinin büyük bölümünü mekanik işe dönüştürmek üzere geri verebilir. Yayların ayrı ayrı veya birlikte devreye alınması, ihtiyaç duyulan torkun ayarlanmasına yardımcı olur.

Aşılması Gereken Zorluklar

Yayların enerji depolama ve geri verme potansiyeli uzun zamandır biliniyor. Bununla birlikte, bu özellikleri farklı hareketler yapan bir motorda denetlenebilir biçimde kullanmak önemli bir mühendislik sorunudur.

Bir yay gerildiğinde eski biçimine dönmek ister. Asıl güçlük, bu kuvveti her görev için uygun zamanda ve uygun büyüklükte kullanabilmektir. Araştırmacılar bu nedenle yayların devreye alınmasını ve enerjileri korunarak devreden çıkarılmasını sağlayan bir kontrol düzeni geliştirdi.

Yeni Yay Tasarımı

Araştırmacılar, lastik yayları elektrik motoruna paralel bağlayan hafif bir düzenek geliştirdi. Yayları geren unsur elektrik akımı değildir; hareket sırasında yaylarda mekanik enerji depolanır. Elektriksel olarak kumanda edilen kavramalar ise her yayın motora bağlanmasını veya gergin durumda tutulmasını sağlar. Stanford’un açıklamasına göre prototipte altı özdeş yay bulunur.

Birden fazla yay kullanılması, motorun torkuna destek sağlarken farklı kontrol seçenekleri sunar. Gerektiğinde bir veya birkaç yay birlikte devreye alınabilir. Bu yaklaşım gelecekte robotik ve ticari uygulamalarda kullanılabilecek bir prototipin geliştirilmesini sağladı.

Prototip: Enerjiyi geri kazanan aktüatör

Paralel esnek aktüatörün prototipi çeşitli hareket deneylerinde sınandı. Motorun yanında çalışan altı yay, elektroadezif kavramalar aracılığıyla ayrı ayrı denetlenir. Amaç, elastik enerjiyi geri kazanarak motorun iş yükünü ve enerji tüketimini azaltmaktır.

Test Sonuçları Ümit Veriyor

Araştırmacılar prototipi farklı döngüsel hareketlere, değişen yüklere ve hızlanma gerektiren görevlere tabi tuttu. Deneyler, yayların uygun şekilde kontrol edilmesinin enerji verimliliğini belirgin biçimde artırabildiğini gösterdi.

Farklı yay birleşimlerinin seçilmesi, bir vites kutusunda farklı oranlara geçilmesine benzer biçimde motorun tork desteğini değiştirebilir. Ancak burada yayların bağlantısını sağlayan elektroadezif kavramalar kullanılır.

Elektroadezif kavramalar

Her yay için kullanılan iki elektroadezif kavrama, yayın motora bağlanmasını veya enerji depolayacak şekilde gergin tutulmasını sağlar. Hafif tasarımdaki, yalıtkan kaplamalı elektrotlar kavrama etkin değilken birbirlerinin üzerinden kayabilir. Gerilim uygulandığında elektrostatik çekim yüzeyleri birbirine tutturur.

Bu kavramalar düşük güç tüketir ve hızla açılıp kapanabilir. Hafif olmaları ve hızlı tepki vermeleri, yaylarla desteklenen robotik aktüatörlerde kullanılmalarını cazip kılar. Yaygın ticari kullanım ise maliyet ve dayanıklılık gibi koşullara bağlıdır.

Piyasa İçin Yay Motorlarının Getirdiği Faydalar

Bu yaklaşımın başlıca avantajı, dinamik hareketler yapan motorlarda enerji tüketimini azaltabilmesidir. Daha verimli aktüatörler, bataryayla çalışan robotların çalışma süresini uzatabilir. Hafif bileşenler de taşınabilir uygulamalar açısından önemlidir.

Motor Aşınmasını Azaltma

Yay desteği, bazı hareketlerde motorun üstlendiği mekanik yükü azaltabilir. Örneğin bir üretim hattındaki pres mekanizmasında motor hem aşağı hareketi hem de geri dönüşü sağlamak zorunda kalabilir.

Aynı düzeneğin geri dönüş hareketine yayların yardımcı olduğunu düşünün. Uygun bir tasarım, motorun yükünü ve ısınmasını azaltabilir. Ancak motorun çalışma döngüsünün tam olarak yarıya inmesi veya aşınmanın belirli bir oranda azalması her uygulama için geçerli bir sonuç değildir.

Daha düşük yük ve ısı üretimi, dayanıklılık açısından yararlı olabilir. Bununla birlikte, bu çalışma motor ömrünün iki katına çıktığını göstermiyor. Uzun dönem kullanım ömrü ve bakım ihtiyaçları ayrıca sınanmalıdır.

Çok Yönlülük

Düzenek, her yayın gerektiğinde ayrı ayrı devreye alınmasına veya çıkarılmasına izin verir. Böylece farklı görevler için esnek kontrol sağlanırken depolanan enerjiden yararlanılabilir. Bu yöntem enerji kayıplarını azaltmayı amaçlar; tüm kayıpları ortadan kaldırmaz.

Robotikte hem güçlü hareketlere hem de hassas kuvvet kontrolüne ihtiyaç vardır. Bir yumurtayı kırmadan tutmak gibi görevler, yalnızca yüksek kaldırma kapasitesinden farklı beceriler gerektirir. Kontrol edilebilir yay desteği bu alanda yararlı olabilir, ancak hassasiyet uygulamanın tüm tasarımına bağlıdır.

Daha Yüksek Enerji Verimliliği

Deneylerde yay destekli aktüatör, sınanan görevlerin her birinde standart elektrik motoruna göre en az %50 daha az güç tüketti. En iyi durumda azalma %97’ye ulaştı. Bu sonuçlar, tüm robotların veya bütün çalışma koşullarının aynı tasarrufu sağlayacağı anlamına gelmez.

Enerjiyi Verimli Şekilde Depolama

Yaylar, enerjiyi elektriksel değil mekanik biçimde depolayabilir. Düşük güç tüketen kavramalar sayesinde bu enerji gerektiğinde yeniden harekete katkıda bulunabilir. Bu yaklaşım bataryayla çalışan sistemlerin tüketimini azaltabilir; prototipin bataryaları şarj ettiği gösterilmiş değildir.

Piyasa Etkileri

Bu gelişme, robotların kullanıldığı çeşitli alanlarda daha az enerji tüketen sistemlerin tasarlanmasına katkı sağlayabilir. Uzun çalışma süreleri, özellikle bataryayla çalışan veya şarj imkânının sınırlı olduğu robotlar için değerlidir.

Robotlar giderek daha fazla günlük görevi üstleniyor. Çevrelerini algılama, yeni beceriler edinme ve insanlarla iletişim kurma yetenekleri geliştikçe verimli aktüatörlere duyulan ihtiyaç da artabilir.

Üretim

İmalat ve sanayi sektörleri uzun süredir daha az enerji tüketen robotlar arıyor. Büyük şirketler robotik altyapıya milyarlarca yatırım yaptı. Bu sistemler üretkenliği artırsa da enerji tüketimi ve bakım gereksinimleri işletme maliyetlerinde önemli yer tutuyor.

Yeni nesil robotlarda yapay zekâ ve daha verimli mekanik tasarımlar, işletme ve bakım giderlerini azaltabilir. Yay destekli aktüatörler de bu gelişmeye katkıda bulunabilir; ancak deneydeki motor tasarrufu, üreticinin toplam maliyetlerinin yarıya ineceğini kanıtlamaz.

Sağlık

Robotik teknolojiler sağlık alanında da uzun süredir kullanılıyor. Hafif ve verimli aktüatörler, gelecekte protezlerin ve dış iskeletlerin çalışma süresini artırabilir. Bu olasılığın klinik uygulamalara dönüşmesi için ayrıca geliştirme ve değerlendirme gerekir.

Robotlar, engelli bireylerin günlük yaşamlarını kolaylaştırmaya yardımcı oluyor. Destekleyici cihazları daha hafif ve verimli hâle getirmek, kullanım olanaklarını genişletebilir. Sağlık ve robotiği bir araya getiren pek çok araştırma bu amaçla sürdürülüyor.

Yapay Zeka Anahtar Olabilir

Yaylar ve elektroadezif kavramalarla motor yükünü azaltmak, daha verimli robotlar geliştirmek için önemli bir adımdır. Diğer bir gereksinim, hangi yay birleşiminin hangi görevde en iyi sonucu vereceğini belirleyen kontrol yöntemlerini geliştirmektir.

Araştırmacılar, önceki görevlerden öğrenen ve yeni hareketler için uygun kontrolü daha hızlı hesaplayan sistemler geliştirmeyi hedefliyor. Yapay zekâ bu süreçte yararlı olabilir; ancak bu, prototipte bütün bu yeteneklerin hâlihazırda bulunduğu anlamına gelmez.

Robotik pazarı gelişmeye devam ediyor

İşletme giderlerini azaltmak isteyen büyük şirketlerden yeni teknolojiler geliştiren girişimlere kadar pek çok kuruluş robotiğe yatırım yapıyor. Sektörde faaliyet gösteren bazı şirketler şöyle:

1. ABB Ltd

ABB Ltd. (ABBN.SW ) (ABB ) 1988’de kuruldu ve İsviçre merkezlidir. Robotik bölümü uzun yıllardır endüstriyel uygulamalar geliştiriyor. Makalenin tarihsel verilerine göre şirket dünya genelinde 500 binden fazla robot üretip teslim etti.

ABB’nin robotik faaliyetleri, makalede yer alan verilere göre 11 binden fazla uzmanı ve 53’ten fazla ülkedeki operasyonları kapsıyor. Şirket, sanayi kuruluşlarına geniş bir robotik çözüm yelpazesi sunuyor.

2. KUKA

Alman robot üreticisi KUKA, 2016’da Çinli Midea Grubu tarafından satın alındı. Şirket, tekil robotlardan tam otomasyon ve merkezi kontrol içeren kapsamlı sistemlere kadar çeşitli çözümler sunuyor.

Makalede aktarılan tarihsel verilere göre KUKA’nın 14 binden fazla çalışanı ve yıllık 3,2 milyarı aşan satış hacmi bulunuyordu. Şirket, robotik çözümlerini farklı sektörlerin ihtiyaçlarına göre geliştirmeyi sürdürüyor.

3. HoneyBee Robotics

Honeybee Robotics, uzay araştırmaları ve zorlu ortamlarda çalışabilen robotik sistemler geliştiriyor. Şirket NASA ile çeşitli projelerde çalıştı ve düşük yerçekiminde kullanılabilecek kazı ve numune toplama teknolojileri üzerinde araştırmalar yürütüyor.

Şirketin kazı, delme ve numune alma sistemleri, zorlu koşullarda malzeme incelemesine olanak sağlıyor. Bu tür teknolojiler özellikle uzay araştırmalarında ve saha çalışmalarında önem taşıyor.

Sınırları zorlayan girişimler

Robotik alanındaki yeniliklerin bir bölümü, pazara yeni giren şirketlerden geliyor. Bu girişimler farklı tasarımlar ve iş modelleriyle robotların kullanım alanlarını genişletmeyi amaçlıyor.

Outrider

Outrider çim biçme veya peyzaj robotları üretmez; lojistik merkezlerindeki saha operasyonlarını otomatikleştirir. Şirketin 2024’te açıkladığı sistem, elektrikli saha çekicileriyle römorkları yükleme alanları ve park noktaları arasında otonom olarak taşımayı hedefliyordu.

Sistem, saha içinde manevra yapma, römorka bağlanma ve fren hatlarını birleştirme gibi görevleri kapsar. Saha ve depo yönetimi yazılımlarıyla entegrasyon, sevkiyat hareketlerinin planlanmasına yardımcı olur.

Yaylar robotlara hareket kazandırıyor

Yayların kontrollü biçimde kullanılması, robotik sistemlerde enerji geri kazanımı için umut verici bir yaklaşım sunuyor. Bu çalışma, elektrik motorlarının esnek elemanlarla birlikte daha verimli kullanılabileceğini gösteriyor. Sonuçların geniş ölçekte uygulanması için geliştirme ve test çalışmalarının sürdürülmesi gerekiyor.