Stanford Universitiy
Raziskovalci na Stanfordu so zasnovali aktuator z vzmetjo – napravo, ki lahko opravlja dinamične naloge z manjšo porabo energije, kot je bila potrebna do sedaj.
Od strojev zahtevamo, da opravljajo vse bolj zapletene in dinamične naloge, ne glede na to, ali gre za protezo, ki pomaga osebi, ki je izgubila okončino, ali za samostojnega robota, ki krmili zunanji svet. Toda standardni električni motor je bil zasnovan za enakomerne, stalne dejavnosti, kot je pogon kompresorja ali vrtenje tekočega traku – tudi posodobljene zasnove pri bolj zapletenih gibih porabijo veliko energije.
Raziskovalci na Univerzi Stanford so iznašli način, kako z novo vrsto aktuatorja, naprave, ki uporablja energijo za premikanje stvari, povečati učinkovitost električnih motorjev pri izvajanju dinamičnih gibov. Njihov aktuator, objavljen 20. marca v reviji Science Robotics [1], uporablja vzmeti in sklopke za izvajanje različnih nalog z delom energije, ki jo porabi običajni elektromotor.
„Namesto da bi zapravljali veliko električne energije, ki bi samo brnela in proizvajala toploto, naš aktuator uporablja te sklopke za doseganje zelo visokih stopenj učinkovitosti, ki jih vidimo pri elektromotorjih v neprekinjenih procesih, ne da bi se pri tem odrekli možnosti nadzora in drugim značilnostim, zaradi katerih so elektromotorji privlačni,“ pravi Steve Collins, izredni profesor strojništva in glavni avtor prispevka.
Vzmet v akciji
Aktuator deluje tako, da izkorišča sposobnost vzmeti, da ustvarja silo brez uporabe energije – vzmeti se upirajo raztezanju in se ob sprostitvi poskušajo vrniti na svojo naravno dolžino. Ko aktuator na primer spušča nekaj težkega, lahko raziskovalci vključijo vzmeti, da se raztegnejo, s čimer motorju odvzamejo del obremenitve. Če se vzmeti zaklenejo v raztegnjenem položaju, se lahko ta energija shrani in pozneje pomaga motorju pri drugi nalogi.
Za hitro in učinkovito vklapljanje in izklapljanje vzmeti je ključnega pomena vrsta električnih sklopk. Vsaka gumijasta vzmet je vstavljena med dve sklopki: ena povezuje vzmet s zglobom za pomoč motorju, druga pa zaklene vzmet v raztegnjenem položaju, ko se ne uporablja.
Te sklopke sestavljata dve elektrodi – ena je pritrjena na vzmet, druga pa na okvir ali motor, ki gladko drsita druga mimo druge, kadar nista aktivni. Raziskovalci vklopijo sklopko tako, da na eno od njenih elektrod priključijo visoko napetost. Elektrodi se ob zvočnem kliku potegneta skupaj – kot hitrejša in močnejša različica statične elektrike, zaradi katere se balon prilepi na steno, ko ga podrgnete po preprogi. Sprostitev vzmeti je tako preprosta, kot če ozemljite elektrodo in znižate njeno napetost na nič.
„So lahki, majhni, zelo energetsko učinkoviti in jih je mogoče hitro vklopiti in izklopiti,“ je povedal Erez Krimsky, glavni avtor članka, ki je pred kratkim doktoriral v Collinsovem laboratoriju. „In če imate veliko vzmeti s sklopkami, se vam odprejo številne zanimive možnosti, kako jih lahko konfigurirate in nadzorujete, da dosežete zanimive rezultate.“
Pogon, ki sta ga izdelala Collins in Krimsky, ima motor s šestimi enakimi vzmetmi s sklopko, ki jih je mogoče vklopiti v poljubni kombinaciji. Raziskovalca sta zasnovo preizkusila z vrsto zahtevnih preskusov gibanja, ki so vključevali hitro pospeševanje, spreminjanje obremenitev ter gladko in enakomerno gibanje. Pri vsaki nalogi je razširjeni motor porabil vsaj 50 odstotkov manj energije kot standardni elektromotor, v najboljšem primeru pa je porabo energije zmanjšal za 97 odstotkov.
Motorji lahko naredijo več
Z bistveno učinkovitejšimi motorji bi lahko roboti potovali dlje in dosegli več. Robot, ki lahko deluje cel dan in ne le uro ali dve, preden ga je treba napolniti, lahko opravlja veliko pomembnejše naloge. Obstaja veliko nevarnih situacij, ki vključujejo strupene snovi, nevarna okolja ali druge nevarnosti, v katere bi raje poslali robota kot pa ogrozili človeka.
„To vpliva tudi na pripomočke za pomoč, kot so proteze ali eksoskeleti,“ je dejal Krimsky. „Če jih ni treba nenehno polniti, imajo lahko večji učinek za ljudi, ki jih uporabljajo.“
Trenutno traja nekaj minut, da krmilnik aktuatorja izračuna najučinkovitejši način uporabe kombinacije vzmeti za izvedbo povsem nove naloge, vendar raziskovalci načrtujejo, da bodo ta čas precej skrajšali. Predvidevajo sistem, ki bi se lahko učil iz prejšnjih nalog, ustvaril naraščajočo podatkovno zbirko vedno bolj učinkovitih gibov in s pomočjo umetne inteligence intuitivno ugotovil, kako učinkovito opraviti nekaj novega.
„Obstaja še veliko majhnih kontrolnih in oblikovnih popravkov, ki bi jih radi izvedli, vendar menimo, da je tehnologija resnično pripravljena za komercialni preizkus,“ je dejal Collins. „Z veseljem bi poskusili to prenesti iz laboratorija in ustanoviti podjetje, ki bi začelo izdelovati te aktuatorje za robote prihodnosti.“
To delo je financirala Nacionalna znanstvena fundacija.
Viri:
1: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adj7246
Povzeto po:
https://news.stanford.edu/stories/2024/03/new-efficient-motor-alternative-next-gen-robotics
