Bruk av fjærer for å senke energiforbruket på tvers av robotikk

En forskningssatsing finansiert av National Science Foundation i forrige uke gir litt innsikt i hvordan fjærer kan gjøre motorer mer effektive i fremtiden. De studere ble fremsatt av to mekaniske ingeniører, Erez Krimsky og Steven H. Collins. I rapporten deres går de i detalj om fordelene med en fjærhybridmotor før de avslører en fungerende prototype. Her er det du trenger å vite.

Hvorfor Springs kan være svaret

Fjærer kan virke som en usannsynlig løsning på motorer som slites ut eller krever massivt energiforbruk. Noen unike egenskaper gjør imidlertid fjærer ideelt egnet for denne oppgaven. For det første kan de produsere dreiemoment uten å kreve energi.

Fjærer kan lagre elastisk energi når de strekkes, nesten uten tap. Denne elastiske energien kan omdannes direkte til mekanisk kraft effektivt. I tillegg kan fjærer justeres eller brukes i tandem for å øke eller redusere dreiemomentet når det er nødvendig.

Utfordringer å overvinne

Det har vært noen intuitive hjerner tidligere som anerkjente kilders potensial til å lagre og konvertere energi. Noen distinkte utfordringer måtte imidlertid overvinnes for at noen av disse tidligere prosjektene skulle lykkes. For det første er fjærer notorisk vanskelige å kontrollere.

Ja, hvis du trekker i en fjær vil den sprette tilbake. Problemet er å lage en fjær som vil sprette tilbake med samme hastighet over tusenvis eller millioner av bruk. Som sådan var en av de første tingene ingeniørene trengte å finne ut hvordan de skulle kontrollere fjærene de ønsket å integrere.

Nytt vårdesign

Etter litt overveielse bestemte de seg for at et nytt design måtte til. De laget et helt nytt lett elastisk energiaktivert fjæroppsett for prosjektet. Disse fjærene er laget av et elastisk materiale som er strukket over rammen. Når en elektrisk strøm påføres, trekker fjæren seg tilbake og strammer. Denne strategien tillot utviklerne å stable fire fjærer ved siden av hverandre.

Bruken av flere fjærer gir ekstra dreiemoment og kontrollmuligheter til motoren. Brukere kan koble inn en eller flere fjærer når kraftbehovet øker. Denne tilnærmingen gjorde det mulig for dem å lage en liten versjon av motoren deres, som kunne brukes i kommersielle og robotapplikasjoner i fremtiden.

Prototypen – Resirkuleringsaktuator

Den offisielle prototypen av den parallellelastiske aktuatormotoren er allerede i testfasen. Denne lille motoren integrerer fire elektrostatiske fjærer som går parallelt. Denne strukturen gjør det også mulig for motoren å utnytte fjærene for å redusere arbeidsbelastningen, legge til kraft og redusere mekanisk slitasje.

Testresultater viser løfte

Rapporten viste noen imponerende testresultater fra prototypen. Utviklerne satte aktuatoren gjennom flere sykliske testtilfeller for å prøve å måle effekten av fjærene på enheten. Det ble klart fra starten at fjærene forbedret effektiviteten betraktelig.

Det som er mer interessant er at utviklerne fant ut at fjærene fungerte som en girkasse på en motor ved at du kunne bytte gir for å få mer dreiemoment. I motsetning til tradisjonelle girkasser som krever mekaniske clutcher for å endre dreiemomentet, integrerer dette oppsettet sømløst elektriske clutcher som aktiveres ved behov.

Elektroklebende clutcher

Bruken av par elektroadhesive clutcher for å holde fjærene låst med spenning var en stor innovasjon. Disse clutchene ble laget for å være så tynne som mulig for å redusere vekten. De er dielektrisk belagt og kan passere uten friksjon når de ikke lades. Spesielt låser clutchene på plass når spenningen påføres dem.

Denne typen elektriske clutch krever minimal kraft og gir nesten umiddelbar respons. I tillegg tilbyr de høy effektivitet sammenlignet med mekaniske alternativer og kan produseres billig. Disse faktorene betyr at bruken av dem i elektrostatiske fjærmotorer kan bli normen.

Fordeler Spring Motors bringer til markedet

Det er mange fordeler som denne motorstilen bringer inn på markedet. For det første forbedrer det effektiviteten i en stor del av markedet. Disse enhetene er bygget for å være energieffektive og bærekraftige. I tillegg krever deres lette design langt mindre energi å transportere eller betjene.

Reduser motorslitasje

En annen stor fordel med denne motortypen er at den reduserer slitasje. Motorer i dag er ansvarlige for å håndtere alle aspekter av deres mekaniske bevegelser. Dette betyr at en motor som stempler en gjenstand på et samlebånd bruker sin energi på å stemple og løfte stempelet etter handlingen.

Se for deg den samme roboten, men hans tid, den trenger bare å stemple ned. Fjærer kobles deretter inn og løfter platen opp igjen. Denne typen fjærintegrering kan redusere motorslitasjen betraktelig ved å eliminere halvparten av driftssyklusen. Det reduserer også termisk slitasje. Varme motorer kjører mindre effektivt og er mer utsatt for sammenbrudd.

I teorien kan fjærdrevne motorer vare dobbelt så lenge som deres helmekaniske motstykker. De ville kreve mindre energi for å betjene og ville være lettere å sende eller betjene mens du er på farten. Disse faktorene fortsetter å få flere forskere til å fordype seg i sektoren.

Allsidighet

Forskernes fjærmotor viste seg å være allsidig. Det mekaniske oppsettet gjør at hver fjær kan kobles inn og ut individuelt ved behov. Denne strukturen gir også finkontroll og eliminerer energitap.

Etter hvert som robotikk utvides, er det en fortsatt etterspørsel etter enheter som har finmotorikk. Overraskende nok er det lettere å finne en robot som kan løfte en bil enn en som kan plukke opp et egg uten å knuse det. Fjæraktuatormotorer kan være det manglende leddet i denne søken, da de gjør det mulig for ingeniører å bruke nøyaktig fint trykk når det er nødvendig uten å legge til vekt.

Høyere energieffektivitet

Bruken av fjærer for å kutte driftssyklusen til motorer er fornuftig, og dataene beviser det. Forskerrapporten viser at motoren deres reduserte energiforbruket med 50 % i gjennomsnitt. Studien avdekket at strømbesparelsen, avhengig av oppgaven, kan være opptil 97 %. Som sådan er det mye hype rundt hvordan disse motorene en dag vil gjøre det mulig for enheter å gå lenger og fungere lenger enn noen gang.

Lagre energieffektivt

En annen stor fordel er ingeniørenes evne til å integrere elastisk energigjenvinning for å drive batterier. Fjærer kan brukes som et mekanisk batteri eller i forbindelse med tradisjonelle batteriformer for å forbedre lagrings- og konverteringseffektiviteten. Ingeniørens bruk av laveffektclutcher er et eksempel på hvordan denne teknologien kan drive fremtidens batterier.

Markedspåvirkninger

Denne siste utviklingen har potensial til å snu en rekke markeder som er avhengige av eller vokser i avhengighet av roboter. Fjærmotorer kan bidra til å skape lavenergi-robotsystemer som kan håndtere lange arbeidsdager uten kostnad.

Den teknologiske revolusjonen er allerede her og hverdagslige roboter tar over flere daglige oppgaver fra mennesker. Etter hvert som disse enhetene blir oppmerksomme på omgivelsene, legger til funksjoner og lærer å kommunisere flytende med mennesker, vil etterspørselen etter laveffektsmotorer øke eksponentielt.

Produksjon

Produksjons- og industrisektoren har søkt etter roboter med lav effekt i flere tiår. massive firmaer har allerede investert milliarder i robotinfrastrukturen deres. Disse tidlige robotene sparte dem for milliarder, men krevde mye energi og vedlikehold på grunn av designet deres.

Neste generasjon roboter vil koste mindre i drift, være smartere og kreve mindre vedlikehold. Disse enhetene er allerede på vei inn i markedet ved å utnytte avanserte AI-systemer. I fremtiden kan fjærmotorer hjelpe produsenter med å halvere kostnadene mens de forbedrer kvaliteten på produktene sine.

Helsevesen

Når du tenker på robotikk, er helsevesenet kanskje ikke den første industrien du tenker på. Robotintegreringen av helsetjenester har pågått i flere tiår nå, og denne siste utviklingen kan bidra til å sette ting i hyperdrift. Den lette og holdbare naturen til fjærmotorer kan en dag gjøre proteser eller eksoskjeletter mer tilgjengelige.

Roboter er allerede hjelpe mennesker med nedsatt funksjonsevne nyter mer tilfredsstillende liv. Å gjøre disse enhetene lettere og mer effektive åpner døren for at nye mennesker kan få hjelp. Spesielt er det allerede en rekke interessante helseprosjekter på gang som kombinerer roboter og helsetjenester for å forbedre liv.

AI kan være nøkkelen

Bruken av elektrostatiske fjærer for å lette motorens arbeidsbelastning er et stort skritt mot å lage virkelig bærekraftige roboter. Den andre siden av den ligningen er å bestemme tersklene og egenskapene til materialene som brukes i disse enhetene. AI har vist seg å være et uvurderlig verktøy på reisen.

Det har hjulpet med å utvikle og konfigurere nye design, praktisk talt teste scenarier og programmere dyplæringsalgoritmer. Sammen har disse utviklingene bidratt til å gjøre AI-robotikk til neste grense.

Robotmarkedet på farten

Det tar bare et glimt for å se at robotsektoren er et av de hotteste markedene innen teknologi. Fra store firmaer som ønsker å implementere disse enhetene for å kutte driftskostnader til oppstartsbedrifter som flytter grensene for teknologien, er det mange prosjekter verdt å sjekke ut. Her er noen robotfirmaer du kan følge med på.

1. ABB Ltd

ABB Ltd. ble lansert i 1988 og har virksomhet i Sveits. Firmaets robotavdeling har vært en pioner i markedet i flere tiår. ABB-roboter finnes over hele kloden. Produsenten har produsert og sendt +500K enheter til dags dato.

ABB er en av de beste produsentene globalt. Selskapet sysselsetter +11K eksperter og har virksomhet i over 53 land. I dag er de fortsatt en banebrytende kraft som tilbyr et stort utvalg av robotløsninger til industrielle partnere.

2. WHO

KUKA er en tysk robotprodusent som ble kjøpt av kinesiske Midea Group i 2016. Firmaet tilbyr intelligente robotløsninger som inkluderer full automatisering og sentraliserte kontrollmuligheter. KUKA er fortsatt en drivkraft for innovasjon og tilbyr løsninger som spenner fra enkle roboter til hele systemer.

KUKA sysselsetter +14 3.2 roboteksperter og har +XNUMXB i salg årlig. Dens forpliktelse til kvalitet og innovasjon har hjulpet produsenten til å bli et av de mest anerkjente navnene på robotmarkedet. Forvent å se vekst fra denne gruppen når den utvider virksomheten for å møte forbrukernes etterspørsel.

3. HoneyBee Robotics

Honey Bee Robotics er en viktig aktør innen forsvars- og romutforskningssektoren. Imponerende nok har gruppen jobbet med NASA ved en rekke anledninger tidligere. I tillegg jobber det for tiden med forskere for å lage robotbaserte gruvesystemer som kan operere i miljøer med lav tyngdekraft og mer.

HoneyBees intelligente gravesystemer er allerede i bruk internasjonalt. Disse produktene gjør det enkelt å utføre bore- og prøvetester i sanntid over et stort område. Firmaet lager også forsvarsroboter designet for å hjelpe soldater i felten.

Startups Pushing the Envelope

Mye av utviklingen i robotsektoren kommer fra det økende antallet startups som kommer inn på markedet. Disse firmaene ønsker å ta robotopplevelsen til nye høyder via sine kreative strategier og forretningsmodeller.

OutRider

Å klippe plenen på en varm sommerdag kan virke som tortur, spesielt hvis du har en hage som krever konstant vedlikehold for til og med å se akseptabel ut. Outrider løser dette problemet med introduksjonen av intelligente landskapsroboter.

Disse enhetene skaper en nettstedstruktur i sanntid, som gjør dem i stand til å utføre komplekse manøvrer. De kan til og med slå seg sammen for å få utført store jobber raskere. De som bruker tusenvis på å vedlikeholde sine enorme eiendommer eller virksomheter vil finne at disse høyeffektive robotlandskapsløsningene gir mening.

Roboter kommer i gang

Det er interessant å se at konseptet med å bruke fjærer har dukket opp igjen som en av de beste måtene å drive robotikk fremover. Disse systemene innkapsler ingeniørånden og kan gjøre livet enklere for millioner. Av disse grunnene må du gratulere disse forskerne og alle de som reiser sammen med dem for å gjøre roboter med lav effekt til virkelighet.