Разработан пружинный привод, который может улучшить роботов следующего поколения

Прочитано: 321 раз(а)


Будь то протез с электроприводом, помогающий человеку, потерявшему конечность, или независимый робот, перемещающийся по внешнему миру, мы просим машины выполнять все более сложные и динамичные задачи. Но стандартный электродвигатель был разработан для устойчивых, непрерывных действий, таких как работа компрессора или вращение конвейерной ленты — даже обновленные конструкции тратят много энергии при выполнении более сложных движений.

Исследователи из Стэнфордского университета изобрели способ усовершенствовать электродвигатели, чтобы сделать их более эффективными при выполнении динамических движений с помощью нового типа привода — устройства, которое использует энергию для приведения объектов в движение. Их привод, опубликованный в журнале Science Robotics, использует пружины и муфты для выполнения различных задач, потребляя лишь часть энергии, потребляемой обычным электродвигателем.

«Вместо того, чтобы тратить много электроэнергии на то, чтобы просто сидеть и гудеть, вырабатывая тепло, наш привод использует эти муфты для достижения очень высокого уровня эффективности, который мы видим у электродвигателей в непрерывных процессах, не отказываясь при этом от управляемости и других функций, которые делают электродвигатели привлекательны», — сказал Стив Коллинз, доцент кафедры машиностроения и старший автор статьи.

Привод работает, используя способность пружин создавать усилие без использования энергии — пружины сопротивляются растяжению и пытаются восстановить свою естественную длину при отпускании. Когда привод, скажем, опускает что-то тяжелое, исследователи могут задействовать пружины, чтобы они растянулись, сняв часть нагрузки с двигателя. Затем, зафиксировав пружины в растянутом положении, эту энергию можно сохранить, чтобы впоследствии помочь двигателю в выполнении другой задачи.

Ключом к быстрому и эффективному включению и расцеплению пружин является ряд электроклеевых муфт. Каждая резиновая пружина зажата между двумя муфтами: одна соединяет пружину с шарниром, помогая двигателю, а другая фиксирует пружину в растянутом положении, когда она не используется.

Эти муфты состоят из двух электродов — один прикреплен к пружине, а другой — к раме или двигателю, которые плавно скользят мимо друг друга, когда они неактивны. Чтобы включить сцепление, исследователи подают большое напряжение на один из его электродов. Электроды сближаются со слышимым щелчком — как более быстрая и сильная версия статического электричества, которое заставляет воздушный шар прилипать к стене после того, как вы потрите его о ковер. Ослабить пружину так же просто, как заземлить электрод и снизить его напряжение до нуля.

«Они легкие, маленькие, они действительно энергоэффективны, и их можно быстро включать и выключать», — сказал Эрез Крымски, ведущий автор статьи, недавно защитивший докторскую диссертацию. в лаборатории Коллинза. «А если у вас много сцепленных пружин, это открывает все эти захватывающие возможности того, как вы можете их настраивать и контролировать для достижения интересных результатов».

Привод, созданный Коллинзом и Крымским, имеет двигатель, дополненный шестью идентичными пружинами с муфтами, которые можно задействовать в любой комбинации. Исследователи провели серию сложных испытаний на движение, которые включали быстрое ускорение, изменение нагрузки и плавное, устойчивое движение. При выполнении каждой задачи усиленный двигатель потреблял как минимум на 50 % меньше энергии, чем стандартный электродвигатель, и в лучшем случае снижал энергопотребление на 97 %.

Моторы, которые могут больше

Благодаря значительно более эффективным двигателям роботы смогут путешествовать дальше и достигать большего. Робот, который может работать целый день, а не всего лишь час или два перед подзарядкой, потенциально может выполнять гораздо более значимые задачи. И существует множество небезопасных ситуаций, связанных с токсичными материалами , опасной средой или другими опасностями, в которых мы предпочли бы отправить робота, чем рисковать человеком.

«Это также имеет значение для вспомогательных устройств, таких как протезы или экзоскелеты», — сказал Крымский. «Если вам не нужно постоянно их подзаряжать, они могут оказать более существенное влияние на людей, которые их используют».

В настоящее время контроллеру привода требуется несколько минут, чтобы рассчитать наиболее эффективный способ использования комбинации пружин для выполнения совершенно новой задачи, но исследователи планируют значительно сократить этот промежуток времени. Они представляют себе систему, которая сможет учиться на предыдущих задачах, создавая растущую базу данных все более эффективных движений и используя искусственный интеллект, чтобы интуитивно понимать, как эффективно выполнить что-то новое.

«Мы хотели бы внести ряд небольших изменений в управление и дизайн, но мы считаем, что технология уже готова к коммерческому переводу», — сказал Коллинз. «Мы были бы рады попытаться реализовать это в лаборатории и основать компанию, которая начнет производить эти приводы для роботов будущего».

Пружинный привод, который улучшит роботов



Новости партнеров