Для роботов следующего поколения: привод с пружинами экономит до 97% электроэнергии

Будь то механический протез или автономный робот для опасных задач — от них ожидают всё возрастающей сложности и эффективности. А созданный уже давно электродвигатель хорош лишь для более простых функций, таких как запуск компрессора или вращение конвейерной ленты. Даже новейшие вариации электродвигателей потребляют слишком много энергии для выполнения сложных движений, если говорить о робототехнике.

Исследователи из Стэнфордского университета, Калифорния, сумели сделать электродвигатели более эффективными для динамических движений. Они придумали новый тип привода, который преобразует энергию в движение. В журнале Science Robotics («Научная робототехника») изобретатели описали, как за счёт пружин и муфт уменьшили энергопотребление по сравнению с обычным электродвигателем.

Один из авторов изобретения Эрез Кримски рассказал, что собой представляет прототип привода. В его конструкции обычный двигатель обеспечивает потребляемую мощность и точную регулировку крутящего момента. А эластомерные (из эластичных полимеров) пружины (фактически — резинки) обеспечивают крутящий момент и рекуперацию (восстановление) энергии. Маломощные муфты быстро захватывают и отпускают пружины, сохраняя их растянутыми при высвобождении. Крутящий момент пружины регулируется выбором того, какие пружины задействованы.

Привод работает за счёт способности пружин создавать усилие без затрат энергии. В процессе пружины сопротивляются растягиванию и пытаются восстановить свою естественную длину при отпускании. Когда привод, допустим, опускает что-то тяжёлое, исследователи могут задействовать пружины так, чтобы они растягивались, снимая с двигателя часть нагрузки. Затем, фиксируя пружины в растянутом положении, можно накапливать эту энергию, чтобы позже помочь двигателю выполнять другую задачу.

Основой для быстрого и эффективного применения и высвобождения пружин стали несколько электроадгезионных муфт, то есть сцепляющихся с поверхностями при подаче тока. Каждая резиновая пружина зажата между двумя муфтами: одна соединяет пружину с шарниром для помощи двигателю, а другая фиксирует пружину в натянутом положении, когда она не используется.

Муфты состоят из двух электродов: прикреплённого к пружине и связанного с рамой или двигателем. Они плавно скользят мимо друг друга, когда неактивны. Чтобы включить сцепление, исследователи подают большое напряжение на один из электродов. Электроды смыкаются с явным щелчком, поскольку происходит, по сути, то же, что и в ситуации со статическим электричеством. Получается, что отпустить пружину так же просто, как заземлить электрод и снова снизить его напряжение до нуля.

Эрез Кримски описал изобретённые приводы как лёгкие, маленькие и действительно энергоэффективные, к тому же их можно быстро включать и выключать. А если оснастить конструкцию множеством описанных пружин, то появятся интересные возможности для достижения более точных и настраиваемых результатов.

Образец привода оснащён двигателем, шестью одинаковыми пружинами, которые можно приводить в действие в любом сочетании и порядке. Исследователи испытали конструкцию в ходе сложных двигательных тестов, среди которых были задачи на быстрое ускорение, изменение нагрузки и плавное, стабильное движение. При выполнении любой задачи усовершенствованный двигатель потреблял как минимум на 50% меньше энергии, чем стандартный электродвигатель, хотя по максимуму способен снижать энергопотребление даже на 97%.

Смысл изобретения в том, что оснащённые новыми приводами роботы смогут забираться дальше и достигать большего. Робот, способный работать без подзарядки целый день, а не час-два, был бы гораздо полезнее иных устройств. Например, заменяя человека в опасной среде.

Вторая важная перспектива — использование изобретения в протезах или экзоскелетах. Без постоянной подзарядки они стали бы куда удобнее.

Контроллеру концепта требуется несколько минут, чтобы рассчитать наиболее эффективную комбинацию применения пружин для совершенно новой задачи. Ради возрастающей точности различных движений изобретатели планируют значительно сократить это время за счёт обучаемой на предыдущих задачах системы, с пополняющейся базой данных и искусственным интеллектом. Вместе с тем они заверяют, что в общем и целом технология вполне готова к коммерческому внедрению.