Будь то протез с электроприводом, помогающий людям с потерей конечностей, или независимый робот, передвигающийся по окружающему миру, мы требуем от машин выполнения все более сложных и динамичных задач. Однако стандартные электродвигатели были разработаны для стабильных, непрерывных операций, таких как работа компрессора или вращение конвейерной ленты - даже современные модели расходуют много энергии на выполнение более сложных движений.
Исследователи из Стэнфордского университета разработали метод улучшения электродвигателей для повышения их эффективности при выполнении динамических движений с помощью нового типа привода - устройства, использующего энергию для ввода объектов в движение. Их привод, опубликованный в журнале Science Robotics, использует пружины и муфты для выполнения различных задач, потребляя лишь часть энергии, которую обычно расходует электродвигатель.
Вместо того чтобы тратить много электроэнергии на простое поддержание работы, вырабатывая тепло, наш привод использует эти муфты для достижения очень высокого уровня эффективности, который характерен для электродвигателей в непрерывных процессах, не отказываясь от управляемости и других функций, делающих электродвигатели привлекательными.
Привод работает за счет возможности пружин создавать силу без затрат энергии - пружины сопротивляются растяжению и стремятся вернуться к своей естественной длине при уменьшении нагрузки. Когда привод, например, опускает тяжелый объект, исследователи могут активировать пружины, чтобы они растянулись и сняли часть нагрузки с двигателя. Затем, зафиксировав пружины в растянутом положении, сохраняется энергия, которая может быть использована впоследствии, чтобы помочь двигателю выполнить другую задачу.
Ключом к быстрому и эффективному включению и отключению пружин является ряд электроклеевых муфт. Каждая резиновая пружина закреплена 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, и они плавно скользят друг по другу, когда неактивны. Для активации сцепления исследователи подают большое напряжение на один из электродов, что приводит к их приближению с характерным щелчком, похожим на более быструю и сильную версию статического электричества, заставляющего воздушный шар прилипать к стене после трения о ковер. Ослабление пружины так же просто, как заземление электрода и снижение его напряжения до нуля.
Они легкие, компактные, действительно энергоэффективные, их можно быстро включать и выключать. И если у вас есть много связанных пружин, это открывает много возможностей для их настройки и контроля для достижения интересных результатов.
Привод, созданный инженерами, оснащен двигателем, дополненным шестью одинаковыми пружинами с муфтами, которые могут быть активированы в любой комбинации. Исследователи провели серию сложных испытаний на движение, включая быстрое ускорение, изменение нагрузки и плавное, стабильное движение. В результате усовершенствованный двигатель потреблял как минимум на 50 процентов меньше энергии по сравнению со стандартным электродвигателем и, в некоторых случаях, снижал энергопотребление на 97 процентов.