Les chercheurs ont créé un actionneur de moteur électrique économe en énergie, utilisant des ressorts et des embrayages pour réduire la consommation d’énergie dans les tâches dynamiques, offrant jusqu’à 97 % d’amélioration de l’efficacité et des applications potentielles dans la robotique et les appareils d’assistance. Prototype d’actionneur à recyclage d’énergie. Crédit : Erez Krimsky
Des chercheurs de Stanford ont développé un actionneur assisté par ressort, un dispositif capable d’accomplir des tâches dynamiques en utilisant une fraction de l’énergie précédemment requise.
Qu’il s’agisse d’une prothèse motorisée pour assister une personne ayant perdu un membre ou d’un robot indépendant naviguant dans le monde extérieur, nous demandons aux machines d’effectuer des tâches de plus en plus complexes et dynamiques. Mais le moteur électrique standard a été conçu pour des activités régulières et continues, comme faire fonctionner un compresseur ou faire tourner une bande transporteuse – même les conceptions mises à jour gaspillent beaucoup d’énergie lors de mouvements plus compliqués.
Des chercheurs de l’Université de Stanford ont inventé un moyen d’augmenter les moteurs électriques pour les rendre beaucoup plus efficaces dans l’exécution de mouvements dynamiques grâce à un nouveau type d’actionneur, un dispositif qui utilise de l’énergie pour faire bouger les objets. Leur actionneur, publié le 20 mars dans Robotique scientifiqueutilise des ressorts et des embrayages pour accomplir diverses tâches avec une fraction de la consommation d’énergie d’un moteur électrique classique.
« Plutôt que de gaspiller beaucoup d’électricité en restant là à bourdonner et à générer de la chaleur, notre actionneur utilise ces embrayages pour atteindre les niveaux d’efficacité très élevés que nous constatons avec les moteurs électriques dans les processus continus, sans renoncer à la contrôlabilité et aux autres caractéristiques qui font la différence. les moteurs électriques sont attrayants », a déclaré Steve Collins, professeur agrégé de génie mécanique et auteur principal de l’article.
Passer à l’action
L’actionneur fonctionne en exploitant la capacité des ressorts à produire de la force sans utiliser d’énergie : les ressorts résistent à l’étirement et tentent de rebondir à leur longueur naturelle lorsqu’ils sont relâchés. Lorsque l’actionneur abaisse, par exemple, quelque chose de lourd, les chercheurs peuvent engager les ressorts pour qu’ils s’étirent, soulageant ainsi une partie de la charge du moteur. Ensuite, en bloquant les ressorts en position déployée, cette énergie peut être stockée pour aider le moteur dans une autre tâche ultérieure.
La clé pour engager et désengager les ressorts rapidement et efficacement est une série d’embrayages électroadhésifs. Chaque ressort en caoutchouc est pris en sandwich entre deux embrayages : un qui relie le ressort au joint pour assister le moteur et un qui verrouille le ressort en position tendue lorsqu’il n’est pas utilisé.
Ces embrayages sont constitués de deux électrodes – une attachée au ressort et une attachée au châssis ou au moteur – qui glissent doucement l’une sur l’autre lorsqu’elles ne sont pas actives. Pour enclencher un embrayage, les chercheurs appliquent une tension importante à l’une de ses électrodes. Les électrodes sont rapprochées avec un clic audible – comme une version plus rapide et plus forte de l’électricité statique qui fait coller un ballon au mur après l’avoir frotté sur le tapis. Relâcher le ressort est aussi simple que de mettre l’électrode à la terre et de ramener sa tension à zéro.
« Ils sont légers, petits, très économes en énergie et peuvent être allumés et éteints rapidement », a déclaré Erez Krimsky, auteur principal de l’article, qui a récemment terminé son doctorat dans le laboratoire de Collins. « Et si vous disposez de nombreux ressorts d’embrayage, cela ouvre toutes ces possibilités passionnantes quant à la façon dont vous pouvez les configurer et les contrôler pour obtenir des résultats intéressants. »
L’actionneur construit par Collins et Krimsky est doté d’un moteur augmenté de six ressorts embrayés identiques, qui peuvent être engagés dans n’importe quelle combinaison. Les chercheurs ont soumis la conception à une série de tests de mouvement difficiles comprenant une accélération rapide, des charges changeantes et un mouvement fluide et régulier. À chaque tâche, le moteur augmenté a consommé au moins 50 % d’énergie en moins qu’un moteur électrique standard et, dans le meilleur des cas, a réduit la consommation d’énergie de 97 %.
Des moteurs qui peuvent faire plus
Avec des moteurs nettement plus efficaces, les robots pourraient voyager plus loin et accomplir davantage. Un robot capable de fonctionner toute une journée, au lieu d’une heure ou deux seulement avant de devoir être rechargé, a le potentiel d’entreprendre des tâches beaucoup plus significatives. Et il existe de nombreuses situations dangereuses – impliquant des matières toxiques, des environnements dangereux ou d’autres dangers – dans lesquelles nous préférerions de loin envoyer un robot plutôt que de risquer une personne.
« Cela a également des implications pour les dispositifs d’assistance tels que les prothèses ou les exosquelettes », a déclaré Krimsky. « Si vous n’avez pas besoin de les recharger constamment, ils peuvent avoir un impact plus significatif sur les personnes qui les utilisent. »
Actuellement, il faut quelques minutes au contrôleur de l’actionneur pour calculer la manière la plus efficace d’utiliser la combinaison de ressorts pour accomplir une toute nouvelle tâche, mais les chercheurs prévoient de raccourcir considérablement ce délai. Ils envisagent un système capable d’apprendre des tâches précédentes, en créant une base de données croissante de mouvements de plus en plus efficaces et en utilisant l’intelligence artificielle pour comprendre comment accomplir efficacement quelque chose de nouveau.
« Nous aimerions apporter un certain nombre de petites modifications de contrôle et de conception, mais nous pensons que la technologie est vraiment prête pour une traduction commerciale », a déclaré Collins. « Nous serions ravis d’essayer de sortir cela du laboratoire et de créer une entreprise pour commencer à fabriquer ces actionneurs pour les robots du futur. »
Ce travail a été financé par la National Science Foundation.
