Inception Drive: компактная бесступенчатая трансмиссия для робототехники

В прошлом году Александр Кернбаум из SRI представил нам Abacus Drive, новый вид вращательной передачи, основанный на чистом движении качения, который обещает быть намного дешевле и гораздо более энергоэффективным, чем гармонические передачи, которые являются текущим (и довольно дорогим) стандартом. Теперь Кернбаум вернулся с еще одной гениальной конструкцией трансмиссии с умным названием. Она называется Inception Drive, и он описывает ее как «сверхкомпактную бесступенчатую трансмиссию, основанную на новой конфигурации вложенных шкивов», которая разработана, чтобы сделать роботов – и все виды других вещей – более безопасными, доступными и гораздо более эффективными. .

В бесступенчатой ​​трансмиссии (IVT), которая представляет собой особый вид бесступенчатой ​​трансмиссии, передаточное число включает нулевую точку, к которой можно приближаться как с положительной, так и с отрицательной стороны. Другими словами, постоянный входной сигнал, например, электродвигатель, вращающийся в одном и том же направлении с одинаковой скоростью, может быть преобразован в выходной сигнал, который вращается быстрее, медленнее, вращается в противоположном направлении или вообще не вращается (в этом «редукторном режиме»). В нейтральном режиме вам потребуется бесконечное количество оборотов на входе, чтобы вызвать один оборот на выходе, отсюда и название «бесступенчатая трансмиссия»).

IVT уже существуют: эта концепция не нова. Что является совершенно новым от SRI, так это умная инженерия, которая делает Inception Drive на порядок меньше и легче существующих IVT. Это большое событие, поскольку означает, что IVT можно интегрировать в роботизированные приложения таким образом, что раньше было физически невозможно.

Причина, по которой подобная трансмиссия важна для робототехники, заключается, прежде всего, в ее эффективности, как объясняет Кернбаум в статье, представленной на ICRA ранее в этом году:

Нередко роботизированная трансмиссия имеет КПД менее 50 процентов… Когда выходная скорость часто меняется, невозможно одновременно оптимизировать двигатель и систему трансмиссии с фиксированным передаточным числом по размеру, производительности и эффективности: фиксированное передаточное число трансмиссии приводит к значительным потерям в двигателе. Например, высококачественный электродвигатель может иметь КПД на 90 процентов при работе на высоких скоростях и низком крутящем моменте, но в робототехнических приложениях вместо этого система должна быть спроектирована так, чтобы достигать необходимых пиковых крутящих моментов и скоростей в минимально возможном корпусе, что приводит к система, которая почти никогда не работает с максимальной эффективностью.

Трансмиссия с переменным передаточным числом может помочь согласовать скорость двигателя с его пиковым КПД или пиковой мощностью, но их размер, вес и сложность исторически препятствовали их использованию в большинстве робототехнических и промышленных приложений. Именно здесь ультракомпактная бесступенчатая трансмиссия (IVT) от SRI может сыграть ключевую роль. Его небольшой размер, простота и реверсивная выходная мощность позволяют использовать трансмиссии с регулируемой скоростью в нескольких новых случаях. Он достаточно мал, чтобы заменить трансмиссии с фиксированным передаточным числом в роботах, где, по нашему мнению, он может вдвое сократить энергопотребление многих роботизированных платформ, удвоив срок службы батарей мобильных платформ.

Если вы не можете до конца понять, как это работает, из видео (и даже Кернбаум признает, что это сложно визуализировать), прочитайте объяснение, которое мы придумали ниже, а затем посмотрите видео еще раз и посмотрите, поможет ли оно.

Здесь происходит несколько очень важных вещей, которые очень трудно увидеть, потому что они происходят внутри самого привода. Во-первых, как два шкива взаимодействуют друг с другом. Это, конечно, происходит через клиновой ремень, но это не так, как если бы вращался один шкив, который вращал ремень, который заставляет вращаться другой шкив, как в обычной трансмиссии. Скорее, внешний шкив зафиксирован и вообще не вращается, в то время как внутренний шкив, который вложен внутри привода, колеблется, поскольку он установлен не по центру входного вала. (Название устройства является отсылкой к фильму «Начало», но вместо снов используются вложенные шкивы.)

Поскольку входной вал заставляет внутренний шкив раскачиваться по кругу, он постоянно поднимает клиновой ремень с внешнего шкива при его раскачивании наружу и снова опускает клиновой ремень, когда колебание направлено внутрь. Если эффективные диаметры внутреннего и внешнего шкивов одинаковы, клиновой ремень будет просто перемещаться вперед и назад между двумя шкивами, и ничего особенного не произойдет. Но если эффективные диаметры внутреннего и внешнего шкивов различаются, клиновой ремень будет тянуться в том или ином направлении, пытаясь удержать два шкива соединенными. Поскольку внешний шкив не вращается, сила, действующая на клиновой ремень, заставляет вместо этого вращаться внутренний шкив, и это выходная мощность трансмиссии.