Роботы и энергетика: три точки соприкосновения

Опубликовано в номере:

С каждым новым номером Control Engineering Россия мы стараемся все полнее раскрыть многогранность робототехники. Оказывается, что точки соприкосновения естественным образом находятся практически с любой темой, затрагиваемой журналом. На этот раз поговорим о тесной взаимосвязи роботов и энергетики. Я решил ограничиться последовательным рассмотрением этого симбиоза в трех его ипостасях: источники питания для роботов, энергоэффективные роботы и роботы для современной энергетики.

На текущем витке развития робототехники автономность постулируется как один из краеугольных камней. Независимо от локомоционной системы, в каждом роботе есть источник или аккумулятор энергии, и от того, насколько этот источник эффективно используется, напрямую зависит, как долго робот сможет выполнять ту или иную задачу.

Часто на демонстрационных видео из лабораторий заметно, как к «мобильному» роботу тянутся толстые силовые кабели. Причина проста: на данный момент не удалось создать достаточно емкого, компактного, безопасного и недорогого источника питания. В начале октября основатель iRobot Родни Брукс (Rodney Brooks), выступая на конференции Techonomy Detroit, провел параллель между автономными автомобилями и роботами [1]. Я бы дополнил, что автомобильная промышленность является мощным драйвером развития робототехнических технологий по ряду направлений. Усилия ведущих автомобильных концернов также направлены на внедрение альтернативных двигательных установок. Все чаще, особенно в Европе и США, на дорогах встречаются гибриды и электрокары. Пусть в этом случае мотивацией являются экологичность и ограниченные запасы нефти, разрабатываемые мощные и компактные электрические аккумуляторы смогут послужить и робототехнике. Да, соперничать по удельной энергоемкости с бензином пока не получается, но приведу один пример. Буквально нашумевшая разработка американской компании Boston Dynamics — четырехногий робот Big Dog — так и не нашел применения в армии США именно из-за уникальных демаскирующих характеристик установленного на нем двигателя внутреннего сгорания [2].

Очевидно, что важно не то, сколько энергии вы смогли запасти, а как вы ее будете расходовать. И по этому направлению в робототехнике ведется активная работа. Оптимизируются как сами конструкции, так и алгоритмы управления движением робота, внедряются системы рекуперации энергии.

Мировым рекордсменом по затратам энергии ходьбу является Ranger, созданный в Корнуэльском университете и прошедший 65,2 км от одного заряда 16-Вт Li-ion батареи [3]. Такой эффект был достигнут за счет специальной кинематической схемы робота, а расплатиться пришлось средней скоростью в 0,59 м/с. Более практичным способом является модификация конструкции путем внесения последовательных и параллельных эластичных актюаторов, или, попросту, пружин. Известен, например, робототехнический протез RoboKnee [4].

Аналогичные принципы пытаются внедрить и в промышленную робототехнику, закрепляя пружины в характерных точках манипуляторов. Так, ведущие робототехнические компании устанавливают пневматические или иные компенсаторы нагрузки на самые тяжелые звенья манипуляторов. И действительно, такого рода оптимизация важна не только в мобильных роботах, ведь даже снижение энергозатрат на несколько процентов в масштабах непрерывной работы целой линии в течение года дает солидную экономию. Как здесь снова не вспомнить автомобильную промышленность. Справедливости ради скажу, что актуально это не во всех отраслях. Кто, например, считает киловатты на роботов в цехах, где в открытых котлах плавится металл?

Однако энергоэффективность роботов обеспечивается не только за счет «железа». Умная математика здесь как нельзя кстати. Я имею в виду и соответствующие алгоритмы планирования траекторий движения роботов, и в целом алгоритмы управления, снижающие нагрузку на вычислительную, передающую информацию и сенсорную системы, что особенно актуально в мобильной робототехнике.

Третья точка соприкосновения робототехники и энергетики кажется более экзотичной, но не менее важной. Все больше роботов создается специально для получения энергии из альтернативных источников. Приведу лишь несколько примеров.

В 2012 г. американский стартап QBotix выпустил роботизированную станцию для ориентации солнечных батарей [5]. По заверениям компании, это решение снижает стоимость производства энергии от солнца на 20%. А уже в октябре этого года по новостным лентам прошли сообщения о компании Alion Energy, создавшей тандем роботов для установки солнечных панелей (ROVER) и их регулярной очистки (SPOT) [6]. Специалисты посчитали, что с 2008 г. сами панели подешевели на 70%, а вот стоимость сервиса не изменилась. Их решение делает установку на 50% дешевле, а очистка повышает КПД системы на 12,5% [7].

Трудятся роботы и в производстве электроэнергии за счет волн и приливных течений. Упомяну автономный роботизированный буй PowerBuoy от компании Ocean Power Technologies [8]. Эта система трансформирует и запасает энергию от вертикальных механических колебаний на волнах надводной части по отношению к установленному под водой якорю. Она способна выдавать в пике до 2400 кВт, превосходя по энергетической плотности (но не по удельной стоимости) солнечные батареи или ветряные станции. Другой принцип используется в линейке проектов от Bourne Energy [9]. По сути, это полноценные автономные роботы с погружаемой под воду огромной турбиной, приводимой во вращение течениями.

 

Интересные ссылки

  1. http://techonomy.com/2013/10/rodney-brooks-cars-robots/
  2. http://www.bostondynamics.com/robot_bigdog.html
  3. http://ruina.tam.cornell.edu/research/topics/locomotion_and_robotics/ranger/Ranger2011/
  4. Pratt J. E., Krupp B. T., Morse C. J., Collins S. H. The RoboKnee: an exoskeleton for enhancing strength and endurance during walking // Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Vol. 3. 2004.
  5. http://www.qbotix.com/
  6. http://www.alionenergy.com/
  7. http://www.nytimes.com/2013/10/15/business/energy-environment/putting-robots-to-work-in-solar-energy.html?_r=0
  8. http://www.oceanpowertechnologies.com/
  9. http://www.bourneenergy.com/

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *