斯坦福大学研发出节能弹簧辅助执行器

　　综合概述：

　　无论是帮助失去肢体的人的动力假肢，还是在外部世界导航的独立机器人，我们都要求机器执行越来越复杂、动态的任务。但是，标准的电动机是为稳定、持续的活动而设计的，比如运行压缩机或旋转传送带——即使是更新的设计，在进行更复杂的运动时也会浪费大量的能量。

　　斯坦福大学的研究人员发明了一种方法，通过一种新型的执行器，一种利用能量使物体运动的装置，来增强电动机的动力，使其在执行动态运动时效率更高。他们的驱动器发表在3月20日的《科学机器人》杂志上，它使用弹簧和离合器来完成各种任务，而能耗只是典型电动马达的一小部分。

　　机械工程副教授、该论文的资深作者史蒂夫·柯林斯(Steve Collins)说:“我们的执行器不是浪费大量的电力，只是坐在那里嗡嗡叫，产生热量，而是使用这些离合器来实现我们在连续过程中从电动机中看到的非常高的效率，而不会放弃电动机的可控制性和其他使电动机具有吸引力的特性。”

　　开始付诸行动：

　　执行器的工作原理是利用弹簧在不使用能量的情况下产生力的能力-弹簧抵抗拉伸，并在释放时试图反弹到其自然长度。比如，当执行器在降低重物时，研究人员可以使弹簧伸展，从而减轻电机的负荷。然后，通过将弹簧锁定在伸展的位置，能量可以储存起来，以帮助电机稍后完成另一个任务。

　　快速有效地接合和分离弹簧的关键是一系列的电粘合离合器。每个橡胶弹簧夹在两个离合器之间:一个将弹簧连接到关节以辅助电机，另一个在不使用时将弹簧锁定在拉伸位置。

　　这些离合器由两个电极组成——一个连接在弹簧上，另一个连接在框架或马达上——当它们不活动时，它们会平滑地滑过彼此。为了使离合器啮合，研究人员在其中一个电极上施加了很大的电压。电极会随着一声可闻的咔哒声被拉到一起——就像你在地毯上摩擦气球后，气球就会粘在墙上的那种更快、更强的静电。释放弹簧就像将电极接地并将其电压降回零一样简单。

　　该论文的第一作者埃雷兹·克里姆斯基(Erez Krimsky)最近在柯林斯实验室完成了博士学位，他说:“它们重量轻，体积小，非常节能，而且可以快速开关。”“如果你有很多离合器弹簧，它就为你如何配置和控制它们提供了所有这些令人兴奋的可能性，以实现有趣的结果。”

　　柯林斯和克里姆斯基制造的执行器有一个马达，增加了六个相同的离合器弹簧，可以进行任何组合。研究人员对该设计进行了一系列具有挑战性的运动测试，包括快速加速、改变负载和平稳、稳定的运动。在每一项任务中，增强型电机比标准电机至少节省50%的功率，在最好的情况下，功耗降低了97%。

　　能做更多事情的马达：

　　有了更高效的马达，机器人可以走得更远，完成更多的任务。一个机器人可以运行一整天，而不是仅仅一两个小时就需要充电，它有可能承担更有意义的任务。而且有很多不安全的情况——包括有毒物质、危险环境或其他危险——我们更愿意派机器人去，而不是冒险派人去。

　　“这对假肢或外骨骼等辅助设备也有影响，”克里姆斯基说。“如果你不需要经常给它们充电，它们就会对使用者产生更大的影响。”

　　目前，执行器的控制器需要几分钟的时间来计算最有效的方法来使用弹簧组合来完成一个全新的任务，但研究人员计划大大缩短这个时间框架。他们设想了一个系统，可以从以前的任务中学习，创建一个不断增长的数据库，其中包含越来越高效的动作，并使用人工智能来直观地了解如何有效地完成新任务。

　　柯林斯说:“我们还想做一些小的控制和设计调整，但我们认为这项技术已经达到了商业翻译的水平。”“我们很高兴能把它从实验室中剥离出来，成立一家公司，开始为未来的机器人制造这些驱动器。”

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