Inception Drive: una transmisión compacta e infinitamente variable para robótica

El año pasado, Alexander Kernbaum de SRI nos presentó Abacus Drive, un nuevo tipo de transmisión rotativa basada en un movimiento de balanceo puro que promete ser mucho más económico y mucho más eficiente energéticamente que los engranajes armónicos, que son el estándar actual (y bastante caro). Ahora Kernbaum está de vuelta con otro diseño de transmisión ingenioso y con un nombre inteligente. Se llama Inception Drive y lo describe como "una transmisión ultracompacta e infinitamente variable basada en una novedosa configuración de poleas anidadas" que está diseñada para hacer que los robots, y todo tipo de otras cosas, sean más seguros, más asequibles y mucho más eficientes. .

En una transmisión infinitamente variable (IVT), que es un tipo específico de transmisión continuamente variable, la relación de transmisión incluye un punto cero al que se puede aproximar desde un lado positivo o negativo. En otras palabras, una entrada constante, como un motor eléctrico que gira en la misma dirección a la misma velocidad, se puede convertir en una salida que gira más rápido, más lento, en la dirección opuesta o que no gira en absoluto (en este "engranaje"). neutral", necesitaría infinitas revoluciones de entrada para causar una revolución de salida, de ahí el nombre de "transmisión infinitamente variable").

Las IVT ya existen: el concepto no es nuevo. Lo nuevo de SRI es la ingeniería inteligente que hace que Inception Drive sea un orden de magnitud más pequeño y liviano que los IVT existentes. Este es un gran problema porque significa que los IVT pueden integrarse en aplicaciones robóticas de una manera que antes era físicamente imposible.

La razón por la que una transmisión como esta es importante para la robótica se debe principalmente a la eficiencia que permite, como explica Kernbaum en un documento presentado en ICRA a principios de este año:

No es raro que una transmisión robótica tenga menos del 50 por ciento de eficiencia... Cuando la velocidad de salida cambia con frecuencia, es imposible optimizar un motor y un sistema de transmisión de relación fija para el tamaño, el rendimiento y la eficiencia al mismo tiempo: la relación fija de la transmisión provoca pérdidas sustanciales dentro del motor. Por ejemplo, un motor eléctrico de alta calidad puede tener una eficiencia del 90 % cuando funciona a alta velocidad y bajo par, pero en aplicaciones robóticas, el sistema debe diseñarse para alcanzar los picos de par y velocidades necesarios en el paquete más pequeño posible, lo que da como resultado un sistema que casi nunca opera cerca de su máxima eficiencia.

Una transmisión de relación variable puede ayudar a alinear la velocidad del motor con su máxima eficiencia o máxima potencia, pero históricamente su tamaño, peso y complejidad han impedido su uso en la mayoría de las aplicaciones robóticas e industriales. Aquí es donde la transmisión infinitamente variable (IVT) ultracompacta de SRI puede desempeñar un papel clave. Su pequeño tamaño, simplicidad y salida reversible permiten varias aplicaciones nuevas para transmisiones de velocidad variable. Es lo suficientemente pequeño como para reemplazar las transmisiones de relación fija en los robots, donde creemos que puede reducir a la mitad el consumo de energía de muchas plataformas robóticas, duplicando la duración de la batería para las plataformas móviles.

Si no puede entender cómo funciona a partir del video (e incluso Kernbaum admite que es difícil de visualizar), lea la explicación que presentamos a continuación y luego mire el video nuevamente y vea si ayuda.

Están sucediendo algunas cosas muy importantes aquí que son muy difíciles de ver, porque están sucediendo dentro del propio disco. Lo primero es cómo interactúan las dos poleas entre sí. Esto sucede a través de la correa trapezoidal, por supuesto, pero no es como si una polea girara, lo que hace girar la correa, lo que hace que la otra polea gire, como en una transmisión convencional. Más bien, la polea exterior está fija y no gira en absoluto, mientras que la polea interior, que está anidada dentro de la transmisión, se tambalea, ya que está montada descentrada en el eje de entrada. (El nombre del dispositivo es una referencia a la película Origen, pero con poleas anidadas en lugar de sueños).

A medida que el eje de entrada hace que la polea interior se tambalee en un movimiento circular, levanta continuamente la correa en V de la polea exterior en su oscilación hacia afuera y vuelve a colocar la correa en V cuando la oscilación es hacia adentro. Si los diámetros efectivos de las poleas interior y exterior son iguales, la correa trapezoidal simplemente se transferirá de un lado a otro entre las dos poleas y no pasará mucho. Pero si los diámetros efectivos de las poleas interior y exterior son diferentes, la correa trapezoidal se tirará en una dirección u otra mientras trata de mantener las dos poleas conectadas. Dado que la polea exterior no gira, la fuerza ejercida por la correa trapezoidal hace que la polea interior gire, y esta es la salida de la transmisión.

Una vista esquemática transversal de Inception Drive de SRI. A medida que el eje de entrada (verde) hace que las poleas internas (púrpura) se tambaleen en un movimiento circular, levantan continuamente la correa trapezoidal (roja) de la polea externa (naranja). Debido a que la polea exterior está fija y no gira, la fuerza ejercida por la correa en V hace que la polea interior gire, y esta es la salida de la transmisión (azul). Imagen: SRI

Lo segundo es cómo cambia la relación de transmisión. Recuerde, cada polea se divide en "pares de poleas", con la correa trapezoidal entre ellos. Para alterar la relación de transmisión, un par de poleas se separa más, lo que hace que la correa en V caiga más profundamente en la ranura entre las mitades de la polea, mientras que el otro par de poleas se acerca, lo que hace que la correa en V suba más en la ranura. entre las mitades de la polea.

Esto cambia el diámetro efectivo de las poleas: en lo que respecta a la correa trapezoidal, la primera polea se hizo más pequeña, mientras que la segunda polea se hizo más grande, y esto cambia la relación de transmisión. Hacer que una polea sea efectivamente más grande que la otra impulsará la salida en una dirección, mientras que cambiar la relación impulsará la salida en la otra dirección, y puede variar la relación suavemente hasta cero, donde las poleas tienen la misma eficacia diámetro y la salida no se mueve en absoluto (está en un modo neutral engranado).

Esta animación muestra cómo el Inception Drive pasa de la transmisión de avance a la transmisión neutral engranada y luego a la transmisión de retroceso al separar más las dos poleas internas (púrpura). Imagen: SRI

Dado que SRI básicamente acaba de inventar Inception Drive, son los primeros en admitir que "hay mucho que aprender sobre esta transmisión". Por ejemplo, aunque la relación de transmisión no se puede cambiar instantáneamente, están bastante seguros de que se puede cambiar lo suficientemente rápido para la mayoría de las aplicaciones robóticas. También hay mucho trabajo por hacer para investigar la eficiencia total del sistema, así como la durabilidad, y la próxima generación de prototipos ayudará a cuantificar más completamente las características de la unidad. Pero mientras descubren cosas, aquí hay algunas estrategias de control que los autores sugieren que podrían entusiasmar a los especialistas en robótica: