Inception Drive: Ein kompaktes, stufenloses Getriebe für die Robotik

Letztes Jahr stellte uns Alexander Kernbaum vom SRI den Abacus Drive vor, eine neue Art von Drehgetriebe, das auf reiner Rollbewegung basiert und viel billiger und energieeffizienter zu sein verspricht als harmonische Getriebe, die derzeit der (und recht teure) Standard sind. Jetzt ist Kernbaum mit einem weiteren genialen – und klug benannten – Getriebedesign zurück. Es heißt Inception Drive und er beschreibt es als „ein ultrakompaktes, stufenloses Getriebe, das auf einer neuartigen Konfiguration mit verschachtelten Riemenscheiben basiert“, das Roboter – und alle möglichen anderen Dinge – sicherer, erschwinglicher und wesentlich effizienter machen soll .

Bei einem stufenlosen Getriebe (IVT), bei dem es sich um eine spezielle Art von stufenlosen Getrieben handelt, umfasst das Übersetzungsverhältnis einen Nullpunkt, der entweder von einer positiven oder einer negativen Seite angefahren werden kann. Mit anderen Worten: Ein konstanter Eingang, wie ein Elektromotor, der sich mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung dreht, kann in einen Ausgang umgewandelt werden, der sich schneller, langsamer, in die entgegengesetzte Richtung dreht oder sich überhaupt nicht dreht (in diesem Fall „übersetzt“) Im „Neutral“-Modus bräuchte man unendlich viele Eingangsumdrehungen, um eine Ausgangsumdrehung zu bewirken, daher der Name „stufenloses Getriebe“.

IVTs gibt es bereits: Das Konzept ist nicht ganz neu. Ganz neu bei SRI ist die clevere Technik, die Inception Drive um eine Größenordnung kleiner und leichter macht als bestehende IVTs. Das ist eine große Sache, denn es bedeutet, dass IVTs auf eine Weise in Roboteranwendungen integriert werden können, die zuvor physikalisch unmöglich war.

Der Grund, warum ein solches Getriebe für die Robotik wichtig ist, liegt vor allem in der Effizienz, die es ermöglicht, wie Kernbaum in einem Anfang des Jahres auf der ICRA vorgestellten Papier erklärt:

Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Robotergetriebe einen Wirkungsgrad von weniger als 50 Prozent hat. Wenn sich die Abtriebsdrehzahl häufig ändert, ist es unmöglich, einen Motor und ein Getriebesystem mit fester Übersetzung gleichzeitig hinsichtlich Größe, Leistung und Effizienz zu optimieren: Die feste Übersetzung des Getriebes verursacht erhebliche Verluste im Motor. Beispielsweise kann ein hochwertiger Elektromotor beim Betrieb mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem Drehmoment einen Wirkungsgrad von 90 Prozent haben, bei Roboteranwendungen muss das System jedoch stattdessen so ausgelegt sein, dass es die erforderlichen Spitzendrehmomente und -geschwindigkeiten in einem möglichst kleinen Paket erreicht ein System, das fast nie annähernd seinen Spitzenwirkungsgrad erreicht.

Ein Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis kann dazu beitragen, die Motorgeschwindigkeit an seinen Spitzenwirkungsgrad oder seine Spitzenleistung anzupassen, aber ihre Größe, ihr Gewicht und ihre Komplexität haben ihren Einsatz in den meisten Roboter- und Industrieanwendungen in der Vergangenheit ausgeschlossen. Hier kann das ultrakompakte stufenlose Getriebe (IVT) von SRI eine Schlüsselrolle spielen. Seine geringe Größe, Einfachheit und umkehrbarer Ausgang ermöglichen mehrere neue Anwendungen für Getriebe mit variabler Geschwindigkeit. Es ist klein genug, um Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis in Robotern zu ersetzen. Wir glauben, dass es den Energieverbrauch vieler Roboterplattformen halbieren und die Batterielebensdauer mobiler Plattformen verdoppeln kann.

Wenn Sie anhand des Videos nicht ganz verstehen können, wie es funktioniert (und selbst Kernbaum gibt zu, dass es schwer vorstellbar ist), lesen Sie die Erklärung, die wir unten zusammengestellt haben, und schauen Sie sich dann das Video noch einmal an, um zu sehen, ob es hilft.

Hier passieren ein paar sehr wichtige Dinge, die sehr schwer zu erkennen sind, weil sie im Inneren des Laufwerks selbst passieren. Das erste ist, wie die beiden Riemenscheiben miteinander interagieren. Dies geschieht natürlich über den Keilriemen, aber es ist nicht so, dass sich eine Riemenscheibe dreht, wodurch der Riemen gedreht wird, was dazu führt, dass sich die andere Riemenscheibe dreht, wie bei einem herkömmlichen Getriebe. Vielmehr ist die äußere Riemenscheibe feststehend und dreht sich überhaupt nicht, während die innere Riemenscheibe, die im Inneren des Antriebs untergebracht ist, wackelt, da sie außermittig zur Eingangswelle montiert ist. (Der Name des Geräts ist eine Anspielung auf den Film „Inception“, allerdings mit verschachtelten Rollen statt Träumen.)

Da die Eingangswelle die innere Riemenscheibe in einer kreisförmigen Bewegung versetzt, hebt sie den Keilriemen bei der nach außen gerichteten Bewegung kontinuierlich von der äußeren Riemenscheibe ab und setzt den Keilriemen bei der nach innen gerichteten Bewegung wieder ab. Wenn die effektiven Durchmesser der inneren und äußeren Riemenscheiben gleich sind, wird der Keilriemen nur zwischen den beiden Riemenscheiben hin und her bewegt und es passiert nicht viel. Wenn jedoch die effektiven Durchmesser der inneren und äußeren Riemenscheiben unterschiedlich sind, wird der Keilriemen in die eine oder andere Richtung gezogen, da er versucht, die beiden Riemenscheiben verbunden zu halten. Da sich die äußere Riemenscheibe nicht dreht, dreht sich durch die vom Keilriemen ausgeübte Kraft stattdessen die innere Riemenscheibe, und dies ist der Ausgang des Getriebes.

Eine schematische Querschnittsansicht des Inception Drive von SRI. Da die Eingangswelle (grün) die inneren Riemenscheiben (lila) in eine kreisförmige Bewegung versetzt, heben sie den Keilriemen (rot) kontinuierlich von der äußeren Riemenscheibe (orange) ab. Da die äußere Riemenscheibe feststeht und sich nicht dreht, lässt die vom Keilriemen ausgeübte Kraft stattdessen die innere Riemenscheibe rotieren, und dies ist der Ausgang des Getriebes (blau).Bild: SRI

Die zweite Sache ist, wie sich das Übersetzungsverhältnis ändert. Denken Sie daran, dass jede Riemenscheibe in „Riemenscheibenpaare“ unterteilt ist, zwischen denen der Keilriemen läuft. Um das Übersetzungsverhältnis zu ändern, bewegt sich ein Riemenscheibenpaar weiter auseinander, wodurch der Keilriemen tiefer in die Rille zwischen den Riemenscheibenhälften eintaucht, während das andere Riemenscheibenpaar näher zusammenrückt, wodurch der Keilriemen in der Rille weiter nach oben läuft zwischen den Riemenscheibenhälften.

Dadurch ändert sich der effektive Durchmesser der Riemenscheiben – beim Keilriemen ist die erste Riemenscheibe einfach kleiner geworden, während die zweite Riemenscheibe einfach größer geworden ist, und dadurch ändert sich das Übersetzungsverhältnis. Wenn Sie eine Riemenscheibe effektiv größer als die andere machen, wird der Ausgang in eine Richtung angetrieben, während das Umschalten des Übersetzungsverhältnisses den Ausgang in die andere Richtung treibt, und Sie können das Verhältnis stufenlos bis hin zu Null variieren, wo die Riemenscheiben den gleichen Wirkungsgrad haben Durchmesser und der Abtrieb bewegt sich überhaupt nicht (er befindet sich im Neutralmodus).

Diese Animation zeigt, wie der Inception Drive vom Vorwärtsantrieb über den Getriebeneutralantrieb zum Rückwärtsantrieb wechselt, indem die beiden inneren Riemenscheiben (lila) weiter auseinander bewegt werden.Bild: SRI

Da SRI den Inception Drive im Grunde gerade erst erfunden hat, sind sie die ersten, die zugeben, dass „es über diese Übertragung noch viel zu lernen gibt“. Während beispielsweise das Übersetzungsverhältnis nicht sofort geändert werden kann, sind sie sich ziemlich sicher, dass es für die meisten Roboteranwendungen schnell genug geändert werden kann. Es gibt auch noch viel zu tun, um die Gesamtsystemeffizienz und Haltbarkeit zu untersuchen, und die nächste Generation von Prototypen wird dazu beitragen, die Eigenschaften des Laufwerks besser zu quantifizieren. Aber während sie die Dinge herausfinden, sind hier einige Kontrollstrategien, von denen die Autoren vermuten, dass sie Robotiker begeistern könnten: