Hoe gaan robots de wereld veranderen? Een veelgestelde en nog onbeantwoorde vraag. We hebben immers geen glazen bol. Wat we wel weten is dat digitalisering en automatisering de wereld de afgelopen decennia enorm hebben veranderd. Op de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van slimme machines in de industrie en het dagelijks leven. Wetenschappers duiken in de technologie en studententeams gaan aan de slag met concrete oplossingen voor maatschappelijke problemen. In deze reeks lees je over de nieuwste robots, hun achtergrond en hun toekomstbeeld. Vandaag de laatste aflevering: elektromagnetische aandrijving.
Een groot, lomp koekblik dat grotendeels bestaat uit tandwielen om te bewegen. Dat is het oude beeld van een robot. Inmiddels zijn we die fase allang voorbij. Wetenschappers ontwikkelen nu heel precieze operatierobots, slimme inpakapparatuur voor fabrieken en autonoom werkende satellieten voor in de ruimte. Robots werken onder bijzondere omstandigheden die voor mensen vaak onmogelijk zijn. Dan komen we er niet met de ouderwetse tandwielen. Voor deze nieuwe robots is de meest vooruitstrevende technologie nodig. Onderzoekers van de faculteit Electrical Engineering aan de TU/Eindhoven bedenken nauwkeuriger en efficiëntere vervangers voor tandwielen: de elektromagnetische aandrijving, een van de meest belangrijke elektromechanische onderdelen van robots.
Neem een armprothese. Als de gewrichten bestaan uit enorme systemen van aaneengeschakelde tandwielen, dan beweegt de arm niet zoals je zou willen. “De tandwielen bewegen te zwaar en te traag. Zo belemmeren ze de uiteindelijke bewegingsvrijheid”, zegt Dave Krop, assistent professor bij de onderzoeksgroep Electromechanics and Power Electronics. “Bovendien is er veel onderhoud nodig omdat er door de beweging wrijving ontstaat tussen de tandwielen.”
Onzichtbare kracht
Daarom kijken de onderzoekers nu naar een aandrijving op basis van elektromagnetische velden. “Het is eigenlijk een onzichtbare kracht”, zegt Krop. “De onderdelen, bijvoorbeeld de schouderkom en de arm, raken elkaar fysiek niet aan, maar staan wel met elkaar in verbinding via het magnetische veld. Zo kan de arm soepeler, sneller en nauwkeuriger bewegen dan met tandwielen.” De elektromagnetische aandrijving zorgt er ook voor dat de arm in alle mogelijke richtingen kan bewegen. Dat is met tandwielen een stuk lastiger.
Draadloos bewegen
Ieder bewegend onderdeel van een machine of een robot maakt gebruikt van een bepaalde aandrijving, ook wel actuator genoemd. Maar hoe werkt zo’n elektromagnetische aandrijving dan precies? “Zo’n aandrijving is eigenlijk een hele kleine, speciale motor”, zegt Elena Lomonova, hoogleraar en hoofd van de onderzoeksgroep Electromechanics and Power Electronics. “Een verbrandingsmotor werkt op brandstof en deze aandrijving werkt op elektromagnetische velden die geactiveerd worden door elektriciteit.” Krop: “We laten stroom door het apparaat gaan. Die stroom is altijd vergezeld door een magnetisch veld. Dus door de stroom te controleren, ontstaat er interactie tussen de magnetische velden.” Dat zorgt uiteindelijk voor de gewenste beweging. Hiervoor zijn geen kabels nodig. “Dat geeft de robot meer bewegingsvrijheid”, stelt Krop.
Om de gewenste bewegingen te kunnen maken, is er een controlesysteem nodig. “Een magnetisch systeem is van nature onstabiel. We moeten dit met een controlesysteem continu corrigeren zodat het systeem stabiel wordt en in balans blijft”, zegt Krop. Hij vergelijkt het met het balanceren van een bal op het topje van je vinger. In theorie moet dus lukken dat alles perfect in balans is. In de praktijk heb je al snel een kleine verstoring waardoor de bal eraf valt. “Het controlesysteem zorgt ervoor dat alle kleine afwijkingen direct gecorrigeerd worden”, zegt hij. In een actuator wordt de rol van de vinger vervuld door het elektromagnetisch veld.
Afwijkingen herstellen
Hoe groter de afwijkingen of hoe hoger de snelheid waarmee het systeem uit balans wordt gebracht, hoe lastiger het is om deze te corrigeren. Dit is een heel belangrijk onderdeel van het onderzoek om de elektromagnetische aandrijvingen uiteindelijk in de praktijk te gaan gebruiken. “Om in de echte wereld te worden gebruikt, moet een systeem een grote bandbreedte hebben, het moet dus grote en sneller afwijkingen kunnen herstellen”, vertelt Lomonova. “Elektromechanische systemen kunnen in die behoefte aan extra bandbreedte voorzien ten opzichte van een mechanische oplossing.”
Precisie bewegingen
Binnen de onderzoeksgroep waar Lomonova en Krop onderdeel van uitmaken wordt gewerkt aan verschillende soorten aandrijvingen. “Overal om je heen zie je dergelijke actuatoren”, zegt Krop. “Die zorgen bijvoorbeeld voor het aansturen van de ruitenwissers in de auto en voor het trillen van je telefoon.” De nieuwe elektromagnetische aandrijvingen kunnen op diverse gebieden het verschil maken in de toekomst. Bijvoorbeeld in medische toepassingen die heel precies moeten werken of in de automotive industrie. Zo draagt deze technologie bij aan de ontwikkeling om elektromotoren die in de wielen van een auto te integreren.
Volgens de onderzoekers is het nog lastig te zeggen wat de impact van deze nieuwe aandrijvingen gaat zijn op de maatschappij en de economie. “Deze aandrijvingen kunnen gebruikt worden in veel verschillende robots en machines. Betere machines zorgen dan weer voor een efficientere productie. Daarmee kunnen bedrijven geld besparen en kunnen zij efficiënter met energie omgaan”, legt Krop uit. Maar voor het zover is, is er nog veel onderzoek nodig. “We lopen nog tegen verschillende praktische problemen aan”, gaat hij verder. “Als we verder gaan elektrificeren dan maken we meer gebruik van batterijen. Maar die zijn op dit moment nog slecht voor het milieu. Daarnaast is er een beperkte hoeveelheid koper beschikbaar, terwijl we daar ook relatief veel van nodig hebben voor deze ontwikkelingen.”
Hyperloop
Volgens Lomonova gaan de onderzoekers de komende tijd meer kijken naar de toepassing van deze veelbelovende technologie in het dagelijks leven. “We zijn bijvoorbeeld aan het kijken naar de toepassing in de hyperloop treinen”, zegt ze. Het voordeel van dit systeem is dat de onderdelen elkaar niet aanraken. Daardoor is er minder onderhoud nodig en kunnen hoge snelheden worden behaald. De nauwkeurigheid van het systeem komt in deze snelle trein ook goed van pas. Zo draagt een vaak onzichtbaar apparaat bij aan de ontwikkeling van de snelste trein ter wereld.
Nieuwsgierig geworden naar de andere bijzondere robots van het TU/e High Tech System Center? Lees hier de eerdere afleveringen.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
