Controllable Mechanical-domain Energy Accumulators

要約

ばねは、弾性ポテンシャル エネルギーを効率的に保存して戻すことができますが、外部負荷がない場合、保存したエネルギーを保持することはできません。
ロック可能なスプリングは、クラッチを使用して外部負荷のない状態で弾性ポテンシャル エネルギーを保持しますが、用途にはまだ広く採用されていません。その理由の 1 つは、クラッチによって設計が複雑になり、エネルギー効率が低下し、通常、保存されたエネルギーを忠実に制御できないためです。
春までに。
ここでは、小さなキャプスタン クラッチを使用してメカニカル スプリングを受動的にロックする、新しいロック可能な圧縮スプリングの設計を紹介します。
キャプスタン クラッチは、任意のたわみで 1000 N を超える力をロックし、最大ばね力の 1 % 未満の制御力で 10 ms 未満でばねのロックを解除し、80 % のエネルギー貯蔵と復帰効率を提供します (
一定の公称速度で動作する高効率の電気モーター)。
提案された設計は、大きなばね力の下でも忠実度の高いロック機能を提供しながら、通常のばねのフォームファクタを維持することにより、エネルギー効率の高いばねベースのアクチュエータとロボットの開発を促進する可能性があります。

要約(オリジナル)

Springs are efficient in storing and returning elastic potential energy but are unable to hold the energy they store in the absence of an external load. Lockable springs use clutches to hold elastic potential energy in the absence of an external load, but have not yet been widely adopted in applications, partly because clutches introduce design complexity, reduce energy efficiency, and typically do not afford high fidelity control over the energy stored by the spring. Here, we present the design of a novel lockable compression spring that uses a small capstan clutch to passively lock a mechanical spring. The capstan clutch can lock over 1000 N force at any arbitrary deflection, unlock the spring in less than 10 ms with a control force less than 1 % of the maximal spring force, and provide an 80 % energy storage and return efficiency (comparable to a highly efficient electric motor operated at constant nominal speed). By retaining the form factor of a regular spring while providing high-fidelity locking capability even under large spring forces, the proposed design could facilitate the development of energy-efficient spring-based actuators and robots.

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