Czworonożne, autonomiczne roboty będą zapewne w przyszłości wykorzystywane do trudnych misji w niebezpiecznych obszarach, np. do poszukiwań osób zasypanych w czasie trzęsienia ziemi. W tym celu roboty takie będą wyposażone w czułe sensory i będą mogły pracować przy poszukiwaniu osób zasypanych o wiele dłużej niż ich czworonożni, żywi koledzy. Psy używane do poszukiwań ludzi po kilku godzinach intensywnej pracy ulegają zmęczeniu w tak dużym stopniu, że mogą przejściowo nawet utracić swój czuły węch.

Duże siły, ale mała efektywność energetyczna
Czynnikiem ograniczającym zasięg robotów jest ilość dostarczanej im energii. Stosując efektywne energetycznie napędy, można istotnie zwiększyć zasięg działania i czas pracy robotów. Umożliwia im to przede wszystkim wykonywanie długotrwałych zadań i bezpieczny powrót ze strefy zagrożenia. Nogi tego rodzaju robotów są obecnie wyposażane przeważnie w napędy hydrauliczne, gdyż tylko one zapewniają dostatecznie duże siły na małej przestrzeni, które potrzebne są do wykonywania złożonych i dynamicznych ruchów, np. przy pokonywaniu przeszkód. Wykorzystuje się do tego tak zwane serwonapędy. Zapewniają one konieczne siły, wykazują jednak stosunkowo niską efektywność energetyczną. Odpowiedzią na ten problem są innowacje z austriackiego Linzu.

Hydrauliczna przetwornica obniżająca napięcie
Institut für Maschinenlehre und Hydraulische Antriebstechnik na Uniwersytecie w Linzu opracował, razem z Linz Center of Mechatronics GmbH (LCM) i Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH, tak zwany hydrauliczny buck converter (ilustracja 1.), czyli przetwornicę obniżającą napięcie, która niweluje całkowicie problem niskiej efektywności energetycznej. Opierając się na koncepcjach stosowanych również w elektronice mocy, np. w zasilaczach laptopów, osiągnięto w hydraulicznej technice napędowej (przy małym nakładzie technicznym) dobre współczynniki sprawności, a nawet możliwość gromadzenia energii w układzie, gdy ruch robota powoduje oddawanie energii.

Zasada odzyskiwania energii, znana w elektronice mocy jako funkcja boost, została w hydraulice wynaleziona już w 1796 roku. Zastosowano ją w taranie hydraulicznym (ilustracja 3.) wynalezionym przez Francuza Josepha Michela Montgolfiera. Jeszcze dzisiaj w terenach górskich lub podgórskich pracuje kilka taranów, które pompują bez dodatkowych źródeł energii wodę ze studni do wyżej położonych gospodarstw albo domów (ilustracja 4.).

Dzięki odpowiedniemu połączeniu układów buck i boost (obniżających i podwyższających napięcie) można uzyskać efektywny energetycznie hydrauliczny napęd liniowy, który może znaleźć zastosowanie we wspomnianych robotach. Generalnie jego wykorzystanie nie jest jednak ograniczone tylko do robotów. Koncepcja ta nadaje się do wielu zastosowań przemysłowych zasilanych z układu o stałym ciśnieniu. W hydraulice mobilnej stosuje się często systemy Load-Sensing („wyczuwanie obciążenia"), które jednak bardzo ograniczają dynamikę urządzenia, w jakim są zamontowane. Dlatego również w mobilnych maszynach roboczych rozważa się powrót do układu stałego ciśnienia. Tym samym można zastosować tego rodzaju koncepcję hydraulicznych konwerterów w maszynach roboczych, takich jak koparki. Spowodowałoby to wyraźne zmniejszenie zużycia paliwa i tym samym znaczne obniżenie emisji szkodliwych substancji.

Wspomniane konwertery hydrauliczne pracują dzisiaj z częstotliwością załączania od 50 do 100 Hz, w zależności od rozmiaru. Zależnie od wymaganego kierunku ruchu taktowany jest szybko załączający zawór. Czas trwania impulsu w czasie załączenia jest dostosowany do zapotrzebowania mocy, które jest dopasowane do obciążenia. Zawory sterujące muszą przy tym wykonać pełne przełączenie w ciągu kilku milisekund. Takie zawory zostały ostatnio opracowane w Linz Center of Mechatronics i są aktualnie jedynymi zaworami na świecie, które nadają się do zastosowania w efektywnych energetycznie konwerterach hydraulicznych.

Zalety zaworów sterujących zapewniają niskie koszty
Ponieważ w konwerterach hydraulicznych stosuje się tylko zawory „cyfrowe", więc również spodziewane koszty z tym związane są niskie.  Zawory sterujące są w porównaniu z zaworami proporcjonalnymi mają prostszą budowę i dlatego są tańsze w produkcji. Nie są one również wrażliwe na zanieczyszczenie oleju, dzięki czemu mniejsze jest prawdopodobieństwo ich awarii. Równoległe połączenie kilku (tańszych) zaworów może nawet maksymalnie zmniejszyć ryzyko wystąpienia awarii. Jeżeli uwzględni się przy tym, że efektywne sterowanie obciążeniem może również doprowadzić do obniżenia doprowadzonej mocy, to w określonych zastosowaniach można nawet zmniejszyć koszty instalacji służącej do zasilania ciśnieniem.

Technika cyfrowa zaczyna być stosowana również w hydraulice i umożliwia wykonywanie efektywnych i tanich napędów, tak jak w elektrotechnice. Tym samym stanowi to istotny wkład do opracowania ekonomicznych i ekologicznych napędów.

----------------
Dr Bernd Winkler jest kierownikiem działu handlowego hydraulicznych systemów napędowych w Linz Center of Mechatronics GmbH (LCM). Prof. Rudolf Scheidl jest kierownikiem Institut für Maschinenlehre und Hydraulische Antriebstechnik (Instytut Budowy Maszyn i Hydraulicznej Techniki Napędów) na Johannes-Kepler-Universität w Linzu. Dr Helmut Kogler jest pracownikiem naukowym tego instytutu. Więcej informacji: dr Bernd Winkler, tel. +43 732 24 68 60 50, e-mail: bernd.winkler@lcm.at