Matt Carlson, VP Business Development at WiBotic – Interview Series

Matt Carlson ist der Vice President of Business Development bei WiBotic Inc, einem Unternehmen, das zuverlässige drahtlose Stromlösungen zur Aufladung von Luft-, Mobil- und Wasser-Robotersystemen bereitstellt.

Warum sind drahtlose Ladelösungen so wichtig für die Zukunft der Robotik?  

Roboter benötigen die Fähigkeit, sich autonom aufzuladen, für die meisten Anwendungen. Es ist einfach nicht kosteneffizient, ein Team von Mitarbeitern für die Verwaltung der Batterieladung oder des Batteriewechsels einzustellen. Allerdings wird die meisten autonome Ladung heute mit Hilfe von Docking-Stationen durchgeführt, die eine physische Verbindung von elektrischen Kontakten erfordern.

Dies erfordert eine sehr präzise Navigation in die Lade-Station, was schwierig zu programmieren und nicht immer zuverlässig ist. Ein Versagen bei der ordnungsgemäßen Ausrichtung der Kontakte kann zu einem verpassten Ladezyklus und Roboter-Ausfall führen. Kontaktbasierte Stationen werden auch im Laufe der Zeit abgenutzt oder die Kontakte können schmutzig oder korrodiert werden – was wiederum zu unzuverlässiger Ladung führt. Schließlich verwenden Roboter-OEMs eine Vielzahl von elektrischen Kontaktypen, was es fast unmöglich macht, eine einzige Lade-Station zu haben, die jeden Roboter aufladen kann.

Drahtlose Systeme haben keine dieser Probleme. WiBotic-Systeme bieten mehrere Zentimeter Ausrichtungstoleranz, so dass es nicht notwendig ist, einen extrem präzisen Navigation-Stack zu haben. Da die Antennen vollständig gegen die Umgebung abgedichtet werden können und keinen physischen Kontakt miteinander haben, sind drahtlose Systeme auch sehr zuverlässig und können eine unbegrenzte Anzahl von Ladezyklen bewältigen. Schließlich werden die meisten Unternehmen, wenn der Einsatz von Robotern wächst, mehr als einen Roboter-Typ einsetzen. Anstatt eine Wand oder ein Zimmer für viele verschiedene Lade-Stationen zu verwenden, kann eine einzige drahtlose Lade-Station jeden Roboter aufladen, der mit einer einfachen Empfangsantenne nachgerüstet wurde, was Geld und Platz spart.

Wibotics anfänglicher Fokus lag auf der Stromversorgung medizinischer Geräte, was war der Grund für die Umstellung auf Roboter, Drohnen und autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs)?

WiBotics zwei Gründer, Ben Waters und Josh Smith, konzentrierten sich tatsächlich auf drahtlose Stromversorgung für medizinische Geräte während des größten Teils ihrer Forschung an der University of Washington. Ihre Technologie erhöhte den Bereich und die Zuverlässigkeit der drahtlosen Stromversorgung, die beide für den medizinischen Markt kritisch waren. Allerdings konzentrierte sich das Unternehmen sofort auf die Robotik als primären Markt, als Ben seinen PhD erhielt und WiBotic gründete. Dies basierte auf der Nachfrage aus der Robotik-Industrie.

Roboter- und Drohnen-OEMs und Endnutzer erkannten die Vorteile der WiBotic-Technologie in Bezug auf Leistungsniveau und Reichweite im Vergleich zu anderen drahtlosen Systemen. Sie begannen auch, mit der Bereitstellung von kontaktbasierten Ladegeräten für große Roboter-Flotten zu kämpfen und suchten nach zuverlässigeren Lösungen.

Für den Drohnen-Markt ist kontaktbasiertes Laden in den meisten Fällen ein Non-Starter, da Drohnen hauptsächlich im Freien operieren, wo Wasser ein Problem mit jedem physischen elektrischen Kontakt darstellt. Und natürlich profitieren auch Unterwasser-Anwendungen von der vollständig abgedichteten Natur der drahtlosen Stromversorgung.

Welche Leistungsübertragungstechnologien werden verwendet? 

WiBotic verwendet Elemente sowohl der elektrischen Induktion als auch der magnetischen Resonanz für die Leistungsübertragung. Diese beiden Methoden sind relativ gut bewiesen bei einer breiten Palette von Leistungsstufen. Was WiBotic von anderen unterscheidet, ist unsere Fähigkeit, die Verbindung (technisch die Impedanz) zwischen Antennen in Echtzeit zu verwalten. Wir nennen dies Adaptive Impedance Matching.

Eine der größten Herausforderungen bei der drahtlosen Stromversorgung, insbesondere für die Robotik, ist, dass die elektrische Umgebung ständig wechselt. Wenn der Roboter in einer slightly unterschiedlichen Position andockt, wenn seine internen Elektronikkomponenten während des Ladevorgangs ein- und ausgeschaltet werden und wenn die Batterie selbst aufgeladen wird, ändert sich die Impedanz zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit des Systems. Dies kann die Effizienz und Reichweite dramatisch beeinflussen. Unsere AIM-Technologie überwacht ständig Änderungen in der Impedanz, so dass wir die Effizienz und Leistungsstufen aufrechterhalten können, auch wenn alle anderen Elemente im System sich ändern.

Könnten Sie die Effizienz der Einheiten diskutieren, wie viel Leistung während der Leistungsübertragung verloren geht? 

Für WiBotics 250-300-Watt-Systeme haben wir einen End-to-End-Effizienzgrad von etwa 70% bis 80%. Dies stellt die volle Systemeffizienz von der Eingabe zu unserem Sender bis zur Ausgabe zur Batterie dar. Der eigentliche Antenne-zu-Antenne-Teil dieser Gleichung ist etwa 95% effizient, aber es gibt Verluste in der Sender-Schaltung und auch in der Batterie-Lad-Schaltung. Letzteres ist wichtig zu beachten, da sogar ein sehr gut konzipierter “Einsteck”-Batterie-Ladegerät normalerweise nur etwa 90-95% effizient ist.

Die Verwendung eines drahtlosen Systems wie unserem ergibt daher etwa 10% weniger Effizienz als der Status quo der kontaktbasierten Ladung.

Was sind die Distanzbeschränkungen, wie nahe muss die robotische Einheit bei der Stromquelle sein? 

Dies hängt von der Größe der Antennen ab. Unsere Standard-Sender-Antenne ist 20 cm im Durchmesser und die Empfänger-Antenne ist 10 cm im Durchmesser. Mit diesen Antennen-Größen erlauben wir 5 cm Luftspalt zwischen den Antennen und bis zu 5 cm seitlicher Versatz von einer konzentrischen Position (also 10 cm seitlicher Bereich).

Im Gegensatz zu anderen drahtlosen Stromversorgungssystemen und aufgrund unserer AIM-Technologie liefern wir die volle Leistung an die Batterie bei jedem Punkt innerhalb dieses Bereichs. Die Reichweite kann durch Erhöhung des Durchmessers der Antennen erhöht werden. Da unsere Antennen relativ einfache PCBAs (die auch sehr dünn und leicht sind) sind, können wir sie relativ kostengünstig für Kunden modifizieren und produzieren, die eine andere Größe bevorzugen.

Können mehrere Roboter die gleiche Lade-Station verwenden? 

Absolut! Nur ein Roboter kann gleichzeitig an einer drahtlosen Lade-Station laden, aber ganze Flotten von unterschiedlichen Robotern können die gleiche Lade-Station (oder einen Satz von Lade-Stationen) teilen. Dies ist möglich, weil die Sender-Station, im Gegensatz zu den meisten kontaktbasierten Ladegeräten, nicht eine bestimmte Spannung und Stromstärke sendet. Stattdessen sendet sie drahtlose Energie bei einer bestimmten Frequenz. Unser Onboard-Ladegerät, das auf dem Roboter installiert ist, wandelt dann diese drahtlose Energie in die spezifische Spannung und Stromstärke um, die für das Fahrzeug erforderlich ist.

Wir unterstützen Batterien von 0-60 V und Stromstärken von 0-30 A mit unserer aktuellen Produktlinie.

Könnten Sie einige der Leistungs-Optimierungs-Software diskutieren, die derzeit angeboten wird? 

Unsere drahtlose Stromversorgung-Hardware wird mit einer webbasierten Benutzeroberfläche geliefert, die es Kunden ermöglicht, das System für eine breite Palette von Parametern zu konfigurieren. Zum Beispiel können Benutzer wählen, die Batterie auf das typische “100% Ladestand”-Niveau für eine bestimmte Batterie aufzuladen. Aber wenn sie dies jedes Mal tun, erhalten sie möglicherweise nicht so viele Ladezyklen aus der Batterie. Wenn also 100% Ladestand nicht erforderlich ist, kann das maximale Spannungslevel nach unten angepasst werden, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Ähnlich verhält es sich, wenn die Batterie immer mit dem maximalen Strom (Ampere) aufgeladen wird, wird ihre Lebensdauer verkürzt. Mit unserer Benutzeroberfläche und APIs können Benutzer tatsächlich die Ladung proaktiv planen, so dass sie so schnell wie möglich aufladen, wenn der Roboter wieder in Betrieb genommen werden muss, oder langsamer, wenn sie wissen, dass sie mehr Zeit haben (z. B. über Nacht). Diese Konfigurations- und Batterie-Optimierungs-Features sind mit unserer Standard-Benutzeroberfläche und durch die Verwendung unserer APIs verfügbar.

Wir bieten auch ein neues Software-Produkt an, das es Benutzern ermöglicht, Lade-Informationen von einer gesamten Flotte von WiBotic-Sendern und Empfängern zu kartieren und zu aggregieren. Dies ermöglicht es Robotern, zu wissen, wann und wo Lade-Stationen verfügbar sind, um ihre Betriebszeit zu maximieren. Es ermöglicht auch detaillierte Berichte über die Ladeleistung von Batterien im Laufe der Zeit, um Batterieprobleme zu identifizieren und die Leistungsabgabe über die gesamte Flotte zu optimieren. Diese Funktionen werden besonders nützlich, wenn der Endnutzer in der Lage ist, Gelegenheits-Ladungsschemata umzusetzen, bei denen Roboter mehrmals pro Tag für kürzere Zeiträume aufgeladen werden, anstatt den Betrieb für mehrere Stunden am Tag für die Ladung zu unterbrechen.

Das Anbieten von drahtloser Stromversorgung für autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) scheint extrem herausfordernd, könnten Sie dies diskutieren? 

Ja, es gibt definitiv viele Herausforderungen bei Unterwasser-Anwendungen. Von einem Leistungsübertragungsgesichtspunkt aus beträgt die Dämpfung der Leistungsübertragung durch etwa zwei Zentimeter Salzwasser etwa 50%, so dass es länger dauert, die gleiche Batterie-Größe unter Wasser aufzuladen als in der Luft.

Die Antennen-Reichweite ist auch eingeschränkter aus demselben Grund, was bedeutet, dass das UAV eine sehr gute Navigation benötigt, um erfolgreich an der Lade-Station anzudocken und die Antennen auszurichten. Dies wird normalerweise durch eine Art physisches Ausrichtungs-Device unterstützt, das das UAV in die Lade-Station leitet und hilft, die Antennen auszurichten.

Der Vorteil der drahtlosen Stromversorgung unter Wasser ist jedoch, dass die Antennen vollständig abgedichtet werden können. WiBotic-Systeme sind derzeit am MBARI MARS-Forschungsstandort vor der Küste von Monterey, CA, in einer Tiefe von fast 3000 Fuß im Einsatz. In diesem Fall sind die Sender- und Empfänger-Elektronik in 1-atm-Druckflaschen untergebracht, aber Elektronik kann auch für ölfüllte Gehäuse konzipiert werden, um noch größere Tiefen zu bewältigen.

WiBotic arbeitet weiterhin mit dem DoD, verschiedenen Universitäten, Non-Profit-Organisationen und kommerziellen Partnern zusammen, um den Einsatz unserer Systeme unter Wasser auszubauen, aber es ist definitiv eine herausfordernde Umgebung!

WiBotic hat kürzlich Gerätezulassung von der Federal Communications Commission (FCC) für seine Hochleistungs-Sender und Empfänger erhalten. Diese Produkte sind die ersten Systeme – mit bis zu 300 Watt –, die die FCC-Zulassung für den Einsatz in mobilen Robotern, Drohnen und anderen industriellen Geräten erhalten haben. Warum ist dies wichtig und was bedeutet dies für die Zukunft der Robotik und Drohnen?  

Da die Robotik-Industrie weiter wächst, stehen Roboter-OEMs und Roboter-Endnutzer vor einer zunehmenden Regulierung und strengeren Sicherheitsanforderungen. Es ist wichtig für unsere Kunden zu wissen, dass WiBotic-Produkte als Komponente in ihren größeren Robotik-Lösungen diese regulatorischen Anforderungen erfüllen werden. Kurz gesagt, ermöglicht es Roboter- und Drohnen-Herstellern, sich auf zusätzliche Funktionen und Funktionalitäten für Endnutzer zu konzentrieren, anstatt sich mit Zertifizierungsfragen auseinanderzusetzen. Dies ermöglicht es ihnen, größere Flotten schneller einzusetzen, als es sonst möglich wäre.

Gibt es noch etwas, das Sie über Wibotic teilen möchten? 

Da die meisten Menschen an die physischen Antennen und Schaltungen denken, wenn sie an drahtlose Stromversorgung denken, wird die enorme Menge an Arbeit, die wir in unsere Software und Firmware investiert haben, oft übersehen. In vielen Bereichen ist es die fortschrittliche Firmware, die wir entwickelt haben, die es unserer Hardware ermöglicht, bei so nützlichen Reichweiten und Leistungsstufen zu arbeiten.

Wir setzen unsere Bemühungen fort, um unsere Flotten-Leistungs-Optimierungs-Software-Funktionen zu erweitern, um eine noch bessere Analyse und Benchmarking der Verwendung von Leistung und Haltbarkeit von Batterien in einer breiten Palette von Roboter-Anwendungen zu ermöglichen.

Vielen Dank für das großartige Interview, Leser, die mehr erfahren möchten, sollten WiBotic Inc besuchen oder lesen, wie WiBotic die erste FCC-Zulassung für Hochleistungs-Wireless-Laden von Robotern und Drohnen erhalten hat.