Matt Carlson, VP de Desenvolvimento de Negócios da WiBotic – Série de Entrevistas

Matt Carlson é o Vice-Presidente de Desenvolvimento de Negócios da WiBotic Inc, uma empresa que fornece soluções de energia sem fio confiáveis para carregar sistemas de robôs aéreos, móveis e aquáticos.

Por que as soluções de carregamento sem fio são tão importantes para o futuro da robótica?  

Os robôs precisam da capacidade de carregar autonomamente para a maioria das aplicações.  Simplesmente não é econômico contratar uma equipe de trabalhadores para gerenciar a carga de bateria ou a troca de bateria.  No entanto, a maioria do carregamento autônomo hoje é feita usando estações de carregamento que requerem o acoplamento físico de contatos elétricos.

Isso exige uma navegação muito precisa para a estação de carregamento, o que é difícil de programar e não é sempre confiável.  Falhar em alinhar corretamente os contatos pode significar um ciclo de carregamento perdido e tempo de inatividade do robô.  As estações de contatos baseadas também desgastam com o tempo, ou os contatos podem ficar sujos ou corroídos – novamente resultando em carregamento inconsistente. Finalmente, os fabricantes de robôs usam uma ampla gama de tipos de contatos elétricos, tornando quase impossível ter uma única estação de carregamento que possa carregar qualquer robô.

Os sistemas sem fio não têm nenhum desses problemas.  Os sistemas WiBotic oferecem vários centímetros de tolerância de alinhamento, então não é necessário ter uma pilha de navegação extremamente precisa. Como as antenas podem ser totalmente seladas contra os elementos e não fazem contato físico umas com as outras, os sistemas sem fio também são altamente confiáveis e podem lidar com um número ilimitado de ciclos de carregamento.  Finalmente, à medida que o uso de robôs cresce, a maioria das empresas empregará mais de um tipo de robô.  Em vez de ter uma parede ou sala dedicada a muitas diferentes estações de carregamento, uma única estação de carregamento sem fio pode recarregar qualquer robô que seja retrofitado com uma antena receptora simples, economizando dinheiro e espaço.

A foco inicial da WiBotic era em dispositivos médicos, qual foi o motivo para mudar para robôs, drones e Veículos Subaquáticos Autônomos (AUVs)?

Os dois fundadores da WiBotic, Ben Waters e Josh Smith, de fato se concentraram em energia sem fio para dispositivos médicos durante grande parte de sua pesquisa na Universidade de Washington.  Sua tecnologia aumentou a faixa e a confiabilidade da energia sem fio, que eram ambos críticos para o mercado médico.  No entanto, quando Ben recebeu seu PhD e fundou a WiBotic, a empresa imediatamente se concentrou em robótica como seu mercado principal.   Isso foi baseado na demanda da indústria de robótica.

Os fabricantes de robôs e drones e os usuários finais reconheceram os benefícios da tecnologia WiBotic em termos de nível de potência e faixa quando comparados com outros sistemas sem fio.  Eles também estavam começando a lutar com a implantação de carregadores baseados em contatos para grandes frotas de robôs e estavam procurando soluções mais confiáveis.

Para o mercado de drones, o carregamento baseado em contatos é um não-início na maioria dos casos, pois os drones operam ao ar livre (em grande parte) onde a água se torna um problema com qualquer contato elétrico físico.  E, claro, as aplicações subaquáticas também se beneficiam da natureza totalmente selada da energia sem fio.

Quais são as tecnologias de transferência de energia sendo usadas? 

A WiBotic usa elementos de indução elétrica e ressonância magnética para transferência de energia.  Esses dois métodos são relativamente bem comprovados em uma ampla faixa de níveis de potência. O que distingue a WiBotic é nossa capacidade de gerenciar a conexão (tecnicamente a impedância) entre antenas em tempo real.   Chamamos isso de Emparelhamento de Impedância Adaptativa.

Um dos maiores desafios com a energia sem fio, especialmente para robótica, é que o ambiente elétrico está constantemente mudando.  Se o robô se acopla em uma posição ligeiramente diferente, se seus componentes eletrônicos internos se ligam e desligam durante o carregamento, e à medida que a bateria em si é carregada, a impedância entre os lados de transmissão e recepção do sistema muda.  Isso pode afetar dramaticamente a eficiência e a faixa.   Nossa tecnologia AIM monitora constantemente as mudanças na impedância para que possamos manter a eficiência e os níveis de potência, mesmo que todos esses outros elementos no sistema estejam mudando.

Poderia discutir a eficiência das unidades, como quanto de energia é perdida durante a transmissão de energia? 

Para os sistemas WiBotic de 250-300 Watts, temos um nível de eficiência de ponta a ponta de entre 70% e 80%.  Isso representa a eficiência total do sistema desde a entrada do transmissor até a saída para a bateria.  A parte da antena para antena daquela equação é de cerca de 95% eficiente, mas há perdas no circuito do transmissor e também no circuito de carregamento da bateria.   Essa última parte é importante notar, pois mesmo um carregador de bateria “plug-in” muito bem projetado é normalmente apenas cerca de 90-95% eficiente.

Usar um sistema sem fio como o nosso resulta em cerca de 10% menos eficiência do que o status quo do carregamento baseado em contatos.

Quais são as restrições de distância com quão perto a unidade robótica precisa estar da fonte de energia? 

Isso depende do tamanho das antenas usadas.  Nossa antena transmissora padrão tem 20cm de diâmetro e a antena receptora tem 10cm de diâmetro. Com esses tamanhos de antena, permitimos 5cm de espaço de ar entre as antenas e até 5cm de offset lateral a partir de uma posição concêntrica (então 10 cm totais de offset lateral).

Ao contrário de outros sistemas de energia sem fio, e devido à nossa tecnologia AIM, entregamos energia total para a bateria em qualquer ponto dentro dessa faixa.   As faixas podem ser aumentadas aumentando o diâmetro das antenas.  Como nossas antenas são relativamente simples PCBAs (que também são muito finas e leves) podemos modificar e produzir versões personalizadas delas relativamente barato para os clientes que preferem um tamanho diferente.

É possível que vários robôs usem a mesma estação de carregamento? 

Absolutamente!  Apenas um robô pode carregar em uma estação de carregamento sem fio por vez, mas frotas inteiras de robôs diversificados podem compartilhar a mesma estação de carregamento (ou conjunto de estações de carregamento). Isso é possível porque, ao contrário da maioria dos carregadores baseados em contatos, a estação transmissora não está enviando um nível de tensão e corrente específico. Em vez disso, está enviando energia sem fio em uma frequência designada. Nosso Carregador a Bordo, instalado no robô, então converte essa energia sem fio na tensão e corrente específicas necessárias por esse veículo.

Apoyamos baterias de 0-60V e níveis de corrente de 0-30A com nossa linha de produtos atual.

Poderia discutir algum dos softwares de otimização de energia que estão sendo oferecidos? 

Nosso hardware de energia sem fio é enviado com uma interface de usuário baseada na web que permite aos clientes configurar o sistema para uma ampla gama de parâmetros.  Por exemplo, os usuários podem escolher carregar para o nível de “carga de 100%” típico para uma bateria específica. Mas se fizerem isso todas as vezes, eles podem não obter tantos ciclos de carga da bateria.   Se a carga de 100% não for necessária, o nível de tensão máximo pode ser ajustado para baixo para estender a vida útil da bateria.

Da mesma forma, se a bateria for carregada com a corrente máxima (amperes) todas as vezes, sua vida útil será reduzida. Usando nossa interface de usuário e APIs, os usuários podem realmente programar o carregamento de forma proativa, de modo que carreguem o mais rápido possível quando o robô precisar voltar ao serviço, ou mais lentamente quando souberem que têm mais tempo (à noite, por exemplo).   Essas funcionalidades de configurabilidade e otimização de bateria estão disponíveis com nossa interface de usuário padrão e usando nossas APIs.

Também oferecemos um novo produto de software que permite aos usuários mapear e, em seguida, agregar informações de carregamento de todas as transmissoras e receptoras WiBotic.  Isso permite que os robôs saibam quando e onde as estações de carregamento estão disponíveis para ajudá-los a maximizar o tempo de atividade.   Isso também permite relatórios detalhados sobre o desempenho de carregamento das baterias ao longo do tempo, ajudando a identificar problemas de bateria e a otimizar a entrega de energia em toda a frota.  Essas funcionalidades se tornam particularmente úteis se o usuário final puder implementar esquemas de carregamento de oportunidade, onde os robôs carregam muitas vezes ao dia por períodos mais curtos de tempo, em vez de sair do serviço por várias horas de cada vez para carregar.

Oferecer energia sem fio para Veículos Subaquáticos Autônomos (AUVs) parece ser extremamente desafiador, poderia discutir isso? 

Sim, há definitivamente muitos desafios com as aplicações subaquáticas.   Do ponto de vista da transferência de energia, alguns centímetros de água salgada atenuarão a transferência de energia em cerca de 50%, então levará mais tempo para carregar as mesmas baterias subaquáticas do que no ar.

A faixa da antena também é mais restrita por esse motivo, o que significa que o AUV deve ter uma navegação muito boa para encontrar e se acoplar com sucesso na estação de carregamento.  Isso é normalmente auxiliado por algum tipo de dispositivo de alinhamento físico que direciona o AUV para a estação de carregamento e ajuda a alinhar as antenas.

O benefício da energia sem fio subaquática, no entanto, é que as antenas podem ser totalmente seladas.  Os sistemas WiBotic estão atualmente operando na estação de pesquisa MARS da MBARI, ao largo da costa de Monterey, CA, a uma profundidade de quase 3000 pés.  Nesse caso, os componentes eletrônicos transmissor e receptor estão alojados em garrafas de pressão de 1 atm, mas os componentes eletrônicos também podem ser projetados para invólucros cheios de óleo para suportar profundidades ainda maiores.

WiBotic continua a trabalhar com o DoD, várias universidades, organizações sem fins lucrativos e parceiros comerciais para expandir o uso de nossos sistemas subaquáticos, mas é definitivamente um ambiente desafiador!

A WiBotic anunciou recentemente autorização de equipamento da Comissão Federal de Comunicações (FCC) para seus transmissores e receptores de alta potência. Esses produtos são os primeiros sistemas – operando em até 300 Watts – a receber a aprovação da FCC para uso em robôs móveis, drones e outros dispositivos industriais.  Por que isso é importante e o que isso significa para o futuro da robótica e dos drones?  

À medida que a indústria de robótica continua a crescer, os fabricantes de robôs e os usuários finais estão enfrentando um nível crescente de regulamentação e requisitos de segurança mais rigorosos.  É importante para nossos clientes saber que os produtos WiBotic, como um componente dentro de suas soluções robóticas mais amplas, atenderão a esses requisitos regulatórios.   Em resumo, isso permite que os fabricantes de robôs e drones se concentrem em recursos e funcionalidades adicionais para os usuários finais, em vez de lidar com questões de certificação.  Isso permitirá que eles implantem frotas maiores mais rapidamente do que seria possível de outra forma.

Há algo mais que você gostaria de compartilhar sobre a WiBotic? 

Porque a maioria das pessoas pensa nas antenas físicas e placas de circuito quando pensam em energia sem fio, a enorme quantidade de trabalho que colocamos em nosso software e firmware é frequentemente ignorada. Em muitos aspectos, é o firmware avançado que desenvolvemos que permite que nosso hardware atue em faixas e níveis de potência tão úteis.

Estamos continuando a adicionar às nossas capacidades de software de otimização de energia da frota para permitir uma análise e benchmarking ainda maior do uso de energia e durabilidade das baterias em uma ampla gama de aplicações robóticas.

Obrigado pela grande entrevista, leitores que desejam aprender mais devem visitar o site da WiBotic Inc, ou ler sobre como a WiBotic recebeu a primeira aprovação da FCC para carregamento sem fio de alta potência de robôs e drones.