Modeling and Control of a novel Variable Stiffness three DoF Wrist

要約

この論文では、人や物体との相互作用時のタスクへの適応性と安全性を向上させる、可変剛性 3 DoF で作動する手首の新しい設計を紹介します。
提案された設計は、ハイブリッド直並列構成を採用して、たった 4 つのモーターを使用する冗長弾性作動システムのおかげで、全体の剛性をアクティブかつ連続的に変化させることができる 3 自由度の手首関節を実現します。
その剛性制御原理は人間の筋肉インピーダンス制御に似ており、剛性楕円体の形状は主に姿勢に依存し、弾性共収縮によって全体のサイズが調整されます。
採用された機械的構成により、擬人化された特性により義足や人型ロボットに適した小型軽量のデバイスが実現します。
この研究では、デバイスの設計コンセプトを紹介した後、関節角度の測定を使用して手首の姿勢を推定し、その剛性を調整する方法を提供します。
その後、この文書では、提示された設計の最初の物理的な実装について説明し、機械的プロトタイプと電子ハードウェア、制御アーキテクチャ、および関連するファームウェアを詳しく説明します。
報告された実験結果は、いくつかの制限を強調しながら、提案されたデバイスの可能性を示しています。
結論として、いくつかの定性実験を使用してデバイスの動きと剛性の挙動を示します。

要約(オリジナル)

This paper presents a novel design for a Variable Stiffness 3 DoF actuated wrist to improve task adaptability and safety during interactions with people and objects. The proposed design employs a hybrid serial-parallel configuration to achieve a 3 DoF wrist joint which can actively and continuously vary its overall stiffness thanks to the redundant elastic actuation system, using only four motors. Its stiffness control principle is similar to human muscular impedance regulation, with the shape of the stiffness ellipsoid mostly depending on posture, while the elastic cocontraction modulates its overall size. The employed mechanical configuration achieves a compact and lightweight device that, thanks to its anthropomorphous characteristics, could be suitable for prostheses and humanoid robots. After introducing the design concept of the device, this work provides methods to estimate the posture of the wrist by using joint angle measurements and to modulate its stiffness. Thereafter, this paper describes the first physical implementation of the presented design, detailing the mechanical prototype and electronic hardware, the control architecture, and the associated firmware. The reported experimental results show the potential of the proposed device while highlighting some limitations. To conclude, we show the motion and stiffness behavior of the device with some qualitative experiments.

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