Design Considerations and Robustness to Parameter Uncertainty in Wire-Wrapped Cam Mechanisms

要約

協働ロボットは、人間のオペレーターのすぐ近くで動作するのに十分な安全性を備えていると同時に、重機を持ち上げるなどの産業作業でユーザーを支援するのに十分な強力性を備えていなければなりません。
安全性の要件により、協働ロボットは低電力のアクチュエータを使用して設計される必要があります。
ただし、一部の産業作業では、ロボットに高い積載能力や長い到達距離が必要な場合があります。
協働ロボットの設計を成功させるには、これらの相反する設計要件に対処する方法を見つけなければなりません。
このトレードオフを回避するための有望な戦略の 1 つは、静的バランス機構を使用してロボットの自重を相殺することで、これにより低出力のアクチュエータを選択できるようになります。
この論文では、バネ仕掛けのワイヤ巻きカムをベースとした新しい 2 自由度の静的バランス機構を紹介します。
また、カムが凸面を維持し、ばねが伸び限界未満に留まり、公称ばね定数からのモデル化されていない偏差に対する感度を最小限に抑える、最適化ベースのカム設計方法も紹介します。
さらに、ワイヤーとカムの間の摩擦の影響のモデルを紹介します。
最後に、カム機構によって生成されるトルクが、モデル化アプローチで予測されたトルクと一致することを実験的に示します。
私たちの結果は、非円形カムではワイヤーとカムの摩擦の影響が大きいことも示唆しています。

要約(オリジナル)

Collaborative robots must simultaneously be safe enough to operate in close proximity to human operators and powerful enough to assist users in industrial tasks such as lifting heavy equipment. The requirement for safety necessitates that collaborative robots are designed with low-powered actuators. However, some industrial tasks may require the robot to have high payload capacity and/or long reach. For collaborative robot designs to be successful, they must find ways of addressing these conflicting design requirements. One promising strategy for navigating this tradeoff is through the use of static balancing mechanisms to offset the robot’s self weight, thus enabling the selection of lower-powered actuators. In this paper, we introduce a novel, 2 degree of freedom static balancing mechanism based on spring-loaded, wire-wrapped cams. We also present an optimization-based cam design method that guarantees the cams stay convex, ensures the springs stay below their extensions limits, and minimizes sensitivity to unmodeled deviations from the nominal spring constant. Additionally, we present a model of the effect of friction between the wire and the cam. Lastly, we show experimentally that the torque generated by the cam mechanism matches the torque predicted in our modeling approach. Our results also suggest that the effects of wire-cam friction are significant for non-circular cams.

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