Low Voltage Electrohydraulic Actuators for Untethered Robotics

要約

剛性の高いロボットは、反復的なタスクでは正確に行うことができますが、構造化されていない環境では困難を伴います。
このような環境における自然の多用途性は、研究者に、追従性と収縮性の人工筋肉を組み込んだ生体模倣ロボットの開発を促すものです。
最近提案された人工筋肉技術の中でも、速度と出力密度の点で哺乳類の筋肉に匹敵する性能を発揮する電気油圧アクチュエータが有望です。
ただし、高い駆動電圧が必要であり、電極が露出しているため安全性が懸念されます。
これらの高電圧は、かさばる、または非効率的な駆動電子機器をもたらし、そのため、自由度の高い、自由度の高い生体からインスピレーションを得た、繋がれないロボットの実現が困難になります。
ここでは、わずか 1100 V の駆動電圧で、平均出力密度 (50.5 W kg-1) とピークひずみ率 (971 % s-1) において哺乳類の骨格筋に匹敵する、油圧増幅型低電圧静電 (HALVE) アクチュエータを紹介します。
駆動電圧は約1.5Vです。
常誘電体を使用した他の電気油圧アクチュエータと比較して 5 ～ 7 倍低い。
さらに、HALVE アクチュエータは触れても安全で、防水性があり、自己浄化機能があるため、ウェアラブルやロボットへの実装が容易になります。
当社は、アクチュエータの主要な性能指標を特性評価、モデル化、物理的に検証し、その性能を最先端の電気油圧設計と比較します。
最後に、2 つの筋肉ベースの電気油圧ロボット (繋がれていないソフト ロボット スイマーとロボット グリッパー) でのアクチュエータの有用性を実証します。
私たちは、HALVE アクチュエーターが、生体模倣の手、顔、外骨格などの多くの独立した人工筋肉を備えた将来の高度に生体模倣のアンテザード ロボットやウェアラブルの重要な構成要素になる可能性があると予測しています。

要約(オリジナル)

Rigid robots can be precise in repetitive tasks, but struggle in unstructured environments. Nature’s versatility in such environments inspires researchers to develop biomimetic robots that incorporate compliant and contracting artificial muscles. Among the recently proposed artificial muscle technologies, electrohydraulic actuators are promising since they offer performance comparable to that of mammalian muscles in terms of speed and power density. However, they require high driving voltages and have safety concerns due to exposed electrodes. These high voltages lead to either bulky or inefficient driving electronics that make untethered, high-degree-of-freedom bio-inspired robots difficult to realize. Here, we present hydraulically amplified low voltage electrostatic (HALVE) actuators that match mammalian skeletal muscles in average power density (50.5 W kg-1) and peak strain rate (971 % s-1) at a driving voltage of just 1100 V. This driving voltage is approx. 5-7 times lower compared to other electrohydraulic actuators using paraelectric dielectrics. Furthermore, HALVE actuators are safe to touch, waterproof, and self-clearing, which makes them easy to implement in wearables and robotics. We characterize, model, and physically validate key performance metrics of the actuator and compare its performance to state-of-the-art electrohydraulic designs. Finally, we demonstrate the utility of our actuators on two muscle-based electrohydraulic robots: an untethered soft robotic swimmer and a robotic gripper. We foresee that HALVE actuators can become a key building block for future highly-biomimetic untethered robots and wearables with many independent artificial muscles such as biomimetic hands, faces, or exoskeletons.

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