Optimally Controlling the Timing of Energy Transfer in Elastic Joints: Experimental Validation of the Bi-Stiffness Actuation Concept

要約

弾性作動は、弾性要素のエネルギー貯蔵を利用して、剛体作動を超えたダイナミックな動きを実現します。
シリーズ弾性アクチュエータ (SEA) と可変剛性アクチュエータ (VSA) は非常に洗練されていますが、エネルギー伝達のタイミングを完全には制御できません。
この問題を基本システム レベルで克服するために、Bi-Stiffness Actuation (BSA) コンセプトが最近提案されました。
理論的には、完全なリンクの切り離しが可能であると同時に、スイッチアンドホールド機構を介してドライブトレイン内のスプリングをロックすることができます。
したがって、ユーザーは位置エネルギーの蓄積と放出のタイミングを完全に制御できます。
この研究では、モジュール式テストベッドを使用して実装された 1-DoF 物理プロトタイプの形式で、Bi-Stiffness-Actuation の最初の概念実証を紹介します。
ハイブリッド システム モデルとアクチュエータのメカトロニクス実装を紹介します。
軌道最適化によって得られた開ループ制御信号を使用して一連のハードウェア実験を実行することにより、この概念の実現可能性を確認します。
ここでは、プロトタイプのパフォーマンスを同等の SEA 実装と比較します。
我々は、BSA が 1) 低い最終時間での最大速度の点で、また 2) 移動戦略自体の点で SEA よりも優れていることを示します。SEA が長くて危険な可能性のあるロケットに依存しなければならない一方で、クラッチ機構により BSA は一貫した発射シーケンスを生成できます。
振動的なスイングアップの動き。
さらに、エネルギー伝達のタイミングとリンクのデカップリングに対する完全な制御権限を提供することで、ユーザーが弾性ジョイントと重力エネルギーの両方を同期して解放できることを実証します。
これにより、弾性ポテンシャルと重力ポテンシャルを相乗的に最適に活用することが容易になります。

要約(オリジナル)

Elastic actuation taps into elastic elements’ energy storage for dynamic motions beyond rigid actuation. While Series Elastic Actuators (SEA) and Variable Stiffness Actuators (VSA) are highly sophisticated, they do not fully provide control over energy transfer timing. To overcome this problem on the basic system level, the Bi-Stiffness Actuation (BSA) concept was recently proposed. Theoretically, it allows for full link decoupling, while simultaneously being able to lock the spring in the drive train via a switch-and-hold mechanism. Thus, the user would be in full control of the potential energy storage and release timing. In this work, we introduce an initial proof-of-concept of Bi-Stiffness-Actuation in the form of a 1-DoF physical prototype, which is implemented using a modular testbed. We present a hybrid system model, as well as the mechatronic implementation of the actuator. We corroborate the feasibility of the concept by conducting a series of hardware experiments using an open-loop control signal obtained by trajectory optimization. Here, we compare the performance of the prototype with a comparable SEA implementation. We show that BSA outperforms SEA 1) in terms of maximum velocity at low final times and 2) in terms of the movement strategy itself: The clutch mechanism allows the BSA to generate consistent launch sequences while the SEA has to rely on lengthy and possibly dangerous oscillatory swing-up motions. Furthermore, we demonstrate that providing full control authority over the energy transfer timing and link decoupling allows the user to synchronously release both elastic joint and gravitational energy. This facilitates the optimal exploitation of elastic and gravitational potentials in a synergistic manner.

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