Enhancing the Performance of a Biomimetic Robotic Elbow-and-Forearm System Through Bionics-Inspired Optimization

要約

この論文では、人間の骨格と靱帯システムの複雑な生体力学を反映した、革新的なロボットの前腕と肘の設計の定式化と検証について概説します。
従来のロボット モデルでは、軟組織の実質的な機能が過小評価されていることが多く、コンパクトさ、安全性、安定性、可動範囲の間で妥協が生じています。
対照的に、この研究は、骨、軟骨、靱帯、腱を含む生物学的関節の全体的な複製を提案し、最終的には生体模倣ロボットに到達します。
この研究は、三骨の骨格と多様な軟組織に起因する人間の前腕のコンパクトで安定した構造を強調しています。
この方法論には、人体構造の徹底的な検査が含まれており、その後、プロトタイプの安定性に対する軟組織の寄与についての理論的調査が行われます。
評価結果では、ロボットの関節の可動範囲と人間の関節の可動範囲が顕著に類似していることが明らかになりました。
ロボット肘は、生物学的肘の可動範囲の 98.8% をエミュレートし、11.25 Nm (伸長) および 24 Nm (屈曲) の高いトルク容量を備えています。
同様に、ロボットの前腕は人間の前腕の回転範囲の 58.6% を達成し、14 Nm (回内) と 7.8 Nm (回外) の実質的な出力トルクを生成します。
さらに、プロトタイプは顕著な耐荷重能力を示し、5kg のダンベル荷重に大きな変位を伴うことなく耐えることができました。
4kgを超える耐荷重と、2kgのダンベルを0.74Hzの速度で持ち上げたり、エンドエフェクタの速度3.2m/sでピンポン球を打つなどの素早いアクション能力を発揮します。
この研究は、詳細な解剖学的研究が既存のロボット設計の障害に対処し、パフォーマンスと擬人化の類似性を最適化し、伝統的な解剖学的原理を再確認できることを強調しています。

要約(オリジナル)

This paper delineates the formulation and verification of an innovative robotic forearm and elbow design, mirroring the intricate biomechanics of human skeletal and ligament systems. Conventional robotic models often undervalue the substantial function of soft tissues, leading to a compromise between compactness, safety, stability, and range of motion. In contrast, this study proposes a holistic replication of biological joints, encompassing bones, cartilage, ligaments, and tendons, culminating in a biomimetic robot. The research underscores the compact and stable structure of the human forearm, attributable to a tri-bone framework and diverse soft tissues. The methodology involves exhaustive examinations of human anatomy, succeeded by a theoretical exploration of the contribution of soft tissues to the stability of the prototype. The evaluation results unveil remarkable parallels between the range of motion of the robotic joints and their human counterparts. The robotic elbow emulates 98.8% of the biological elbow’s range of motion, with high torque capacities of 11.25 Nm (extension) and 24 Nm (flexion). Similarly, the robotic forearm achieves 58.6% of the human forearm’s rotational range, generating substantial output torques of 14 Nm (pronation) and 7.8 Nm (supination). Moreover, the prototype exhibits significant load-bearing abilities, resisting a 5kg dumbbell load without substantial displacement. It demonstrates a payload capacity exceeding 4kg and rapid action capabilities, such as lifting a 2kg dumbbell at a speed of 0.74Hz and striking a ping-pong ball at an end-effector speed of 3.2 m/s. This research underscores that a detailed anatomical study can address existing robotic design obstacles, optimize performance and anthropomorphic resemblance, and reaffirm traditional anatomical principles.

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