Johnsen-Rahbek Capstan Clutch: A High Torque Electrostatic Clutch

要約

多くのロボット システムでは、保持状態により電力が消費され、動作時間が制限され、運用コストが増加します。
静電クラッチは、低消費電力で保持トルクを生成することでロボットの性能を向上させる可能性があります。
静電クラッチの主な制限は、保持トルク、つまり多くの用途で必要とされる高い比せん断応力を生成する能力が限られていることです。
ここでは、ジョンセン・ラーベック (JR) 効果と指数張力スケーリングのキャプスタン効果を組み合わせることで、文献の中で最も高い比せん断応力を備えたクラッチをどのように生成できるかを示します。
私たちのシステムは、500 V でわずか 2.5 mW/cm^2 を消費しながら、31.3 N/cm^2 のせん断応力と 7.1 Nm の合計保持トルクを生成しました。静電接着キャプスタン クラッチの理論モデルを実証し、角度 (θ) がどれほど大きいかを実証します。
> 2 pi) 設計は、平面または小角度 (θ < pi) クラッチ設計よりも効率が向上します。 また、JR 効果を示す最初の非充填ポリマー材料であるポリベンズイミダゾール (PBI) についても報告します。

要約(オリジナル)

In many robotic systems, the holding state consumes power, limits operating time, and increases operating costs. Electrostatic clutches have the potential to improve robotic performance by generating holding torques with low power consumption. The key limitation of electrostatic clutches has been their limited ability to generate the holding torques, or high specific shear stresses needed in many applications. Here we show how combining the Johnsen-Rahbek (JR) effect with the exponential tension scaling capstan effect can produce clutches with the highest specific shear stress in the literature. Our system generated 31.3 N/cm^2 sheer stress and a total holding torque of 7.1 Nm while consuming only 2.5 mW/cm^2 at 500 V. We demonstrate a theoretical model of an electrostatic adhesive capstan clutch and demonstrate how large angle (theta > 2 pi) designs increase efficiency over planar or small angle (theta < pi) clutch designs. We also report the first unfilled polymeric material, polybenzimidazole (PBI), to exhibit the JR-effect.

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