Leveraging Natural Load Dynamics with Variable Gear-ratio Actuators

要約

この論文では、アクチュエータのギア比を動的に変更して自然な負荷ダイナミクスを活用または減衰するロボット システムについて説明します。
この原理に基づいて、軽量のロボット システムを高速かつ強力に作成できます。
自然な負荷力学を利用して高速で移動する（小さい減速比）と同時に、負荷力学を減衰させることで大きな負荷に耐えることもできます（減速比が大きい）。
任意の動的状態および予想される不確実性レベルに対する総アクチュエータトルクを最小化する最適なギア比を自動的に選択するモデルベースの制御アルゴリズムが提案されています。
また、2 つの個別のギア比を持つカスタム アクチュエータを使用した新しい 3-DoF ロボット アームも紹介されています。
動的にギアをシフトする利点は、実験とシミュレーションを通じて実証されています。
結果は、提案された制御アルゴリズムを使用してギア比を積極的に変更すると、必要なアクチュエータのトルクと出力が桁違いに減少し、外乱に対するロバスト性も向上する可能性があることを示しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a robotic system where the gear-ratio of an actuator is dynamically changed to either leverage or attenuate the natural load dynamics. Based on this principle, lightweight robotic systems can be made fast and strong; exploiting the natural load dynamics for moving at higher speeds (small reduction ratio), while also able to bear a large load through the attenuation of the load dynamics (large reduction ratio). A model-based control algorithm to automatically select the optimal gear-ratios that minimize the total actuator torques for an arbitrary dynamic state and expected uncertainty level is proposed. Also, a novel 3-DoF robot arm using custom actuators with two discrete gear-ratios is presented. The advantages of gear-shifting dynamically are demonstrated through experiments and simulations. Results show that actively changing the gear-ratio using the proposed control algorithms can lead to an order-of-magnitude reduction of necessary actuator torque and power, and also increase robustness to disturbances.

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