Design and Control of a Compact Series Elastic Actuator Module for Robots in MRI Scanners

要約

この研究では、MRI スキャナ内で動作する力制御ロボット用の速度源超音波モーターを利用した、新しい MRI 互換回転シリーズ弾性アクチュエータ モジュールを紹介します。
以前の MRI 互換 SEA 設計とは異なり、当社のモジュールには、ギアボックス ハウジングとモーター ハウジングの間に戦略的に配置された 4 つの既製の圧縮バネを備えた伝達力感知シリーズ弾性アクチュエーター構造が組み込まれています。
この設計はコンパクトなサイズを特徴とするため、より幅広い MRI ロボット アプリケーションの可能性が広がります。
正確なトルク制御を実現するために、速度源のモーターに合わせた外乱オブザーバーを組み込んだコントローラーを開発しました。
このコントローラーは、外部インピーダンスが変化する場合でも、アクチュエーター モジュールのトルク制御の堅牢性を強化し、MRI ガイド下の医療介入への適合性を高めます。
実験による検証では、3 テスラ MRI 環境と非 MRI 環境の両方でアクチュエータのトルク制御性能が実証され、0.1 秒の整定時間と最大出力トルクの 2% 以内の定常状態誤差を達成しました。
特に、当社の力コントローラは、外部インピーダンスが低いシナリオでも高い外部インピーダンスのシナリオでも一貫したパフォーマンスを示します。これとは対照的に、速度源の直列弾性アクチュエータ用の従来のコントローラは、外部インピーダンスが低い条件下では定常状態のパフォーマンスに苦労します。

要約(オリジナル)

In this study, we introduce a novel MRI-compatible rotary series elastic actuator module utilizing velocity-sourced ultrasonic motors for force-controlled robots operating within MRI scanners. Unlike previous MRI-compatible SEA designs, our module incorporates a transmission force sensing series elastic actuator structure, with four off-the-shelf compression springs strategically placed between the gearbox housing and the motor housing. This design features a compact size, thus expanding possibilities for a wider range of MRI robotic applications. To achieve precise torque control, we develop a controller that incorporates a disturbance observer tailored for velocity-sourced motors. This controller enhances the robustness of torque control in our actuator module, even in the presence of varying external impedance, thereby augmenting its suitability for MRI-guided medical interventions. Experimental validation demonstrates the actuator’s torque control performance in both 3 Tesla MRI and non-MRI environments, achieving a settling time of 0.1 seconds and a steady-state error within 2% of its maximum output torque. Notably, our force controller exhibits consistent performance across low and high external impedance scenarios, in contrast to conventional controllers for velocity-sourced series elastic actuators, which struggle with steady-state performance under low external impedance conditions.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google