Stretchable Electrohydraulic Artificial Muscle for Full Motion Ranges in Musculoskeletal Antagonistic Joints

要約

人工筋肉は、生体筋肉の力生成機能に近似するために、筋骨格ロボット工学および義肢において重要な役割を果たします。
ただし、現在の人工筋肉システムは通常、収縮または伸張の両方ではなく、どちらか一方に限定されています。
この制限により、完全に機能する人工筋骨格系の開発が妨げられます。
私たちは、収縮と伸長の両方が可能な人工拮抗筋システムを導入することで、この課題に対処します。
当社の設計では、非伸縮性電気油圧ソフト アクチュエータ (HASEL) と静電クラッチを拮抗筋骨格系フレームワーク内に統合しています。
この構成により、腱の弛みによる変位損失を生じることなく、拮抗関節が全可動範囲を達成できるようになります。
マッスルユニットとクラッチユニットを調整する同期方法を実装し、スムーズな動作プロファイルと速度を保証します。
このアプローチにより、最大 3.2 Hz の動作周波数で拮抗筋間のシームレスな移行が容易になります。
私たちのプロトタイプは電気油圧アクチュエーターを利用していますが、このマッスル クラッチ コンセプトはマッキベン アクチュエーターなどの他の非伸縮性人工筋肉にも適用可能であり、拮抗セットアップでの伸展および全可動域の能力を拡張します。
私たちの設計は、より機能的かつ効率的な人工筋骨格システムの基本コンポーネントの開発における大幅な進歩を表しており、その機能を生物学的対応物の機能に近づけます。

要約(オリジナル)

Artificial muscles play a crucial role in musculoskeletal robotics and prosthetics to approximate the force-generating functionality of biological muscle. However, current artificial muscle systems are typically limited to either contraction or extension, not both. This limitation hinders the development of fully functional artificial musculoskeletal systems. We address this challenge by introducing an artificial antagonistic muscle system capable of both contraction and extension. Our design integrates non-stretchable electrohydraulic soft actuators (HASELs) with electrostatic clutches within an antagonistic musculoskeletal framework. This configuration enables an antagonistic joint to achieve a full range of motion without displacement loss due to tendon slack. We implement a synchronization method to coordinate muscle and clutch units, ensuring smooth motion profiles and speeds. This approach facilitates seamless transitions between antagonistic muscles at operational frequencies of up to 3.2 Hz. While our prototype utilizes electrohydraulic actuators, this muscle-clutch concept is adaptable to other non-stretchable artificial muscles, such as McKibben actuators, expanding their capability for extension and full range of motion in antagonistic setups. Our design represents a significant advancement in the development of fundamental components for more functional and efficient artificial musculoskeletal systems, bringing their capabilities closer to those of their biological counterparts.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google