Development of Bidirectional Series Elastic Actuator with Torsion Coil Spring and Implementation to the Legged Robot

要約

ロボット関節用の直列弾性アクチュエータ（SEA）は、柔軟性、安全性、エネルギー効率の点で有効であるため、多くの研究が行われています。
SEAは予期せぬ外乱にも堅牢に対応できるため、ロボットと人間が対話する環境での実用化が期待されています。
一方で、屋内エンターテインメント用途向けの小型ロボットの開発・製品化も盛んに行われており、これらのロボットにSEAを用いることで、ジャンプしたり走ったりといったダイナミックな動作が実現できると考えられています。
今回は弾性要素としてコイルスプリングを用いた小型・軽量のSEAを開発した。
コイルバネの固定方法を工夫することで衝撃を吸収し、簡単な構造で回転両方向の力を高精度に測定することができます。
また、開発したSEAの有効性を検証するため、股関節、膝、足首の3関節にSEAを実装した小型単足ロボットを作製し、落下試験を実施しました。
各関節の初期姿勢と制御ゲインを調整することで、簡単なPD位置制御で柔軟な着地と連続ホッピングが可能であることを確認しました。
測定の結果、SEAは衝撃吸収とエネルギー再利用の点で効果があることがわかりました。
この作業は研究目的のみで行われました。

要約(オリジナル)

Many studies have been conducted on Series Elastic Actuators (SEA) for robot joints because they are effective in terms of flexibility, safety, and energy efficiency. The ability of SEA to robustly handle unexpected disturbances has raised expectations for practical applications in environments where robots interact with humans. On the other hand, the development and commercialization of small robots for indoor entertainment applications is also actively underway, and it is thought that by using SEA in these robots, dynamic movements such as jumping and running can be realized. In this work, we developed a small and lightweight SEA using coil springs as elastic elements. By devising a method for fixing the coil spring, it is possible to absorb shock and perform highly accurate force measurement in both rotational directions with a simple structure. In addition, to verify the effectiveness of the developed SEA, we created a small single-legged robot with SEA implemented in the three joints of the hip, knee, and ankle, and we conducted a drop test. By adjusting the initial posture and control gain of each joint, we confirmed that flexible landing and continuous hopping are possible with simple PD position control. The measurement results showed that SEA is effective in terms of shock absorption and energy reuse. This work was performed for research purposes only.

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