Design, Dynamic Modeling and Control of a 2-DOF Robotic Wrist Actuated by Twisted and Coiled Actuators

要約

ロボットの手首は、産業マニピュレーターとヒューマノイドロボットの機能において極めて重要な役割を果たし、操作を促進し、タスクを把握します。
近年、高エネルギー密度、軽量構造、コンパクトなデザインを提供する技術の進歩によって推進される、ロボット手首用の人工筋肉駆動型アクチュエーターを統合することに関心が高まっています。
しかし、人工筋肉によって駆動されるロボット手首の研究では、動的なモデルベースのコントローラーは、モーション分析とロボットの動的制御にとって非常に重要性があるにもかかわらず、しばしば見落とされています。
このペーパーでは、3RRRR構成を備えた並列メカニズムを利用して、ツイストおよびコイルドアクチュエーター（TCA）によって駆動される2度（2-DOF）ロボットリストの新しいデザインを紹介します。
提案されたロボット手首は、摩擦問題を軽減しながら、軽量構造と優れた動きの性能を特徴とすることが期待されています。
手首のラグランジアン動的モデルは、軌跡追跡タスク用に設計された非線形モデル予測コントローラー（NMPC）とともに確立されています。
ロボットリストのプロトタイプが開発され、その優れたモーションパフォーマンスと提案された動的モデルを検証するために広範な実験が行われます。
その後、NMPCとPIDコントローラーの間の広範な比較実験が、さまざまな動作条件下で実施されました。
実験結果は、TCA駆動型のロボットリストのモーション制御における動的モデルベースのコントローラーの有効性と堅牢性を示しています。

要約(オリジナル)

Robotic wrists play a pivotal role in the functionality of industrial manipulators and humanoid robots, facilitating manipulation and grasping tasks. In recent years, there has been a growing interest in integrating artificial muscle-driven actuators for robotic wrists, driven by advancements in technology offering high energy density, lightweight construction, and compact designs. However, in the study of robotic wrists driven by artificial muscles, dynamic model-based controllers are often overlooked, despite their critical importance for motion analysis and dynamic control of robots. This paper presents a novel design of a two-degree-of-freedom (2-DOF) robotic wrist driven by twisted and coiled actuators (TCA) utilizing a parallel mechanism with a 3RRRR configuration. The proposed robotic wrist is expected to feature lightweight structures and superior motion performance while mitigating friction issues. The Lagrangian dynamic model of the wrist is established, along with a nonlinear model predictive controller (NMPC) designed for trajectory tracking tasks. A prototype of the robotic wrist is developed, and extensive experiments are conducted to validate its superior motion performance and the proposed dynamic model. Subsequently, extensive comparative experiments between NMPC and PID controller were conducted under various operating conditions. The experimental results demonstrate the effectiveness and robustness of the dynamic model-based controller in the motion control of TCA-driven robotic wrists.

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