A two-speed actuator for robotics with fast seamless gear shifting

要約

この論文では、ロボット工学に適応した新しいデュアルスピードアクチュエータを紹介します。
多くの用途では、ロボットはゆっくりと移動しながら大きな荷重に耐える必要があり、また、ほとんど荷重を加えずに空中を素早く移動する必要もあります。
これにより、アクチュエータに対する要件が矛盾することになります。
複数のギア比により、幅広いトルク速度負荷条件にわたってパワーを効果的に使用できるようになり、この問題に対処できます。
さらに、ギア比が大きく異なると、固有インピーダンスが大幅に変化するため、スティッフな位置制御の場合はバックドライブ不可モード、力制御の場合はバックドライブ可能モードが可能になります。
提案されたアクチュエータは、差動装置に接続された 2 つの電気モーターで構成されます。
1 つは大きなギア比を持ち、もう 1 つはほぼダイレクトドライブでブレーキが装備されています。
高力モードでは、ブレーキがロックされ、1 つのモーターのみが使用され、アクチュエーターは通常の高度なギアを備えたサーボ モーターのように動作します。
高速モードではブレーキが開き、両方のモーターが同時に使用され、アクチュエーターはダイレクトドライブモーターのように動作します。
動的モデルが開発され、両方のモーターを相乗的に使用するための新しいコントローラーが提案されます。
モーターの冗長性は、モード移行中に出力の完全な制御を維持するために利用され、未知の環境と対話する場合でも、高速かつシームレスな切り替えを可能にします。
結果は、概念実証用のリニア アクチュエータを使用して実証されます。

要約(オリジナル)

This paper present a novel dual-speed actuator adapted to robotics. In many applications, robots have to bear large loads while moving slowly and also have to move quickly through the air with almost no load. This lead to conflicting requirements for their actuators. Multiple gear ratios address this issue by allowing an effective use of power over a wide range of torque-speed load conditions. Furthermore, very different gear ratios also lead to drastic changes of the intrinsic impedance, enabling a non-back-drivable mode for stiff position control and a back-drivable mode for force control. The proposed actuator consists of two electric motors coupled to a differential; one has a large gear ratio while the other is almost direct-drive and equipped with a brake. During the high-force mode the brake is locked, only one motor is used, and the actuator behaves like a regular highly-geared servo-motor. During the high-speed mode the brake is open, both motor are used at the same time, and the actuator behaves like a direct drive motor. A dynamic model is developed and novel controllers are proposed for synergic use of both motors. The redundancy of motors is exploited for maintaining full control of the output during mode transitions, allowing for fast and seamless switching even when interacting with unknown environments. Results are demonstrated with a proof-of-concept linear actuator.

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