Reconfigurable Hydrostatics: Toward Multifunctional and Powerful Wearable Robotics

要約

ウェアラブルロボットや移動ロボットの設計者は、作動を選択する際に複数の課題に直面します。
電気モーターを使用した従来の完全作動設計は多機能ですが、控えめな荷重に耐えたりバックドライブ可能にしたりするには大きすぎて非効率的です。
あるいは、準受動的で作動が不十分な設計は、電動化とエネルギー貯蔵のサイズを削減しますが、多くの場合、特定のタスク用に設計されています。
将来のアクチュエータが非常にトルク密度が高く、バックドライブ可能で効率的なものにならない限り、多用途で強力なウェアラブル ロボットの設計者は、これらの課題に直面することになるでしょう。
この論文では、この問題に対処するための設計パラダイム、つまり再構成可能な流体静力学について検討します。
我々は、静水圧アクチュエータが流体領域で受動的力機構と共有機構を統合し、なおかつ多機能であることを示します。
まず、分析研究では、これら 2 つのメカニズムが耐荷重外骨格の状況で電動化要件をどのように緩和できるかを比較します。
次に、油圧コンポーネントを使用してこれら 2 つの機構を統合する油圧概念を示します。
ケーススタディ分析では、完全に作動したコンセプトと比べて、このコンセプトの質量/効率/慣性の利点が示されています。
次に、外骨格の膝を作動させる概念実証によって、この概念の実現可能性が部分的に検証されます。
実験では、歩行、走行、しゃがみ、ジャンプの垂直地面反力 (GRF) プロファイルを追跡でき、エネルギー消費が 6 分の 1 であることが示されました。
一方の脚からもう一方の脚への切り替えによる過渡的な力の挙動も、それらを改善するための緩和策とともに分析されます。

要約(オリジナル)

Wearable and locomotive robot designers face multiple challenges when choosing actuation. Traditional fully actuated designs using electric motors are multifunctional but oversized and inefficient for bearing conservative loads and for being backdrivable. Alternatively, quasi-passive and underactuated designs reduce the size of motorization and energy storage, but are often designed for specific tasks. Designers of versatile and stronger wearable robots will face these challenges unless future actuators become very torque-dense, backdrivable and efficient. This paper explores a design paradigm for addressing this issue: reconfigurable hydrostatics. We show that a hydrostatic actuator can integrate a passive force mechanism and a sharing mechanism in the fluid domain and still be multifunctional. First, an analytical study compares how these two mechanisms can relax the motorization requirements in the context of a load-bearing exoskeleton. Then, the hydrostatic concept integrating these two mechanisms using hydraulic components is presented. A case study analysis shows the mass/efficiency/inertia benefits of the concept over a fully actuated one. Then, the feasibility of the concept is partially validated with a proof-of-concept that actuates the knees of an exoskeleton. The experiments show that it can track the vertical ground reaction force (GRF) profiles of walking, running, squatting, and jumping, and that the energy consumption is 6x lower. The transient force behaviors due to switching from one leg to the other are also analyzed along with some mitigation to improve them.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google