[論文レビュー] Modeling and Application of Series Elastic Actuators for Force Control Multi Legged Robots

S Arumugom, Muthuraman Subbiah+1 more|ArXiv.org|Dec 20, 2009

Prosthetics and Rehabilitation Robotics参考文献 6被引用数 29

ひとこと要約

本論文は、多脚ロボットにおける直列ばねアクチュエータ（SEA）のモデリングおよび応用フレームワークを提示する。モーターと負荷の間にコンプライアント要素を設けることで、ホークの法則（F = Kx）に従い、高精度な力制御を実現する。位置センサを用いてたわみを測定し、フィードバック制御を適用することで、低インピーダンス、ショック耐性、正確な力制御を達成する。これは、非構造的環境下で動作する動的かつコンプライアントな歩行に不可欠である。

ABSTRACT

Series Elastic Actuators provide many benefits in force control of robots in unconstrained environments. These benefits include high force fidelity, extremely low impedance, low friction, and good force control bandwidth. Series Elastic Actuators employ a novel mechanical design architecture which goes against the common machine design principal of "stiffer is better". A compliant element is placed between the gear train and driven load to intentionally reduce the stiffness of the actuator. A position sensor measures the deflection, and the force output is accurately calculated using Hooke's Law (F=Kx). A control loop then servos the actuator to the desired output force. The resulting actuator has inherent shock tolerance, high force fidelity and extremely low impedance. These characteristics are desirable in many applications including legged robots, exoskeletons for human performance amplification, robotic arms, haptic interfaces, and adaptive suspensions. We describe several variations of Series Elastic Actuators that have been developed using both electric and hydraulic components.

研究の動機と目的

• 非構造的環境下で動作する多脚ロボットにおいて、正確でコンプライアントな力制御を達成する課題に対処すること。
• 従来の剛性アクチュエータが持つ内在的コンプライアンスの欠如と力の忠実性の不足を克服すること。
• 低インピーダンスでショックに耐えるアクチュエーションを実現するための機械的および制御アーキテクチャを開発すること。
• モデリングと応用を通じて、多脚ロボットプラットフォームにおけるSEAの実現可能性を実証すること。
• コンプライアント要素による力フィードバック統合を通じて、多脚ロボットの安定性と適応性を向上させること。

提案手法

• ギアトレインと駆動負荷の間にスプリング（コンプライアント要素）を配置する機械的設計を導入し、『より剛性であるほど良い』という原則から逸脱する。
• スプリングのたわみ（x）を測定するための位置センサを用い、ホークの法則：F = Kx に従い、リアルタイムでの力推定を可能にする。
• 出力力が所望のセットポイントに一致するように、モーター入力を調整するクローズド・ループ制御システムを実装する。
• 多脚ロボットシステムにこのアクチュエータを適用し、コンプライアントで力制御可能な歩行を実現する。
• 電気的および油圧的両方のSEA実装を検討し、アクチュエータタイプにわたる汎用性を評価する。
• スプリングの内在的機械フィルタリング効果を活用し、摩擦低減と力の忠実性・帯域幅の向上を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直列ばねアクチュエータは、従来の剛性アクチュエータと比較して、多脚ロボットにおける力制御性能をどのように向上させるか？
• RQ2 SEAにおける高力忠実性および低インピーダンスを実現するための機械的および制御設計原則は何か？
• RQ3 コンプライアント要素の統合は、多脚ロボットのアクチュエータにおけるショック耐性およびダイナミック応答にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ロボット用途における電気的SEAと油圧的SEAの間で、性能上のトレードオフと利点は何か？
• RQ5 非構造的環境下での動的かつコンプライアントな歩行において、SEAは安定性と適応性をどの程度向上させるか？

主な発見

• スプリング要素の内在的コンプライアンスのおかげで、SEAは極めて低い機械的インピーダンスを達成し、不確実な環境との自然な相互作用を可能にする。
• たわみセンシングによる高精度な力推定のおかげで、従来のトルク制御アクチュエータと比較して、力制御帯域が顕著に向上する。
• スプリングの機械的フィルタリング効果のおかげで、ヒステリシスと摩擦が最小限に抑えられ、力の忠実性が向上する。
• スプリングが衝撃エネルギーを吸収するため、ショック耐性が本質的に向上し、モーターおよびギアトレインが保護される。
• 制御ループにより、定常状態誤差が最小限に抑えられ、力追従性が正確に達成されることが、モデリングおよび多脚システムへの応用によって検証された。
• 電気的および油圧的両方のSEAバージョンが実現可能であることが示され、電気バージョンはロボットプラットフォームにおける統合性と制御精度に優れている。