[논문 리뷰] Modeling and Application of Series Elastic Actuators for Force Control Multi Legged Robots

S Arumugom, Muthuraman Subbiah외 1명|ArXiv.org|2009. 12. 20.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics참고 문헌 6인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 다다리 로봇에서 시리즈 스프링 액추에이터(SEA)의 모델링 및 응용 프레임워크를 제시한다. 모터와 부하 사이에 유연한 요소를 삽입하여 후크의 법칙(F = Kx)을 통해 고정밀 힘 제어를 실현한다. 위치 센서로 변형을 측정하고 피드백 제어를 적용함으로써, SEA는 저임피던스, 충격 내성, 정밀한 힘 조절을 달성한다. 이는 비구조적 환경에서의 동적이고 탄성 있는 이동에 필수적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비구조적 환경에서 운용되는 다다리 로봇에서 정밀하고 탄성 있는 힘 제어를 달성하는 데 도전한다.
• 자기적 탄성과 힘 정밀도가 부족한 전통적 강성 액추에이터의 한계를 극복한다.
• 저임피던스, 충격 내성 있는 액추에이션을 가능하게 하는 기계적 및 제어 아키텍처를 개발한다.
• 모델링과 응용을 통해 다다리 로봇 플랫폼에서의 SEA의 실현 가능성을 입증한다.
• 탄성 요소를 통한 힘 피드백 통합을 통해 다다리 로봇의 안정성과 적응성을 향상시킨다.

제안 방법

• 기어 기어트레인과 구동 부하 사이에 스프링(탄성 요소)을 배치하는 기계적 설계를 도입하여, '더 강성이 좋다'는 원칙에서 벗어난다.
• 스프링의 변형(x)을 측정하기 위해 위치 센서를 사용하여 후크의 법칙: F = Kx를 통해 실시간 힘 추정을 가능하게 한다.
• 출력 힘을 목표 설정값으로 조절하기 위해 모터 입력을 조정하는 피드백 제어 루프를 구현한다.
• 탄성 이동 제어를 가능하게 하기 위해 다다리 로봇 시스템에 액추에이터를 적용한다.
• 액추에이터 유형에 관계없이 다양한 적용 가능성을 평가하기 위해 전기식 및 유압식 구현을 탐색한다.
• 스프링의 고유한 기계적 필터링 효과를 활용하여 마찰을 감소시키고, 힘 정밀도와 대역폭을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시리즈 스프링 액추에이터는 기존의 강성 액추에이터에 비해 다다리 로봇의 힘 제어 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 SEA에서 고정밀 힘 제어와 저임피던스를 가능하게 하는 기계적 및 제어 설계 원리는 무엇인가?
• RQ3 탄성 요소의 통합은 다다리 로봇 액추에이터의 충격 내성과 동적 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 로봇 응용 분야에서 전기식과 유압식 SEA의 성능 상충 요소와 장점는 무엇인가?
• RQ5 비구조적 환경에서의 동적이고 탄성 있는 이동 중에 SEA는 안정성과 적응성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 스프링 요소의 고유한 탄성으로 인해 SEA는 매우 낮은 기계적 임피던스를 달성하여 불확실한 환경과의 자연스러운 상호작용을 가능하게 한다.
• 변형 측정을 통한 고정밀 힘 추정 덕분에, 전통적인 토크 제어 액추에이터에 비해 힘 제어 대역폭이 크게 향상된다.
• 스프링의 기계적 필터링 효과로 인해 히스테리시스와 마찰이 최소화되어 높은 힘 정밀도를 확보한다.
• 스프링이 충격 에너지를 흡수하므로 모터와 기어트레인을 보호하고 충격 내성이 자연스럽게 향상된다.
• 모델링과 다다리 시스템에의 응용을 통해 검증된 바에 따르면, 제어 루프는 최소한의 정적 오차로 정확한 힘 추적을 가능하게 한다.
• 전기식 및 유압식 모두 SEA가 실현 가능함을 입증하였으며, 전기식은 로봇 플랫폼에서의 통합성과 제어 정밀도 측면에서 더 유리한 성능을 보였다.