[论文解读] 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 29

一句话总结

本文提出了一种用于多足机器人的串联弹性执行器（SEAs）建模与应用框架，通过在电机与负载之间引入弹性元件，利用胡克定律（F = Kx）实现高保真度的力控制。通过位置传感器测量弹性元件的形变，并结合反馈控制，SEAs 实现了低阻抗、抗冲击以及精确的力调节——这对于在非结构化环境中实现动态、柔顺的运动至关重要。

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.

研究动机与目标

• 解决多足机器人在非结构化环境中实现精确、柔顺力控制的挑战。
• 克服传统刚性执行器固有的缺乏顺应性与力控制保真度的局限。
• 开发一种机械与控制架构，实现低阻抗、抗冲击的驱动性能，适用于动态机器人系统。
• 通过建模与应用，证明 SEAs 在多足机器人平台中的可行性。
• 通过在弹性元件中集成力反馈，提升多足机器人的稳定性和适应性。

提出的方法

• 提出一种机械设计，将弹簧（弹性元件）置于齿轮箱与驱动负载之间，突破‘越刚越好’的设计原则。
• 使用位置传感器测量弹簧的形变量（x），通过胡克定律（F = Kx）实现实时力估计。
• 实施闭环控制系统，通过调节电机输入来将输出力控制在期望设定值。
• 将该执行器应用于多足机器人系统，实现柔顺、力控制的运动。
• 探索 SEAs 在电动与液压两种形式下的实现，评估其在不同类型执行器中的适应性。
• 利用弹簧的固有机械滤波特性，降低摩擦，提升力控制保真度与带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统刚性执行器相比，串联弹性执行器在多足机器人中如何提升力控制性能？
• RQ2 哪些机械与控制设计原则使得 SEAs 实现了高力保真度与低阻抗特性？
• RQ3 在多足机器人执行器中，弹性元件的集成如何影响抗冲击能力与动态响应？
• RQ4 在机器人应用中，电动与液压 SEAs 在性能权衡与优势方面有何不同？
• RQ5 SEAs 在非结构化环境中实现动态、柔顺运动时，能在多大程度上提升稳定性和适应性？

主要发现

• 由于弹簧元件的固有顺应性，SEAs 实现了极低的机械阻抗，从而实现与不确定环境的自然交互。
• 与传统转矩控制执行器相比，力控制带宽显著提升，得益于通过形变传感实现的高保真度力估计。
• 系统表现出高力保真度，滞后与摩擦极小，得益于弹簧的机械滤波效应。
• 抗冲击能力显著增强，因为弹簧可吸收冲击能量，保护电机与齿轮箱。
• 控制回路实现了精确的力跟踪，稳态误差极小，该结论已通过建模与在多足系统中的应用得到验证。
• 电动与液压形式的 SEAs 均被证明可行，其中电动版本在机器人平台中展现出更优的集成性与控制精度。