Klasyfikacja stawów o zmiennej podatności mechanicznej - część 1

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_223/41

send Bartłomiej Kozakiewicz, Tomasz Winiarski Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej

Download Article

Streszczenie

Rola stawów podatnych mechanicznie (w szczególności stawów o zmiennej podatności mechanicznej) w dziedzinie współczesnej robotyki – zwłaszcza społecznej i mobilnej – staje się coraz bardziej znacząca. Powodem są liczne korzyści płynące ze stosowania mechanizmów tego typu. Do tej pory opracowano wiele różnych metod osiągania podatności stawów i możliwości jej regulacji. W niniejszym opracowaniu podjęto próbę usystematyzowania zbioru istniejących rozwiązań. Przedstawiono w nim propozycję klasyfikacji stawów o zmiennej podatności mechanicznej oraz omówiono niektóre typy konstrukcji – mechanizmy sztywne z podatnością osiąganą przez sterowanie, mechanizmy podatne z regulacją podatności osiąganą przez sterowanie oraz mechanizmy wykorzystujące zmianę napięcia wstępnego nieliniowych elementów podatnych. Na koniec podsumowano i porównano cechy omówionych konstrukcji. Opis pozostałych typów stawów podatnych stanowi treść drugiej części artykułu.

Słowa kluczowe

bezpieczeństwo w robotyce, manipulatory podatne, podatność napędów

Classification of Variable Stiffness Actuators - part 1

Abstract

Compliant actuators – especially variable stiffness actuators – are becoming increasingly significant for modern robotics, in particular social and mobile one. Benefits related to applying such mechanisms are the reason. Many different methods of implementing actuators’ compliance and its regulation have been developed so far. This article is a result of an attempt to systematize the set of existing solutions. It presents a proposal of classification of variable stiffness actuators and provides a description of some types of them: stiff mechanisms with compliance by control, compliant mechanisms with compliance regulation by control and mechanisms involving regulation of nonlinear springs preload. At the end the features of discussed mechanisms are summarised and compared. A description of the remaining types of variable stiffness actuators is provided in the second part of the article.

Keywords

safety in robotics, variable stiffness actuators

Bibliography

  1. Vanderborght B., Albu-Schaeffer A., Bicchi A., Burdet E., Caldwell D., Carloni R., Catalano M., Ganesh G., Garabini M., Grebenstein M., Grioli G., Haddadin S., Jafari A., Laffranchi M., Lefeber D., Petit F., Stramigioli S., Tsagarakis N., Van Damme M., Van Ham R., Visser L.C., Wolf S., Variable impedance actuators: Moving the robots of tomorrow. 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 5454–5455, DOI: 10.1109/IROS.2012.6385433.
  2. Vanderborght B., Albu-Schaeffer A., Bicchi A., Burdet E., Caldwell D.G., Carloni R., Catalano M., Eiberger O., Friedl W., Ganesh G., Garabini M., Grebenstein M., Grioli G., Haddadin S., Hoppner H., Jafari A., Laffranchi M., Lefeber D., Petit F., Stramigioli S., Tsagarakis N., Van Damme M., Van Ham R., Visser L.C., Wolf S., Variable impedance actuators: A review. “Robotics and Autonomous Systems”, Vol. 61, Iss. 12, 2013, 1601–1614.
  3. Ham R.V., Sugar T.G., Vanderborght B., Hollander K.W., Lefeber D., Compliant actuator designs. “IEEE Robotics Automation Magazine”, Vol. 16, Iss. 3, 2009, 81–94.
  4. Winiarski T., Zieliński C., Podstawy sterowania siłowego w robotach. „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 12, Nr 6, 2008, 5–10. (Basics of robot force control (in Polish)).
  5. Variable impedance actuators. http://www.birl.ethz.ch/sssr2012/onlinematerial/AmirJafari.pdf (11.09.2016).
  6. Albu-Schaeffer A., Haddadin S., Ott Ch., Stemmer A., Wimboeck T., Hirzinger G., The DLR lightweight robot: Design and control concepts for robots in human environments. “Industrial Robot: An International Journal”, Vol. 34, Iss: 5, 2007, 376–385, DOI: 10.1108/01439910710774386.
  7. http://vr.cs.ucl.ac.uk/facilities/touch-lab/ (11.09.2016).
  8. http://red-dot.de/pd/onlineexhibition/work/?code=17-01115-201&y=2014&c=168&a=0&lang=en (11.09.2016).
  9. Jezierski E., Gmerek A., Impedance controllers for electric-driven robots. “Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems”, Vol. 7, No. 4, 2013, 13–20.
  10. Gmerek A., Jezierski E., Admittance control of a 1-DoF robotic arm actuated by BLDC motor. [in:] 17th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 2012, 633–638.
  11. Sugar T.G., A novel selective compliant actuator. “Mechatronics”, Vol. 12, Iss. 9–10, 2002, 1157–1171.
  12. Knox B.T, Schmiedeler J.P., A unidirectional series-elastic actuator design using a spiral torsion spring. Journal of Mechanical Design, Vol. 131, Iss. 12,125001, 2009, DOI: 10.1115/1.4000252.
  13. Tagliamonte N.L., Sergi F., Accoto D., Carpino G., Guglielmelli E., Double actuation architectures for rendering variable impedance in compliant robots: A review. “Mechatronics”, Vol. 22, Iss. 8, 2012, 1187–1203, DOI: 10.1016/j.mechatronics.2012.09.011.
  14. http://www.runtolivehealthy.com/2012/06/advancedarms-workout.html (11.09.2016).
  15. Tonietti G., Schiavi R., Bicchi A., Design and control of a variable stiffness actuator for safe and fast physical human/robot interaction. [in:] Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2005, 526–531, DOI: 10.1109/ROBOT.2005.1570172.
  16. Migliore S.A., Brown E.A., DeWeerth S.P., Biologically inspired joint stiffness control. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, 4508–4513, DOI: 10.1109/ROBOT.2005.1570814.
  17. Podsędkowski L., Koter K., Woźniak M., Badanie charakterystyk mini muskułów pneumatycznych do napędu robota. „Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika”, Z. 194, T. 2, 2014, 601–610.
  18. Jishu Guo, Guohui Tian, Conceptual design and analysis of four types of variable stiffness actuators based on spring pretension. “International Journal of Advanced Robotic Systems”, 12, 2015.
  19. Grioli G., Wolf S., Garabini M., Catalano M., Burdet E., Caldwell D., Carloni R., Friedl W., Grebenstein M., Laffranchi M., et al., Variable stiffness actuators: The user’s point of view. “The International Journal of Robotics Research”,  Vol. 34, Iss. 6, 2015, 727–743.
  20. Kordasz M., Madoński R, Sauer P., Kozłowski K., Zastosowanie odpornego sterowania siłowego w manipulatorze rehabilitacyjnym. „Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Elektronika”, Z. 182, T. 1, 2012, 91–102.
  21. Catalano M.G., Grioli G., Garabini M., Bonomo F., Mancini M., Tsagarakis N., Bicchi A., Vsa-cubebot: A modular variable stiffness platform for multiple degrees of freedom robots. 2011 IEEE International Conference on Robotics  and Automation (ICRA), 5090–5095.
  22. Hurst J.W., Chestnutt J.E., Rizzi A.A., The actuator with mechanically adjustable series compliance. IEEE Transactions on Robotics, Vol. 26, Iss. 4, 2010, 597–606, DOI: 10.1109/TRO.2010.2052398.
  23. Wolf S., Hirzinger G., A new variable stiffness design: Matching requirements of the next robot generation, IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2008, 1741–1746, DOI: 10.1109/ROBOT.2008.4543452.
  24. Wolf S., Eiberger O., Hirzinger G., The DLR FSJ: Energy based design of a variable stiffness joint. 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 5082–5089, DOI: 10.1109/ICRA.2011.5980303.
  25. Ki-Hoon Nam, Byeong-Sang Kim, Jae-Bok Song, Compliant actuation of parallel-type variable stiffness actuator based on antagonistic actuation. “Journal of Mechanical Science and Technology”, Vol. 24, Iss. 11, 2010, 2315–2321,  DOI: 10.1007/s12206-010-0813-6.