This paper expounds the design and control of a new Variable Stiffness Series Elastic Actuator (VSSEA). It is established by employing a modular mechanical design approach that allows us to effectively optimise the stiffness modulation characteristics and power density of the actuator. The proposed VSSEA possesses the following features: i) no limitation in the work-range of output link, ii) a wide range of stiffness modulation (~20Nm/rad to ~1KNm/rad), iii) low-energy-cost stiffness modulation at equilibrium and non-equilibrium positions, iv) compact design and high torque density (~36Nm/kg), and v) high-speed stiffness modulation (~3000Nm/rad/s). Such features can help boost the safety and performance of many advanced robotic systems, e.g., a cobot that physically interacts with unstructured environments and an exoskeleton that provides physical assistance to human users. These features can also enable us to utilise variable stiffness property to attain various regulation and trajectory tracking control tasks only by employing conventional controllers, eliminating the need for synthesising complex motion control systems in compliant actuation. To this end, it is experimentally demonstrated that the proposed VSSEA is capable of precisely tracking desired position and force control references through the use of conventional Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers.


翻译:本文阐述了一个新的变异硬度序列 Elastic Acuduator (VSSEA) 的设计和控制。 它通过采用模块化机械设计方法,使我们能够有效地优化动作器的硬度调制特性和电源密度。 拟议的VSSEA具有以下特点: (一) 输出链的工序没有限制, (二) 广泛的硬度调制(~20Nm/rad至~1KNm/rad)、 (三) 平衡和非平衡位置的低能源成本僵化调控、 iv) 紧凑设计和高焦压密度(~36Nm/kg) 和 v) 高速僵硬性调制调(~3000Nm/rad/s) 。 这些特点有助于提高许多先进机器人系统的安全和性能, 例如, 一种与不结构化环境进行物理互动的连接, 以及一个为人类用户提供实际协助的外层螺旋管。 这些特点还使我们能够使用可变的硬性硬性D位置位置, 和高压密度密度密度密度密度(~快速追踪这一常规行为控制系统, 仅需要通过常规化的常规控制系统,通过常规控制来消除常规控制。

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