Supernumerary Robotic Limbs (SRLs) are wearable robots augmenting human capabilities by acting as a co-worker, reaching objects, support human arms, etc. However, existing SRLs lack the mechanical backdrivability and bandwidth required for tasks where the interaction forces must be controllable such as painting, manipulating fragile objects, etc. Being highly backdrivable with a high bandwidth while minimizing weight presents a major technological challenge imposed by the limited performances of conventional electromagnetic actuators. This paper studies the feasibility of using magnetorheological (MR) clutches coupled to a low-friction hydrostatic transmission to provide a highly capable, but yet lightweight, force-controllable SRL. A 2.7 kg 2-DOFs wearable robotic arm is designed and built. Shoulder and elbow joints are designed to deliver 39 and 25 Nm, with 115 and 180{\deg} of range of motion. Experimental studies conducted on a one-DOF test bench and validated analytically demonstrate a high force bandwidth (>25 Hz) and a good ability to control interaction forces even when interacting with an external impedance. Furthermore, three force-control approaches are studied and demonstrated experimentally: open-loop, closed-loop on force, and closed-loop on pressure. All three methods are shown to be effective. Overall, the proposed MR-Hydrostatic actuation system is well-suited for a lightweight SRL interacting with both human and environment that add unpredictable disturbances.


翻译:超强机器人(SRLs)是可磨损的机器人,通过作为同事、接近物体、支持人类手臂等来增强人的能力。然而,现有的SRL缺乏在互动力量必须能够控制的任务(如油漆、操纵脆弱物体等)方面所需的机械回旋性能和带宽性。 高带宽高度回旋性能,同时尽量减少重量,这是常规电磁驱动器有限性能造成的一项重大技术挑战。本文研究的是,使用磁体离合器与低阻力流水力传输相结合,提供高能力、但轻重量、可控力的SRL。 设计并建造了2.7公斤2DOF的可磨损机械臂等任务所需的机械回旋性能和带宽频带。 肩和肘连接设计可以提供39和25纳米的高带宽度带宽度带宽,同时尽量减少重量。 在一个DOF测试台进行实验研究,并验证分析显示高强度带宽力带宽度带宽(>25赫兹),以及控制下较轻的交互性反应力能力,即使是在外部控制下进行封闭式控制的所有系统上都显示。

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