طراحی و توسعه یک عملگر الاستیک سری فشرده و ماژولار برای ربات‌های اسکلت‌خارجی یاری‌گر پایین‌تنه

نوع مقاله: طرح پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو کارشناسی ارشد، مکانیک طراحی کاربردی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، قطب علمی رایانش نرم و پردازش هوشمند اطلاعات، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

چکیده

این مقاله یک رویه جامع برای طراحی عملگرهای الاستیک سری را جهت استفاده در مفاصل فعال ربات‌های اگزواسکلتون یاری‌گر ارائه می‌کند. در این رویه، پارامتر سفتی فنر بر اساس دو معیار اساسی انتخاب می‌شود تا کلیه نیازهای حرکتی انسان را برآورده کند. اولین معیار، فراهم کردن پاسخ فرکانسی مطلوب برای عملگر متناسب با نیازهای حرکتی انسان می‌باشد. دومین معیار نیز، عدم آسیب رسیدن به اجزاء عملگر در حین ضربه و برخورد می‌باشد. پس از تعیین مقدار مطلوب سفتی فنر، ساختمان فنر به‌گونه‌ای انتخاب‌شده است که ضمن اشغال کمترین فضا، از استحکام مکانیکی کافی برخوردار بوده و سفتی موردنظر را در عمل ایجاد کند. فنر طراحی‌شده، به همراه موتور و گیربکس در یک ماژول تعبیه‌شده است تا در مفاصل فعال ربات‌های اگزواسکلتون استفاده شود. طراحی ماژول به‌گونه‌ای صورت گرفته است که برداشتن فنر به‌راحتی امکان‌پذیر بوده و امکان استفاده از مجموعه موتور و گیربکس به‌صورت یک عملگر صلب نیز به‌سادگی مهیا باشد. ملاحظات صورت گرفته در بهینه‌سازی فنر و طراحی ماژول، یک عملگر الاستیک سری بسیار فشرده را ایجاد کرده است که قابلیت استفاده در انواع حرکت انسان مانند بالا و پایین رفتن از پله، نشست‌وبرخاست و راه رفتن را داراست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 [1] HAL Exoskeleton, Accessed on 22 December 2018; https://www.cyberdyne.jp/english.

[2] SuitX Exoskeleton, Accessed on 22 December 2018; https://www.suitx.com.

[3] Honda Exoskeleton, Accessed on 22 December 2018; https://world.honda.com/Walking-Assist.

[4] Kardan I, Akbarzadeh A (2017) Agility enhancement using an assistive controller for exoskeleton robots. Modares Mechanical Engineering 17(9): 119-129. (in Persian)

[5] Irmscher C, Woschke E, May E, Daniel C (2018) Design, optimisation and testing of a compact, inexpensive elastic element for series elastic actuators. Med Eng Phys 52: 84-89.

[6] Veneman JF, Ekkelenkamp R, Kruidhof R, van der Helm FCT, van der Kooij H (2006) A series elastic- and bowden-cable-based actuation system for use as torque actuator in exoskeleton-type robots. Int J Robot Res 25(3): 261-281.

[7] Carpino G, Accoto D, Sergi F, Luigi N, Tagliamonte E Guglielmelli (2012) A novel compact torsional spring for series elastic actuators for assistive wearable robots. J Mech Design 134(12); 121002-121002.

[8] Lagoda C, Schouten AC, Stienen AHA, Hekman EEG, Kooij HVD (2010) Design of an electric series elastic actuated joint for robotic gait rehabilitation training. 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics 21-26.

[9] Chen L, Ding H, Fu T, Li J, Shao L (2018) Design and impedance control of the integrated rotary compliant joint. Adv Mech Eng, Springer Singapore 1125-1140.

[10] Byrvan H, Sugar T, Vanderborght B, Hollander  K, Lefeber D (2009) Review of actuators with passive adjustable compliance/controllable stiffness for robotic applications. Ieee Robot Autom Mag 81-94.

[11] Accoto D, Carpino G, Sergi F, Tagliamonte NL, Zollo L, Guglielmelli E (2013) Design and characterization of a novel high-power series elastic actuator for a lower limb robotic orthosis. Int J Adv Robot Syst 10(10): 359.

[12] Taherifar A, Vossoughi G, Selk Ghafari A (2017) Identification and torque control of series elastic actuator of lower limb extremity exoskeleton. Modares Mechanical Engineering 17(8): 1-8. (in Persian)

[13] dos Santos WM, Caurin GAP, Siqueira AAG (2017) Design and control of an active knee orthosis driven by a rotary series elastic actuator. Control Eng Pract 58: 307-318.

[14] Paine N, Mehling Joshua S, Holley J, Radford A Johnson NG, Fok CL, Sentis L (2015) Actuator control for the NASA‐JSC valkyrie humanoid robot: A decoupled dynamics approach for torque control of series elastic robots. J Field Robot 32(3): 378-396.

[15] Choi W, Won J, Lee J, Park J (2017) Low stiffness design and hysteresis compensation torque control of SEA for active exercise rehabilitation robots. Auton Robot 41(5): 1221-1242.

[16] Bing C, Xuan Z, Hao M, Ling Q, Wei-Hsin L (2017) Design and characterization of a magneto-rheological series elastic actuator for a lower extremity exoskeleton. Smart Mater Struct 26(10): 105008.

[17] Bovi G, Rabuffetti M, Mazzoleni P, Ferrarin M (2011) A multiple-task gait analysis approach: Kinematic, kinetic and EMG reference data for healthy young and adult subjects. Gait Posture 33(1): 6-13.

[18] Maxonmotor, Accessed on 22 December 2018; https://www.maxonmotor.com/maxon/view/content/index.

[19] HarmonicDrive, Accessed on 22 December 2018; http://www.harmonicdrive.net/.

[20] Au S, Berniker M, Herr H (2008) Powered ankle-foot prosthesis to assist level-ground and stair-descent gaits. Neural Networks 21(4): 654-666.