Compliance in actuation has been exploited to generate highly dynamic maneuvers such as throwing that take advantage of the potential energy stored in joint springs. However, the energy storage and release could not be well-timed yet. On the contrary, for multi-link systems, the natural system dynamics might even work against the actual goal. With the introduction of variable stiffness actuators, this problem has been partially addressed. With a suitable optimal control strategy, the approximate decoupling of the motor from the link can be achieved to maximize the energy transfer into the distal link prior to launch. However, such continuous stiffness variation is complex and typically leads to oscillatory swing-up motions instead of clear launch sequences. To circumvent this issue, we investigate decoupling for speed maximization with a dedicated novel actuator concept denoted Bi-Stiffness Actuation. With this, it is possible to fully decouple the link from the joint mechanism by a switch-and-hold clutch and simultaneously keep the elastic energy stored. We show that with this novel paradigm, it is not only possible to reach the same optimal performance as with power-equivalent variable stiffness actuation, but even directly control the energy transfer timing. This is a major step forward compared to previous optimal control approaches, which rely on optimizing the full time-series control input.
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近二十年来,软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是,对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator(Sorosim),该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变(GVS)模型,以促进对软,刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构,并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模,模拟,优化和控制各种机器人系统的潜力,我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单,分支,开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为,软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益,用于多种应用。
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我们通过在轮子上的光加权外骨骼提出了一个用于低体积受损的用户的个人移动装置。在其核心上,一种新型的被动外骨骼提供姿势过渡,利用自然身体姿势,该姿势在静坐的静止和静坐(STS)过渡时,通过单个气体弹簧作为储能单元,通过支撑架上的躯干。我们通过双轮线系统提出膝盖和髋关节的方向依赖性耦合,从躯干运动转移到膝关节致动器处的力矩负载来平衡躯干运动。在这里,外骨骼最大化能量转移和用户运动的自然。我们介绍了一个体现的用户界面,用于通过躯干压力感测通过躯干压力感测,导致平均$ 19 ^ {\ rIC} \ PM 13 ^ {\ rIC} $上六个未受害的用户。我们评估了11月11日未受害的用户在过渡期间观察动作和肌肉活动的STS帮助的设计。结果比较辅助和无归档的STS转型验证了涉及的肌肉群体的显着减少(高达68美元\%$ 5,01.01 $)。此外,我们通过自然躯干倾斜运动来显示它是可行的$ + 12 ^ {\ riC} \ pm 6.5 ^ {\ circ} $和$ - 13.7 ^ {\ rIC} \ pm 6.1 ^ {\ riC} $ staity和分别坐着。被动灾害迁移援助保证进一步努力提高其适用性和扩大用户人口。
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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.
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Snakes and their bio-inspired robot counterparts have demonstrated locomotion on a wide range of terrains. However, dynamic vertical climbing is one locomotion strategy that has received little attention in the existing snake robotics literature. We demonstrate a new scansorial gait and robot inspired by the locomotion of the Pacific Lamprey. This new gait allows a robot to steer while climbing on flat, near-vertical surfaces. A reduced-order model is developed and used to explore the relationship between body actuation and vertical and lateral motions of the robot. Trident, the new wall climbing lamprey-inspired robot, demonstrates dynamic climbing on flat vertical surfaces with a peak net vertical stride displacement of 4.1 cm per step. Actuating at 1.3 Hz, Trident attains a vertical climbing speed of 4.8 cm/s (0.09 Bl/s) at specific resistance of 8.3. Trident can also traverse laterally at 9 cm/s (0.17 Bl/s). Moreover, Trident is able to make 14\% longer strides than the Pacific Lamprey when climbing vertically. The computational and experimental results demonstrate that a lamprey-inspired climbing gait coupled with appropriate attachment is a useful climbing strategy for snake robots climbing near vertical surfaces with limited push points.
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研究界,工业和社会中地面移动机器人(MRS)和无人机(UAV)的重要性正在迅速发展。如今,这些代理中的许多代理都配备了通信系统,在某些情况下,对于成功完成某些任务至关重要。在这种情况下,我们已经开始见证在机器人技术和通信的交集中开发一个新的跨学科研究领域。该研究领域的意图是将无人机集成到5G和6G通信网络中。这项研究无疑将在不久的将来导致许多重要的应用。然而,该研究领域发展的主要障碍之一是,大多数研究人员通过过度简化机器人技术或通信方面来解决这些问题。这阻碍了达到这个新的跨学科研究领域的全部潜力的能力。在本教程中,我们介绍了一些建模工具,从跨学科的角度来解决涉及机器人技术和通信的问题所需的一些建模工具。作为此类问题的说明性示例,我们将重点放在本教程上,讨论通信感知轨迹计划的问题。
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旨在进一步实现对机器人操纵中的影响的影响,提出了一种控制框架,其直接解决了通过跟踪机器人操纵器的控制所构成的挑战,该机器人操纵器的控制被任务执行与多个接触点相关联的名义上同时冲击。为此,我们扩展了参考展示框架,该框架利用刚性冲击图采用刚性冲击地图的扩展前和冲击后参考,在非弹性同时撞击的假设下确定。在实践中,机器人不会在冲击力矩的参考上居住;结果通常会发生不同接触点处的一系列冲击。我们的新方法通过引入额外的中间控制模式,在此上下文中扩展了参考传播。在该模式中,扭矩命令仍然基于达到撞击参考,目的是达到目标接触状态,但是禁用速度反馈,因为这可能由于快速的速度而可能是有害的。随着真实的实现,该方法是使用QP控制框架制定的,并在刚性机器人模型和具有柔性接头的现实机器人模型上使用数值模拟进行验证。
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本文采取了一步,为人形机器人提供自适应形态能力。我们提出了一种系统的方法,可以使机器人盖变形其形状,其整体尺寸适合人体机器人的人体测量值。更确切地说,我们提出了一个封面概念,该概念由两个主要组成部分组成:骨骼,这是一个称为Node的基本元素和一个软膜的重复,该元素将盖子包裹起来并用其运动构成变形。本文重点关注盖子骨骼,并解决了节点设计,系统建模,电动机定位以及变形系统的控制设计的挑战性问题。封面建模侧重于运动学,并提出了定义系统运动限制的系统方法。然后,我们应用遗传算法来找到运动位置,以使变形盖完全致动。最后,我们提出了控制算法,使覆盖物变为随时间变化的形状。通过进行四个不同的方尺寸盖,分别具有3x3、4x8、8x8和20x20节点的运动学模拟来验证整个方法。对于每个封面,我们应用遗传算法来选择运动位置并执行模拟以跟踪所需形状。仿真结果表明,提出的方法可确保封面跟踪具有良好跟踪性能的所需形状。
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为了实现机器人操作中影响的剥削,提出了一个新框架,以控制机器人操纵器,该机器人操纵器的任务是名义上同时执行的影响。在此框架中,我们采用了对应于前后运动和影响后运动的时间不变的参考矢量场的跟踪,从而在相似的常规跟踪控制方法上增加了其适用性。前后的引用和后影响引用是通过刚性冲击图耦合的,并扩展到预期发生冲击的区域重叠,以便始终遵循与机器人实际接触状态相对应的参考。由于通常会发生在不同接触点处的一系列冲击,从而导致接触模式和不可靠的速度测量值的不确定性,因此制定了针对时间不变参考的新的临时控制模式。在此模式下,位置反馈信号来自静电速度参考,该参考用于在所有接触点中强制执行持续的接触,而无需使用速度反馈。为了注重实际实现,该方法是使用QP控制框架制定的,并使用具有硬弹性接触模型的刚性机器人和具有柔性关节和合规性弹性触点模型的逼真的机器人模型上的数值模拟进行了验证。
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可穿戴机器人受到执行器表演的限制,因为它们必须承担自己的电力系统和能源的重量。本文探讨了利用混合模式通过使用液压阀动态重新配置静液压执行器的连接来利用混合模式以轻巧有效的系统来满足多个操作点的想法。分析的机会包括1)在高度齿轮电源或快速电源之间切换,2)动态连接能量蓄能器,3)使用锁定机制进行固定。基于膝盖外骨骼案例研究分析,结果表明,齿轮比之间的切换可以导致更轻,更有效的执行器。此外,结果表明,使用累加器提供预紧力的连续力具有巨大的质量潜力,但如果用作短瞬态的功率助推器,则不会显着降低质量。最后,如果工作周期频繁停止,使用锁定阀可以稍微降低电池质量。提出的多模式方案的操作原理用一氧化碳原型证明。
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In unstructured environments, robots run the risk of unexpected collisions. How well they react to these events is determined by how transparent they are to collisions. Transparency is affected by structural properties as well as sensing and control architectures. In this paper, we propose the collision reflex metric as a way to formally quantify transparency. It is defined as the total impulse transferred in collision, which determines the collision mitigation capabilities of a closed-loop robotic system taking into account structure, sensing, and control. We analyze the effect of motor scaling, stiffness, and configuration on the collision reflex of a system using an analytical model. Physical experiments using the move-until-touch behavior are conducted to compare the collision reflex of direct-drive and quasi-direct-drive actuators and robotic hands (Schunk WSG-50 and Dexterous DDHand.) For transparent systems, we see a counter-intuitive trend: the impulse may be lower at higher pre-impact velocities.
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在许多无人机应用中,为空中机器人计划的时间轨迹至关重要,例如救援任务和包装交付,这些应用程序近年来已经广泛研究。但是,它仍然涉及一些挑战,尤其是在将特殊任务要求纳入计划以及空中机器人的动态方面。在这项工作中,我们研究了一种案例,使空中操纵器应以时间优势的方式从移动的移动机器人中移交一个包裹。我们没有手动设置方法轨迹,这使得很难确定在动态范围内完成所需任务的最佳总行进时间,而是提出了一个优化框架,该框架将离散的力学和互补性约束(DMCC)结合在一起。在提出的框架中,系统动力学受到离散的拉格朗日力学的约束,该机械也根据我们的实验提供了可靠的估计结果。移交机会是根据所需的互补限制自动确定和安排的。最后,通过使用我们的自设计的空中操纵器进行数值模拟和硬件实验来验证所提出的框架的性能。
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在人类机器人的相互作用中,眼球运动在非语言交流中起着重要作用。但是,控制机器人眼的动作表现出与人眼动物系统相似的性能仍然是一个重大挑战。在本文中,我们研究了如何使用电缆驱动的驱动系统来控制人眼的现实模型,该系统模仿了六个眼外肌肉的自由度。仿生设计引入了解决新的挑战,最值得注意的是,需要控制每种肌肉的支撑,以防止运动过程中的紧张感损失,这将导致电缆松弛和缺乏控制。我们构建了一个机器人原型,并开发了一个非线性模拟器和两个控制器。在第一种方法中,我们使用局部衍生技术线性化了非线性模型,并设计了线性 - 季度最佳控制器,以优化计算准确性,能量消耗和运动持续时间的成本函数。第二种方法使用复发性神经网络,该神经网络从系统的样本轨迹中学习非线性系统动力学,以及一个非线性轨迹优化求解器,可最大程度地减少相似的成本函数。我们专注于具有完全不受限制的运动学的快速saccadic眼球运动,以及六根电缆的控制信号的生成,这些电缆同时满足了几个动态优化标准。该模型忠实地模仿了人类扫视观察到的三维旋转运动学和动力学。我们的实验结果表明,尽管两种方法都产生了相似的结果,但非线性方法对于未来改进该模型的方法更加灵活,该模型的计算是线性化模型的位置依赖性偏向和局部衍生物的计算变得特别乏味。
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跳跃可能是克服小地形差距或障碍的有效运动方法。在本文中,我们提出了两种不同的方法,可以用类人形机器人进行跳跃。具体而言,从预定义的COM轨迹开始,我们开发了速度控制器的理论和基于优化技术评估关节输入的优化技术的扭矩控制器。在模拟和类人形机器人ICUB中,对控制器进行了测试。在模拟中,机器人能够使用两个控制器跳跃,而实际系统仅使用速度控制器跳跃。结果突出了控制质心动量的重要性,他们表明联合性能,即腿部和躯干关节的最大功率,以及低水平的控制性能是至关重要的,以实现可接受的结果。
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机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难,通常利用其他科学学科,例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的,这导致复杂的文献,因此,从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下,提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源,采用统一语言,以简化其主要连接和差异的分析。因此,对上市接近自然如下,并最终提供在该领域的主要作品的完整,解开,审查。
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在腿部机器人技术中,计划和执行敏捷的机动演习一直是一个长期的挑战。它需要实时得出运动计划和本地反馈政策,以处理动力学动量的非物质。为此,我们提出了一个混合预测控制器,该控制器考虑了机器人的致动界限和全身动力学。它将反馈政策与触觉信息相结合,以在本地预测未来的行动。由于采用可行性驱动的方法,它在几毫秒内收敛。我们的预测控制器使Anymal机器人能够在现实的场景中生成敏捷操作。关键要素是跟踪本地反馈策略,因为与全身控制相反,它们达到了所需的角动量。据我们所知,我们的预测控制器是第一个处理驱动限制,生成敏捷的机动操作以及执行低级扭矩控制的最佳反馈策略,而无需使用单独的全身控制器。
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在本文中,我们全能地提出了一种基于混合线性倒置的方法(H唇),用于合成和稳定3D足底双模行走,重点是彻底的硬件实现。提出了H-唇缘以捕获机器人行走的欠置和致动部分的基本组成部分。然后基于H唇直接合成机器人行走步态。我们全面地表征了H唇的周期性轨道,并通过其步骤 - 步骤(S2S)动力学可证明步骤稳定,然后用于近似于质量中心的水平状态的S2S动态(COM)机器人散步。近似设施基于H唇的步进控制器,提供所需的步长,以稳定机器人行走。通过实现所需的步骤尺寸,机器人实现了动态且稳定的行走。在欠扰动的BipeDal机器人Cassie的模拟和实验中完全评估了该方法,其展示了具有高通用和鲁棒性的动态行走行为。
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外骨骼和矫形器是可穿戴移动系统,为用户提供机械益处。尽管在过去几十年中有重大改进,但该技术不会完全成熟,以便采用剧烈和非编程任务。为了适应这种功能不全,需要分析和改进该技术的不同方面。许多研究一直在努力解决外骨骼的某些方面,例如,机构设计,意向预测和控制方案。但是,大多数作品都专注于设计或应用的特定元素,而无需提供全面的审查框架。本研究旨在分析和调查为改进和广泛采用这项技术的贡献方面。为了解决此问题,在引入辅助设备和外骨骼后,将从物理人员 - 机器人接口(HRI)的角度来研究主要的设计标准。通过概述不同类别的已知辅助设备的几个例子,将进一步开发该研究。为了建立智能HRI策略并为用户提供直观的控制,将研究认知HRI。将审查这种策略的各种方法,并提出了意图预测的模型。该模型用于从单个电拍摄(EMG)通道输入的栅极相位。建模结果显示出低功耗辅助设备中单通道输入的潜在使用。此外,所提出的模型可以在具有复杂控制策略的设备中提供冗余。
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This study proposed a novel robotic gripper that can achieve grasping and infinite wrist twisting motions using a single actuator. The gripper is equipped with a differential gear mechanism that allows switching between the grasping and twisting motions according to the magnitude of the tip force applied to the finger. The grasping motion is activated when the tip force is below a set value, and the wrist twisting motion is activated when the tip force exceeds this value. "Twist grasping," a special grasping mode that allows the wrapping of a flexible thin object around the fingers of the gripper, can be achieved by the twisting motion. Twist grasping is effective for handling objects with flexible thin parts, such as laminated packaging pouches, that are difficult to grasp using conventional antipodal grasping. In this study, the gripper design is presented, and twist grasping is analyzed. The gripper performance is experimentally validated.
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将包装从存储设施运送到消费者前门的物流通常采用高度专业的机器人,通常会将子任务分配到不同的系统,例如,操纵器臂进行分类和轮式车辆进行交付。最近的努力试图通过腿部和人形机器人进行统一的方法。但是,这些解决方案占据了大量空间,从而减少了可以适合运送车辆的包装数量。结果,这些庞大的机器人系统通常会降低可伸缩性和并行任务的潜力。在本文中,我们介绍了Limms(锁存智能模块化移动系统),以解决典型的最后一英里交付的操纵和交付部分,同时保持最小的空间足迹。 Limms是一种对称设计的,6型自由度(DOF)的类似于附件的机器人,两端都带有轮子和闩锁机构。通过将锁在表面上并锚定在一端,Limms可以充当传统的6多型操纵器臂。另一方面,多个lims可以锁在一个盒子上,并且像腿部机器人系统一样行为,包装是身体。在运输过程中,与传统的机器人系统相比,LIMM紧紧地折叠起来,占用的空间要少得多。一大批limms单元可以安装在单个送货工具内部,为新的交付优化和混合计划方法开放,从未做过。在本文中,使用硬件原型研究和呈现了LIMM的可行性,以及在典型的最后一英里交付中的一系列子任务的仿真结果。
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