Overtwisting and Coiling Highly Enhance Strain Generation of Twisted String Actuators

执行机构 弦(物理) 电磁线圈 扭矩 拉伤 音圈 材料科学 机械工程 计算机科学 物理 工程类 电气工程 人工智能 解剖 量子力学 医学 热力学
作者
Revanth Konda,David Bombara,Jun Zhang
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:10 (4): 760-769 被引量:5
标识
DOI:10.1089/soro.2021.0079
摘要

Twisted string actuators (TSAs) have exhibited great promise in robotic applications by generating high translational force with low input torque. To further facilitate their robotic applications, it is strongly desirable but challenging to enhance their consistent strain generation while maintaining compliance. Existing studies predominantly considered overtwisting and coiling after the regular twisting stage to be undesirable—nonuniform and unpredictable knots, entanglements, and coils formed to create an unstable and failure-prone structure. Overtwisting would work well for TSAs when uniform coils can be consistently formed. In this study, we realize uniform and consistent coil formation in overtwisted TSAs, which greatly increases their strain. Furthermore, we investigate methods for enabling uniform coil formation upon overtwisting the strings in a TSA and present a procedure to systematically "train" the strings. To the authors' best knowledge, this is the first study to experimentally investigate overtwisting for TSAs with different stiffnesses and realize consistent uniform coil formation. Ultrahigh molecular-weight polyethylene strings form the stiff TSAs, whereas compliant TSAs are realized with stretchable and conductive supercoiled polymer strings. The strain, force, velocity, and torque of each overtwisted TSA were studied. Overtwisting and coiling resulted in ∼70% strain in stiff TSAs and ∼60% strain in compliant TSAs. This is more than twice the strain achieved through regular twisting. Finally, the overtwisted TSA was successfully demonstrated in a robotic bicep.
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