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Hill-type, bioinspired actuation delivers energy economy in DC motors

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作者
Jake McGrath,José Alvarado
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
卷期号:17 (6): 066021-066021
标识
DOI:10.1088/1748-3190/ac9a1a
摘要

Electromagnetic motors convert stored energy to mechanical work through a linear force-velocity (FV) relationship. In biological systems, however, muscle actuation is characterized by the hyperbolic FV mechanisms of the Hill muscle-in which a parameterαcharacterizes the degree of nonlinearity. Previous work has shown that bioinspiration in human-engineered systems can contribute favorable mechanical attributes-such as energy efficiency, self-stability, and flexibility, among others. In this study, we first construct an easily amendable, bioinspired electromagnetic motor which produces FV curves that mimic the Hill model of muscle with a high degree of accuracy. A proportional-integral-differential (PID) controller converges the characteristically linear FV relationship of a DC motor to nonlinear Hill-type force outputs. The bioinspired electric motor does a fixed amount of work by lifting a 147.5 g mass, and we record the translational velocity of the mass and the nonlinear applied force of the motor. Under optimized gain coefficients in the PID, the bioinspired motor achieves agreement ofR2>0.99with the Hill muscle model. Studies have shown that designing biologically inspired actuators produce comparatively energy efficient systems. We investigate the energy economy of actuating our motor with nonlinear, Hill-type forces in direct comparison with conventional linear FV actuation techniques. We find that the bioinspired motor delivers energy economy with respect to energy consumption and conversion: the nonlinear, Hill-type DC motor reduces the energetic cost of actuation when delivering a fixed amount of mechanical work.

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