A Twisting Mechanism With Parallel Springs for Series Variable Stiffness Actuator

机制(生物学) 系列(地层学) 执行机构 刚度 变量(数学) 控制理论(社会学) 结构工程 计算机科学 数学 工程类 地质学 物理 数学分析 控制(管理) 人工智能 古生物学 量子力学
作者
Chao Wang,Zhenghong Li,Bo Sheng,Tianzhe Bao,Manoj Sivan,Zhiqiang Zhang,Guqiang Li,Sheng Quan Xie
出处
期刊:IEEE-ASME Transactions on Mechatronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-10 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tmech.2024.3378740
摘要

This paper proposes a novel twisting mechanism with parallel springs (TPS) employing eight parallel springs in 3D configuration and a ball screw mechanism to achieve space-efficient stiffness regulation.Based on TPS, a compact VSA prototype, named TPS-VSA, is developed.Two models are established to estimate the output torque of the actuator based on deflection angles and angular speed.One is a conventional model derived from the mechanical structure, and the other is a 6-degree polynomial model fitted with experimental data.Simulation and experiment studies are conducted to evaluate the torque and stiffness regulation property of TPS-VSA, and the performance of the torque estimation models.The experimental results show that the proposed mechanism is effective in varying the stiffness of VSAs.Both the polynomial and conventional models performed well for estimating the output torque of the TPS-VSA, but the polynomial model has an average error of less than 0.0737 Nm, which significantly outperforms the conventional model (which has an average error above 0.1167 Nm).The dynamic behavior and frequency responses obtained through free vibration test shows that the natural frequency of TPS-VSA can be effectively changed by the proposed mechanism.The result of stiffness regulation test demonstrates that TPS-VSA can achieve the whole range stiffness variation within 0.9 s.The result of trajectory tracking test indicates that TPS-VSA can accurately track different trajectories with a simple PID controller.
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