Variable Stiffness Actuation via 3D-Printed Nonlinear Torsional Springs

非线性系统 刚度 变量(数学) 结构工程 3d打印 扭力弹簧 材料科学 控制理论(社会学) 物理 工程类 计算机科学 数学 生物医学工程 数学分析 人工智能 量子力学 控制(管理)
作者
Hannes Höppner,Annika Kirner,Joshua Göttlich,Linnéa Jakob,Alexander Dietrich,Christian Ott
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (5): 4324-4331 被引量:1
标识
DOI:10.1109/lra.2025.3549658
摘要

Variable Stiffness Actuators (VSAs) are promising for advanced robotic systems, offering benefits such as improved energy efficiency, impact safety, stiffness adaptability, mechanical robustness, and dynamic versatility. However, traditional designs often rely on complex mechanical assemblies to achieve nonlinear torque–deflection characteristics, increasing system intricacy and introducing potential points of failure. This letter presents the design, implementation, and validation of a novel antagonistic VSA that drastically simplifies complexity of the mechanisms by utilizing 3D-printed progressive nonlinear torsional springs (3DNS). By directly 3D-printing springs, we enable precise control over nonlinear behavior through strategic variation of their geometry. Empirical testing and finite element simulations demonstrate that our springs exhibit low hysteresis, low variance across samples, and a strong correlation between simulated and measured behavior. Integrating these springs into an antagonistic setup demonstrates the feasibility of achieving VSAs with low damping, minimal hysteresis, and stiffness that aligns well with modeled predictions. Our findings suggest that this approach offers a cost-effective and accessible solution for the development of high-performance VSAs.
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