Design and Control Considerations for High-Performance Series Elastic Actuators

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作者
Nicholas Paine,Sehoon Oh,Luis Sentis
出处
期刊:IEEE-ASME Transactions on Mechatronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19 (3): 1080-1091 被引量:369
标识
DOI:10.1109/tmech.2013.2270435
摘要

This paper discusses design and control of a prismatic series elastic actuator with high mechanical power output in a small and lightweight form factor. A design is introduced that pushes the performance boundary of electric series elastic actuators by using high motor voltage coupled with an efficient drivetrain to enable large continuous actuator force while retaining speed. Compact size is achieved through the use of a novel piston-style ball screw support mechanism and a concentric compliant element. Generic models for two common series elastic actuator configurations are introduced and compared. These models are then used to develop controllers for force and position tracking based on combinations of PID, model-based, and disturbance observer control structures. Finally, our actuator's performance is demonstrated through a series of experiments designed to operate the actuator at the limits of its mechanical and control capability.

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