A Sine Wave-Shaped Spring to Enhance the Compactness of Series Elastic Actuators

执行机构 扭矩 弹簧(装置) 偏转(物理) 正弦波 刚度 外骨骼 有限元法 关节刚度 计算机科学 线性 结构工程 机械工程 控制理论(社会学) 模拟 工程类 物理 电子工程 电气工程 光学 人工智能 热力学 电压 控制(管理)
作者
Marcello Palagi,Gianluca Rinaldi,Giancarlo Santamato,Massimiliano Solazzi,Antonio Frisoli,Domenico Chiaradia
标识
DOI:10.1109/icar58858.2023.10406771
摘要

In this paper, we discuss the design methodology of a novel torsional spring, embedded in a series elastic actuator (SEA) for portable upper-limb exoskeleton applications. Starting from a simple beam model, a class of design candidates is examined through theoretical formulation and finite element (FE) simulations. We found out that a sine wave shape is the best compromise to achieve the desired compliance for a safe use of the exos. Besides, this novel design reveals to reduce the encumbrance of the joint with respect to previous architectures, for fixed weight. The spring was manufactured in a 3D-printed metal with main dimensions - $\phi$ diameter 98 mm, 18 mm of width - and weight - 0.34 kg. Experiments have been performed on the SEA to validate the joint characteristic in the torque-angle plane. Results are promising since linearity is confirmed and the experimental stiffness coincides with the theoretical estimate. In particular, the joint is validated for operation up to a deflection of 13.75° under a nominal torque of 9 Nm. Therefore, the proposed elastic joint is suitable for integration in physical human-robot interactions.

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