Optimal configurations for stiffness and compliance in human & robot arms

刚度 机器人 计算机科学 控制理论(社会学) 仿人机器人 笛卡尔坐标系 任务(项目管理) 机械臂 关节刚度 模拟 控制(管理) 人工智能 工程类 数学 结构工程 几何学 系统工程
作者
Jon Woolfrey,Arash Ajoudani,Wenjie Lu,Lorenzo Natale
出处
期刊:PLOS ONE [Public Library of Science]
卷期号:19 (5): e0302987-e0302987
标识
DOI:10.1371/journal.pone.0302987
摘要

Research in neurophysiology has shown that humans are able to adapt the mechanical stiffness at the hand in order to resist disturbances. This has served as inspiration for optimising stiffness in robot arms during manipulation tasks. Endpoint stiffness is modelled in Cartesian space, as though the hand were in independent rigid body. But an arm is a series of rigid bodies connected by articulated joints. The contribution of the joints and arm configuration to the endpoint stiffness has not yet been quantified. In this paper we use mathematical optimisation to find conditions for maximum stiffness and compliance with respect to an externally applied force. By doing so, we can retroactively explain observations made about humans using these mathematically optimal conditions. We then show how this optimisation can be applied to robotic task planning and control. Experiments on a humanoid robot show similar arm posture to that observed in humans. This suggests there is an underlying physical principle by which humans optimise stiffness. We can use this to derive natural control methods for robots.

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