Collaborative robotic arms must be safe in any physical contact as well as have high control performance to be successfully introduced to our everyday lives. Hydrostatic transmission, using incompressible fluid to transmit the force, enables the manipulator to achieve high backdrivability, low mass and inertia, high stiffness, and high energy capacity. However, it could not provide inherent safety due to the incompressibility. Thus, it would be advantageous to combine series compliance on the hydrostatic transmission depending on the situation.
Here, we propose a switchable stiffness hydrostatic transmission implemented with an air spring and solenoid valve. Air spring is serially connected to hydraulic lines for achieving compliance. Its modes (i.e., stiff and compliant modes) can be switched by modulating water flow via the solenoid valve. Rolling diaphragms provide leak-free operation and low seal friction. We experimentally validated that the stiff mode is 9.63 times stiffer than the compliant mode at 100 kPa, and the compliant mode could mitigate the impact force to the level that a tangerine would not be crushed. Since the stiffness switching time is within 12 ms, the proposed mechanism is rapid enough for feedback applications with vision or tactile sensors.
We develop a two-link planar manipulator based on the proposed transmission as an application for a robot manipulator. Experimental results exhibit the possibility of the proposed mechanism to be applied for a human-friendly manipulator. The developed manipulator is identified as two decoupled 4th-order linear models by the sine wave of 1 Hz. Trajectory tracking experiments show that root mean square errors are 0.65 and 0.53 deg for stiff mode and 0.67 and 0.59 deg for compliant mode. Therefore, the developed system can ensure safety with less compromising control performance, owing to the simple and rapidly switchable stiffness mechanism.
협업용 로봇 팔이 일상생활에 성공적으로 도입되기 위해서는 높은 제어 성능 뿐만 아니라 어떠한 물리적 접촉에서도 안전해야 합니다. 비압축성 유체를 사용하여 힘을 전달하는 유압 트랜스미션은 매니퓰레이터가 높은 역구동성, 낮은 질량 및 관성, 높은 강성 및 높은 에너지 용량을 갖도록 합니다. 하지만, 유체의 비압축성으로 인해 본질적인 안전성을 보장하지 못할 수도 있습니다. 따라서, 상황에 따라 유압 트랜스미션에 직렬 탄성요소를 결합할 수 있다면 안전성과 제어 성능 면에서 유리하게 됩니다.
본 논문에서는 압축 공기와 솔레노이드 밸브로 구현된 가변 강성 유압 트랜스미션을 제안합니다. 압축 공기는 유연성을 위해 유압 라인에 직렬로 연결됩니다. 솔레노이드 밸브는 물의 흐름을 조절하여 유압 트랜스미션의 모드(즉, 높은 강성 모드 및 낮은 강성 모드)를 전환할 수 있습니다. 롤링 다이어프램은 유체의 누출없이 낮은 씰 마찰을 제공할 수 있습니다. 실험 결과, 100kPa에서 높은 강성 모드가 낮은 강성 모드보다 9.63배 더 강하고 낮은 강성 모드는 귤이 터지지 않는 수준까지 충분히 충격력을 완화할 수 있음을 검증했습니다. 강성 변환에 걸리는 시간이 12ms 이내이므로 제안된 메커니즘은 시각 또는 촉각 센서를 이용한 피드백 제어에 사용할 수 있을 만큼 충분히 빠르다는 것을 보여줍니다.
제안된 유압 트랜스미션이 로봇 매니퓰레이터에 사용할 수 있음을 보여주기 위하여 2-자유도 평면형 매니퓰레이터를 개발하였습니다. 실험 결과, 제안된 메커니즘은 안전한 물리적 인간-로봇 상호작용을 가능하게 합니다. 개발된 매니퓰레이터는 1Hz의 사인파에 의해 2개의 분리된 4차 선형 모델로 식별됩니다. 궤적 추적 실험에 따르면 제곱 평균 제곱근 오차는 높은 강성 모드의 경우 0.65도 및 0.53도이고 낮은 강성 모드의 경우 0.67 및 0.59도입니다. 따라서 개발된 시스템은 간단하고 빠르게 전환할 수 있는 가변 강성 메커니즘으로 인해 제어 성능이 저하없이 안전을 보장할 수 있습니다.
