多目的リハビリテーションのためのシリーズvisco-Elastic Actuatorの設計触覚装置

背景：整然と追加された弾力性を備えた低コストモーター（シリーズ弾性アクチュエータ - SEA）で作動する可変構造の平行メカニズムは、リハビリテーションロボット工学にかなりの可能性があります。ただし、海の反射質量と可変構造の並列メカニズムに準拠したアクチュエータに関連する並列メカニズムは、以前の研究では対処されていない潜在的に不安定な結合機械発振器をもたらします。 方法：この論文の目的は、シミュレーション、実験、および理論分析を通じて、人間と接触している場合に触覚デバイスの安定性と受動性（海のアクチュエーターによって駆動される可変構造並列メカニズムに基づく）を保証する必要な条件を調査することでした。散逸する要素である機械的ダンパーが海のばねと平行に配置された同等の機械システムを分析しました。 結果：理論分析により、減衰係数、スプリングの剛性、反射質量、コントローラーのゲイン、および人間と接触しているときにデバイスの安定した受動的動作を得るために満たす必要がある仮想インピーダンスの両方に関連する必要な条件が得られました。派生した受動条件の妥当性は、シミュレーションおよび実験的に確認されました。 結論：これらの結果は、海洋で作動する可変構造の並列メカニズムを適切に設計することにより、多目的で手頃なリハビリテーションロボットデバイスを考案できることを示しており、臨床環境と家庭環境での広範な使用を促進する可能性があります。

BACKGROUND: Variable structure parallel mechanisms, actuated with low-cost motors with serially added elasticity (series elastic actuator--SEA), has considerable potential in rehabilitation robotics. However, reflected masses of a SEA and variable structure parallel mechanism linked with a compliant actuator result in a potentially unstable coupled mechanical oscillator, which has not been addressed in previous studies. METHODS: The aim of this paper was to investigate through simulation, experimentation and theoretical analysis the necessary conditions that guarantee stability and passivity of a haptic device (based on a variable structure parallel mechanism driven by SEA actuators) when in contact with a human. We have analyzed an equivalent mechanical system where a dissipative element, a mechanical damper was placed in parallel to a spring in SEA. RESULTS: The theoretical analysis yielded necessary conditions relating the damping coefficient, spring stiffness, both reflected masses, controller's gain and desired virtual impedance that needs to be fulfilled in order to obtain stable and passive behavior of the device when in contact with a human. The validity of the derived passivity conditions were confirmed in simulations and experimentally. CONCLUSIONS: These results show that by properly designing variable structure parallel mechanisms actuated with SEA, versatile and affordable rehabilitation robotic devices can be conceived, which may facilitate their wide spread use in clinical and home environments.