elib
DLR-Header
DLR-Logo -> http://www.dlr.de
DLR Portal Home | Impressum | Datenschutz | Barrierefreiheit | Kontakt | English
Schriftgröße: [-] Text [+]

A visco-elastic actuator with linear gas spring and variable damping

Loeffl, Florian Christoph und Beck, Fabian und Lee, Jinoh und Kim, MinJun und Keppler, Manuel (2025) A visco-elastic actuator with linear gas spring and variable damping. Mechatronics, 109, Seite 103334. Elsevier. doi: 10.1016/j.mechatronics.2025.103334. ISSN 0957-4158.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0957415825000431

Kurzfassung

Series elastic actuators (SEAs) enhance safety and robustness in robotic joints but sacrifice torque and motion bandwidth compared to rigid actuators. Variable viscoelastic actuators (VVEAs) overcome these limitations by integrating an adjustable damping element with a spring, balancing open-loop torque bandwidth with impact safety and robustness. However, most existing VVEA designs rely on mechanical springs that add significant weight. We introduce a lightweight VVEA based on a pneumatic spring design. This actuator achieves linear, offline-adjustable stiffness using antagonistic gas chambers and provides online-adjustable damping via a hydraulic throttle valve. In our design, the increasing force of one chamber is moderated by the decreasing force of the other, resulting in a measured maximal deviation of 12% from the linear model. Additionally, an elastic silicone cast bladder replaces the conventional ring-shaped piston, significantly reducing breakaway force. To evaluate its benefits over standard actuators, we applied optimal control to periodic rest-to-rest motions typical of pick-and-place tasks. Based on mean tracking error, the VVEA outperforms SEAs in 29.1% of trials and rigid actuators in 89.2% of trials. Although increasing damping improves performance, it compromises safety; our optimization study demonstrates the potential of an online variable damping setpoint to balance these trade-offs. These results suggest that VVEAs hold great promise for applications requiring rapid maneuvers and enhanced impact safety and robustness.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/214635/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A visco-elastic actuator with linear gas spring and variable damping
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Loeffl, Florian ChristophFlorian.Loeffl (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6914-5414NICHT SPEZIFIZIERT
Beck, FabianFabian.Beck (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-3239-5505NICHT SPEZIFIZIERT
Lee, JinohJinoh.Lee (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4901-7095186062443
Kim, MinJunMinJun.Kim (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Keppler, ManuelManuel.Keppler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1532-963XNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:14 Mai 2025
Erschienen in:Mechatronics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:109
DOI:10.1016/j.mechatronics.2025.103334
Seitenbereich:Seite 103334
Verlag:Elsevier
ISSN:0957-4158
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Variable impedance actuationDampingRobotsActuatorsCable driven robotsHuman–robot interactionLegged robotsSeries elastic actuationDesignSprings
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Robotik
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RO - Robotik
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Mechatronik [RO]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013)
Hinterlegt von: Keppler, Manuel
Hinterlegt am:16 Jun 2025 14:51
Letzte Änderung:16 Jun 2025 14:51

Nur für Mitarbeiter des Archivs: Kontrollseite des Eintrags

Blättern
Suchen
Hilfe & Kontakt
Informationen
OpenAIRE Validator logo electronic library verwendet EPrints 3.3.12
Gestaltung Webseite und Datenbank: Copyright © Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Alle Rechte vorbehalten.