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Variable Stiffness Actuation via 3D-Printed Nonlinear Torsional Springs

Höppner, Hannes und Kirner, Annika und Göttlich, Joshua und Jakob, Linnéa und Dietrich, Alexander und Ott, Christian (2025) Variable Stiffness Actuation via 3D-Printed Nonlinear Torsional Springs. IEEE Robotics and Automation Letters, 10 (5), Seiten 4324-4331. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/LRA.2025.3549658. ISSN 2377-3766.

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Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/10918808

Kurzfassung

Variable Stiffness Actuators (VSAs) are promising for advanced robotic systems, offering benefits such as improved energy efficiency, impact safety, stiffness adaptability, mechanical robustness, and dynamic versatility. However, traditional designs often rely on complex mechanical assemblies to achieve nonlinear torque-deflection characteristics, increasing system intricacy and introducing potential points of failure. This letter presents the design, implementation, and validation of a novel antagonistic VSA that drastically simplifies complexity of the mechanisms by utilizing 3D-printed progressive nonlinear torsional springs (3DNS). By directly 3D-printing springs, we enable precise control over nonlinear behavior through strategic variation of their geometry. Empirical testing and finite element simulations demonstrate that our springs exhibit low hysteresis, low variance across samples, and a strong correlation between simulated and measured behavior. Integrating these springs into an antagonistic setup demonstrates the feasibility of achieving VSAs with low damping, minimal hysteresis, and stiffness that aligns well with modeled predictions. Our findings suggest that this approach offers a cost-effective and accessible solution for the development of high-performance VSAs.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/216805/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Variable Stiffness Actuation via 3D-Printed Nonlinear Torsional Springs
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Höppner, HannesBerliner Hochschule für Technik (BHT)https://orcid.org/0000-0003-3184-7653NICHT SPEZIFIZIERT
Kirner, AnnikaTU Wienhttps://orcid.org/0000-0003-1196-1301NICHT SPEZIFIZIERT
Göttlich, JoshuaNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0009-0007-0661-9241NICHT SPEZIFIZIERT
Jakob, LinnéaNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0009-0002-9483-4091NICHT SPEZIFIZIERT
Dietrich, AlexanderAlexander.Dietrich (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-3463-5074192638392
Ott, ChristianChristian.Ott (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0987-7493NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:10 März 2025
Erschienen in:IEEE Robotics and Automation Letters
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:10
DOI:10.1109/LRA.2025.3549658
Seitenbereich:Seiten 4324-4331
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:2377-3766
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Robotics, VSA, elastic, 3D print
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Robotik
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R RO - Robotik
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Roboterdynamik & Simulation [RO]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013) > Analyse und Regelung komplexer Robotersysteme
Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013)
Hinterlegt von: Dietrich, Dr.-Ing. Alexander
Hinterlegt am:24 Sep 2025 16:17
Letzte Änderung:24 Sep 2025 16:17

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