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Maximum Stiffness of Impact-Robust Actuators in Highly Dynamic Robotics Tasks: Application to Series Elastic Actuator Design

Shu, Anton Leonhard und Loeffl, Florian Christoph und Kolb, Alexander und Wandinger, David und Beck, Fabian und Reinecke, Jens und Grebenstein, Markus und Hutter, Marco und Lee, Jinoh (2026) Maximum Stiffness of Impact-Robust Actuators in Highly Dynamic Robotics Tasks: Application to Series Elastic Actuator Design. IEEE Robotics and Automation Letters. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/LRA.2026.3710324. ISSN 2377-3766.

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3MB

Offizielle URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/11595530

Kurzfassung

Highly dynamic motions such as running expose legged robot actuators to substantial impact torques, necessitating impact-resilient or impact-robust designs. Accordingly, actuator design must explicitly account for these impact robustness requirements. We present solutions for the impact-induced peak torque at the gearbox, where we analyze applicable contact time and parameter sensitivity. From these, we derive algebraic inequalities to determine the maximum stiffness of series elastic actuators that exhibit impact robustness. Derived from a timedomain solution of the post-impact dynamics, the proposed closed-form inequalities incorporate gearbox peak torque, reduction ratio, motor and link inertia, operational torque acting before and during impact, as well as impact impulse. We demonstrate this method by designing a humanoid actuator featuring both a novel 14 J hollow-shaft spring with 546 Nm/rad, and a conceptual axial torque-overload breakaway disk for added safety. Experimental evaluation of the impact response validates our impact-torque prediction for two different contact-time regimes, three different link inertia settings and two different stiffness settings.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/225309/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Maximum Stiffness of Impact-Robust Actuators in Highly Dynamic Robotics Tasks: Application to Series Elastic Actuator Design
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Shu, Anton LeonhardAnton.Shu (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8825-6697220633081
Loeffl, Florian ChristophNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-6914-5414NICHT SPEZIFIZIERT
Kolb, AlexanderAlexander.Kolb (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wandinger, DavidNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-3150-8822220633082
Beck, FabianNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-3239-5505NICHT SPEZIFIZIERT
Reinecke, JensNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0001-9256-0766NICHT SPEZIFIZIERT
Grebenstein, MarkusNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-4026-3716220633083
Hutter, MarcoNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-4285-4990NICHT SPEZIFIZIERT
Lee, JinohJinoh.Lee (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4901-7095220633085
Datum:6 Juli 2026
Erschienen in:IEEE Robotics and Automation Letters
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1109/LRA.2026.3710324
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Della Santina, CosimoNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-1067-1134NICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISSN:2377-3766
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Actuation and Joint Mechanisms, Compliant Joints and Mechanisms, Mechanism Design, Humanoid Robot Systems, Legged Robots
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 - Laufroboter/Lokomotion [RO], R - Mechatronik [RO]
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013) > Mechatronische Systeme
Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013) > Analyse und Regelung komplexer Robotersysteme
Institut für Robotik und Mechatronik (ab 2013)
Hinterlegt von: Shu, Anton Leonhard
Hinterlegt am:14 Jul 2026 13:33
Letzte Änderung:14 Jul 2026 13:33

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