論文の概要: Design and Experimental Validation of a 3D Printed Torsional Series Elastic Actuator for Safe Human Robot Interaction
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.19367v1
- Date: Wed, 16 Sep 2026 19:42:24 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-20 08:55:53.991246
- Title: Design and Experimental Validation of a 3D Printed Torsional Series Elastic Actuator for Safe Human Robot Interaction
- Title（参考訳）: 安全ロボットインタラクションのための3Dプリントねじり直列弾性アクチュエータの設計と実験検証
- Abstract要約: シリーズElastic Actuators (SEAs)はハードウェアベースのコンプライアンスを提供する。
伝統的な金属デザインは複雑で多部品の組み立てを必要とすることが多い。
本稿では,SEAsのねじりばね設計,有限要素解析(FEA),低剛性の実験的検証について述べる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.46976113832881716
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: Ensuring intrinsic safety in physical human robot interaction (pHRI) is a critical requirement for social and service robots. While Series Elastic Actuators (SEAs) offer hardware based compliance, traditional metallic designs often require complex, multi part assemblies. This paper presents the design, finite element analysis (FEA), and experimental validation of a low stiffness, torsional spring for SEAs, manufactured via 3D printed thermoplastic polyurethane (TPU). The compliant element exhibits a highly linear torque deformation response (Ks = 0.066 Nm/degree), matching numerical predictions with under 3% deviation, a variance attributed to FDM structural anisotropy. To accommodate external interactions using standard position limited servomotors, a hybrid position controller with torque threshold switching was implemented. Experimental evaluations demonstrate the system ability to accurately track non stationary trajectories and safely yield to external disturbances. Furthermore, the inherent material damping of the TPU acts as a passive low pass filter, preventing high frequency oscillations during control mode transitions. The proposed architecture offers a cost effective, reliable, and easily manufacturable solution for safe pHRI.
- Abstract（参考訳）: 物理的人間ロボットインタラクション(pHRI)における本質的な安全性の確保は、社会・サービスロボットにとって重要な要件である。
Series Elastic Actuator (SEAs) はハードウェアベースのコンプライアンスを提供するが、従来の金属設計では複雑な複数部品のアセンブリを必要とすることが多い。
本稿では3Dプリント熱可塑性ポリウレタン(TPU)を用いて作製したSEA用ねじりばねの設計,有限要素解析(FEA)および低剛性の実験的検討を行った。
適合要素は、高い線形変形応答(Ks = 0.066 Nm/degree)を示し、数値予測と3%以下の偏差(FDM構造異方性に起因する分散)を一致させる。
標準位置制限サーボモータを用いた外的相互作用に対応するため、トルク閾値切替を有するハイブリッド位置制御器が実装された。
実験的評価は、非定常軌道を正確に追跡し、外部の障害に対して安全に回復するシステム能力を示す。
さらに、TPUの材料減衰はパッシブローパスフィルタとして機能し、制御モード遷移時の高周波発振を防止する。
提案したアーキテクチャは、安全なpHRIのためにコスト効率が高く、信頼性が高く、容易に製造可能なソリューションを提供する。
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