Series Elastic Actuator

• Detto anche: SEA, series-elastic actuator, compliant actuator
• Categoria: Actuation & drivetrain › Transmission
• Tag: actuator, compliance, force-control, safety, legged-locomotion, human-robot-interaction

Soluzione di attuatore che colloca intenzionalmente un elemento elastico cedevole (molla) tra l'uscita di motore/riduttore e il carico, consentendo un controllo preciso della forza e un'interazione sicura con le persone.

Definizione

Un attuatore elastico in serie (SEA) è un tipo di attuatore robotico che introduce deliberatamente un elemento cedevole, tipicamente una molla, in serie tra l'uscita del gruppo motore-riduttore e il carico del giunto. A differenza degli attuatori rigidi convenzionali, che puntano a ridurre al minimo la cedevolezza per ottenere la massima precisione di posizione, i SEA trasformano la cedevolezza in una caratteristica. Misurando la deflessione della molla, proporzionale alla forza trasmessa (legge di Hooke), l'attuatore può rilevare e controllare con precisione la forza che esercita senza bisogno di costosi sensori di forza/coppia.

Il concetto è stato introdotto da Gill Pratt e Matthew Williamson al MIT nel 1995, partendo dall'osservazione che i muscoli biologici sono intrinsecamente cedevoli e che questa cedevolezza è fondamentale per una locomozione e una manipolazione sicure ed efficienti. Gli attuatori rigidi tradizionali con riduttori ad alto rapporto presentano all'ambiente un'impedenza molto elevata: se qualcosa di imprevisto entra in contatto con il robot, la trasmissione rigida trasmette grandi forze d'urto. I SEA, al contrario, assorbono l'energia dell'urto nel loro elemento elastico, limitando in modo naturale le forze di contatto e rendendo il robot intrinsecamente più sicuro nell'interazione con le persone.

La molla di un SEA svolge più funzioni oltre al rilevamento della forza. Agisce come filtro meccanico passa-basso, attenuando l'ondulazione di coppia di motore e riduttore. Immagazzina e rilascia energia durante i movimenti ciclici come la camminata, migliorando l'efficienza energetica, proprio come i tendini immagazzinano energia elastica durante la corsa. Disaccoppia l'inerzia del motore dal carico, rendendo l'attuatore più reversibile e consentendo un controllo della forza ad ampia banda anche con riduttori ad alto rapporto.

Il principale compromesso dei SEA è una banda del controllo di posizione ridotta rispetto agli attuatori rigidi. Poiché la forza deve passare attraverso una molla per raggiungere il carico, l'attuatore non può cambiare la posizione del carico altrettanto rapidamente. Ciò rende i SEA meno adatti alle applicazioni che richiedono un posizionamento estremamente rapido e preciso (come il pick-and-place ad alta velocità), ma eccellenti per le applicazioni in cui contano di più il controllo della forza, la sicurezza e l'efficienza energetica.

I SEA si sono evoluti notevolmente dalla loro introduzione. I SEA compatti integrano molla, motore, riduttore ed elettronica in un unico modulo. Gli attuatori a rigidezza variabile (VSA) estendono il concetto consentendo di regolare la rigidezza della molla durante il funzionamento, così che il robot sia rigido quando serve precisione e cedevole quando la sicurezza è prioritaria. Gli attuatori quasi-direct drive (QDD) rappresentano una filosofia alternativa, che ottiene la cedevolezza tramite bassi rapporti di riduzione e motori reversibili anziché con molle esplicite.

Perché è importante

Gli attuatori elastici in serie (SEA) hanno reso praticabili l'interazione sicura tra uomo e robot e la locomozione dinamica con zampe. Trasformando la cedevolezza da problema a soluzione, i SEA hanno reso possibile una generazione di robot in grado di camminare, correre e lavorare accanto alle persone, cambiando radicalmente ciò che i robot possono fare fuori dalle gabbie e dalle fabbriche.

Applicazioni principali

• Locomozione dei robot con zampe: camminata e corsa efficienti dal punto di vista energetico grazie a una cedevolezza naturale
• Robotica collaborativa: attuatori intrinsecamente sicuri per l'interazione fisica uomo-robot
• Dispositivi di riabilitazione e assistenza: attuazione delicata e controllata in forza per esoscheletri e protesi
• Robot umanoidi: giunti cedevoli che assorbono gli urti e consentono movimenti naturali
• Manipolazione controllata in forza: controllo preciso della coppia per compiti di assemblaggio e lucidatura
• Equilibrio bipede: assorbimento degli urti all'appoggio del tallone e adattamento al terreno

In pratica

Il robot umanoide Valkyrie della NASA usa attuatori elastici in serie (SEA) in tutto il corpo, con SEA lineari su misura nelle gambe e SEA rotativi nelle braccia. La cedevolezza consente a Valkyrie di assorbire l'impatto con il suolo durante la camminata e di interagire in sicurezza con gli operatori umani durante i compiti collaborativi. Ogni modulo SEA integra in un ingombro compatto un motore brushless, un riduttore armonico, una molla su misura e l'elettronica di bordo.

Nel campo della riabilitazione, i robot terapeutici InMotion di Bionik Laboratories usano attuatori elastici in serie per fornire un'assistenza controllata con precisione durante gli esercizi di recupero dopo un ictus. Il SEA misura le forze di interazione attraverso la deflessione della molla, permettendo al robot di assistere solo quanto serve al paziente: un supporto completo nelle prime fasi del recupero e un'assistenza gradualmente ridotta man mano che il paziente recupera forza.

Idee sbagliate comuni

• La molla di un attuatore elastico in serie (SEA) è un difetto di progettazione: la molla è intenzionale e fornisce rilevamento della forza, sicurezza, accumulo di energia e assorbimento degli urti
• I SEA sono sempre più lenti degli attuatori rigidi: nei compiti di controllo della forza, i SEA possono in realtà raggiungere una banda più ampia degli attuatori rigidi, perché filtrano in modo naturale i disturbi ad alta frequenza
• I SEA servono solo per i robot che camminano: sono altrettanto preziosi nella manipolazione, nella riabilitazione e in qualsiasi applicazione che richieda un'interazione di forza sicura
• Serve proprio una molla metallica: i SEA moderni usano vari elementi cedevoli, tra cui molle polimeriche, elementi in gomma e flessure progettate su misura

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri robotici che progettano attuatori per robot con zampe o cobot
• Ingegneri meccanici che lavorano alla progettazione di meccanismi cedevoli
• Ricercatori di robotica riabilitativa che sviluppano esoscheletri e protesi
• Progettisti di attuatori che scelgono tra architetture di trasmissione rigide e cedevoli
• Studenti che studiano l'attuazione e la progettazione meccanica per la robotica

Tecnologie correlate

• Attuatore a rigidezza variabile
• Attuatore elastico in parallelo
• Quasi-direct drive (QDD)
• Reversibilità
• Rilevamento della coppia
• Meccanismo cedevole

Termini correlati

• Torque Control
• Backdrivability

Progetti correlati

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