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Series Elastic Actuator

  • 又稱: SEA, series-elastic actuator, compliant actuator
  • 類別: Actuation & drivetrain › Transmission
  • 標籤: actuator, compliance, force-control, safety, legged-locomotion, human-robot-interaction

一種致動器設計，刻意在馬達/減速箱輸出端與負荷之間放置順應的彈性元件（彈簧），實現精確的力控制與安全的人機互動。

定義

串聯彈性致動器（SEA）是一種機器人致動器，刻意在馬達減速箱輸出端與關節負荷之間串聯一個順應元件，通常是彈簧。傳統的剛性致動器力求把順應性降到最低以取得最高的位置精度，SEA 則把順應性當成一項特點。透過量測與所傳遞之力成正比的彈簧變形量（虎克定律），致動器不需要昂貴的力/力矩感測器，就能準確感測並控制它所施加的力。

這個概念由 MIT 的 Gill Pratt 與 Matthew Williamson 在 1995 年提出，動機來自一項觀察：生物肌肉本質上就是順應的，而這種順應性是安全、有效率之行走運動與操作的基礎。搭配高減速比減速箱的傳統剛性致動器，對環境呈現極高的阻抗：如果有意料之外的東西碰到機器人，剛性的傳動系統會傳遞很大的衝擊力。相反地，SEA 以彈簧元件吸收衝擊能量，自然地限制接觸力，讓機器人在與人互動時本質上更安全。

SEA 中的彈簧除了感測力之外還有多項功能。它是一個低通機械濾波器，能平滑來自馬達與減速箱的扭矩漣波。它在步行等週期性運動中儲存並釋放能量，提高能源效率，就像肌腱在跑步時儲存彈性能量一樣。它把馬達慣量與負荷解耦，讓致動器更具可回驅性，即使使用高減速比的減速箱，也能實現高頻寬的力控制。

SEA 的主要取捨是，與剛性致動器相比，位置控制頻寬較低。由於力必須通過彈簧才能到達負荷，致動器無法那麼快地改變負荷的位置。這讓 SEA 較不適合需要極快速、精確定位的應用（例如高速取放），但非常適合力控制、安全與能源效率更重要的應用。

SEA 自問世以來已有長足的發展。緊湊型 SEA 把彈簧、馬達、減速箱與電子元件整合成單一模組。可變剛性致動器（VSA）擴展了這個概念，允許在運作期間調整彈簧剛性，讓機器人在需要精度時剛硬、在安全至上時柔順。準直驅致動器則代表另一種設計理念，透過低減速比與可回驅的馬達，而不是明確的彈簧，來取得順應性。

為何重要

串聯彈性致動器讓安全的人機互動與動態的足式行走運動變得實用。SEA 把順應性從問題變成解答，促成了一整個世代能步行、奔跑並與人類並肩工作的機器人，從根本上改變了機器人在柵欄與工廠之外能做的事。

主要應用

  • 足式機器人行走運動：藉由天生的順應性實現節能的步行與奔跑
  • 協作機器人：用於人機實體互動、本質上安全的致動器
  • 復健與輔助裝置：為外骨骼與義肢提供輕柔、力控制的致動
  • 人形機器人：能吸收衝擊、實現自然動作的順應關節
  • 力控制操作：用於組裝與拋光任務的精確扭矩控制
  • 雙足平衡：腳跟著地時的緩衝與地形適應

實際應用

NASA 的 Valkyrie 人形機器人全身都使用串聯彈性致動器，腿部是客製的線性 SEA，手臂則是旋轉式 SEA。這種順應性讓 Valkyrie 能在步行時吸收地面衝擊，並在協作任務中與人類操作員安全互動。每個 SEA 模組都把無刷馬達、諧波減速機、客製彈簧與嵌入式電子元件整合在一個緊湊的組件中。

在復健領域，Bionik Laboratories 的 InMotion 治療機器人使用串聯彈性致動器，在中風復健運動中提供精確控制的輔助。SEA 透過彈簧變形量量測互動力，讓機器人只提供病人所需的輔助：在復健初期提供完整的支撐，並隨著病人恢復力氣逐漸減少輔助。

常見誤解

  • SEA 中的彈簧是設計缺陷：彈簧是刻意加入的，提供力感測、安全、儲能與衝擊吸收
  • SEA 一定比剛性致動器慢：在力控制任務中，SEA 實際上能達到比剛性致動器更高的頻寬，因為它們會自然濾除高頻擾動
  • SEA 只適用於步行機器人：它們在操作、復健以及任何需要安全力互動的應用中同樣有價值
  • 一定要用真正的金屬彈簧：現代 SEA 使用各種順應元件，包括聚合物彈簧、橡膠元件與客製撓性結構設計

誰需要了解

  • 為足式或協作機器人設計致動器的機器人工程師
  • 從事順應機構設計的機械工程師
  • 開發外骨骼與義肢的復健機器人研究人員
  • 在剛性與順應傳動架構之間做選擇的致動器設計者
  • 研究機器人致動與機械設計的學生

相關技術

  • 可變剛性致動器
  • 並聯彈性致動器
  • 準直驅
  • 可回驅性
  • 扭矩感測
  • 順應機構

相關術語

  • Torque Control
  • Backdrivability

相關專案

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影片

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