Power Requirement and Energy Consumption Comparison of Antagonistic and Pretension Type Variable Stiffness Actuator Designs for the Joints of Lower Extremity Exoskeleton Robots

Abstract

Exoskeleton robots are wearable electromechanical structures which can work interacting with human limbs. These robots are used as assistive limbs, rehabilitation and power augmentation purposes for elderly or paralyzed persons and healthy persons respectively. The similarity of the design and control between the exoskeleton robots and human body maximizes the device performance. Human body neuro-muscular system varies the stiffness of the human joints regularly and thus provides flexible and safe movement capability with minimum energy consumption. The studies on the variable stiffness actuator designs are stil moving along rapidly in the present time. The leading ones are antagonistic and pretension type variable stiffness actuators. Exoskeleton robots need to be drived energy efficiently and with less power requirements as they are mobile devices supplied by batteries. In this study, antagonistic and pretension type variable stiffness actuator designs of ankle joint are compared in terms of energy efficiency and power requirement for

Keywords

• Exoskeleton robot
• Orthesis
• Prosthesis
• Variable stiffness actuator
• Antagonistic type design
• Pretension type design

Dış iskelet Robot Eklemleri için Antagonisttik ve Öngerilmeli Tip Sertliği Değiştirilebilir Eyleyici Tasarımlarında Güç Gereksinimi ve Enerji Sarfiyatı Karşılaştırması

Abstract

Dış iskelet robotlar, insan uzuvları ile etkileşim halinde çalışan, giyilebilir elektromekanik yapılardır. Bu robotlar, yürüme engeli olan ya da yaşlı kişilerde yardımcı uzuv, felçli kişilerde rehabilitasyon ve sağlıklı insanlarda güç artırımı amacı ile kullanılmaktadır. Dış iskelet robotların tasarımının ve denetiminin insan vücudunun biyomekanik işleyişi ve sinir-kas denetimi ile benzer olması bu robotların performansını en üst seviyelere çıkaracaktır. İnsan vücudunun sinir-kas sistemi, bağlı bulundukları eklemlerde sertliği devamlı değiştirerek minimum enerji sarfiyatı ile esnek ve güvenli bir hareket kabiliyeti sağlamaktadır. Günümüzde sertliği değiştirilebilir eyleyici tasarımları ile ilgili çalışmalar hızla devam etmektedir. Bu tasarımlardan önde gelenleri antagonisttik ve öngerilmeli eyleyici tasarımlarıdır. Dış iskelet robotlar, batarya gibi ekipmanlar ile çalışan mobil sistemler olduğu için enerji verimli olmalı ve tasarımda kullanılacak olan motorlardan istenen güç gereksinimlerinin minimum düzeyde tutulması gerekmektedir. Bu çalışmada; optimum yürüme hızında ayak bileği için antagonisttik ve öngerilmeli sertliği
değiştirilebilir eyleyici tasarımları minimum güç gereksinimi ve enerji sarfiyatı açısından karşılaştırılmaktadır. Elde edilen sonuçlar; değişken sertlik katsayısı koşulunda antagonisttik eyleyici tasarımının öngerilmeli sertliği değiştirilebilir eyleyici tasarımdan daha enerji verimli olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, antagonisttik sertliği değiştirilebilir eyleyici tasarımlarının, dış iskelet robotların, ortezlerin, protezlerin ve insansı robotların eklemlerinde kullanımı düşük enerji sarfiyatı elde etmek için antagonisttik tasarımlardan daha uygundur. 

Keywords

• Dış iskelet robot
• Ortez
• Protez
• Sertliği değiştirilebilir
• Eyleyici
• Antagonisttik tip tasarım
• Ön gerilmeli tip tasarım

References

1. Alexander, R.M., 2010. Three uses of springs in legged locomotion. Int. J. Robot. Res. Special Issue on Legged Locomotion, 9(2), 53–61
2. Bovi, G., Rabuffetti, M., Mazzoleni, P., Ferrarin, M., 2010. A multiple-task gait analysis approach: kinematic, kinetic and EMG reference data for healthy young and adult subjects, Gait and Posture, 33, 6-13
3. Catalano, M., Grioli, G., Garabini, M., Bonomo, F., Mancini, M., Tsagarakis, N., Bicchi, A., 2005. VSA- CubeBot: a modular variable stiffness platform for multiple International
4. Automation, USA, 5090-5095 on Robotics
5. and Gates, D.H., 2004. Characterizing ankle function during stair ascent, descent, and level walking for ankle prosthesis and orthosis design, (Master thesis), Boston University.
6. Hansen, A.H., Childress, D.S., Miff, S. Gard, S., Mesplay, K., 2004. The human ankle during walking: implication for the design of biomimetric ankle prosthesis. Journal of Biomechanics, 37, 1467–1474
7. Hof, A.L., Geelen, B.A., Berg, J.V., 1983. Calf muscle moment, work and efficiency in level walking: role of series elasticity, Journal of Biomechanics, 16 (7), 523- 537
8. Holgate, M.A., Hitt, J.K., Bellman, R.D., Sugar, T.G., Hollander, K.W, 2008. The SPARK (Spring Ankle with Regenerative kinetics) project: Choosing a DC motor based actuation method, 2nd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, USA, 163-168

9. Hollander, K.W., Ilg R., Sugar, T.G., Herring, D., 2006. An efficient robotic tendon for gait assistance, J. Biomech. Eng., 128(5), 788–791
10. Hurst, W., Chestnutt, J.,.Rizzi, A., 2004. An actuator with physically variable stiffness for highly dynamic legged locomotion. IEEE International Conference on Robotics and Automation, USA, pp. 4662–466
11. Hurst, J.V., Chestnutt, J.,. Rizzi, A., 2004. Report on an actuator
12. compliance,’’ Carnegie Mellon Univ., USA, CMU-RI-TR- 04-24 adjustable
13. series Inman, V.T., Ralston, H.J., Todd, F., 1981. Human Walking, Williams and Wilkins, Baltimore.
14. Jafari, A., Tsagarakis, N., Caldwell, D.G., 2011. AwAS-II: A new actuator with adjustable stiffness based on the novel principle of adaptable pivot point and variable lever ratio, IEEE International Conference on Robotics and Automation, China pp. 4638–4643
15. Jafari, A., Tsagarakis, N., Vanderborght, B., Caldwell, D., 2010. A novel actuator with adjustable stiffness (AwAS). IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 4201–4206
16. Migliore, S.A., Brown, E.A., De Weerth, S.P., 2005. Biologically inspired joint stiffness control, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, Spain, pp. 4519–4524 Palmer, M., 2002. Sagittal plane characterization of normal human ankle function across a range of walking gait speeds, (Master’s Thesis), Massachusetts Institute of Technology.
17. Prattand, G.A., Williamson, M., 1995. Series elastic actuators, IEEE Int. Workshop on Intelligent Robots and Systems, USA, pp. 399–406
18. Quy, H.V., Aryananda, L., Sheikh, F.I., Casanova F., Pfeifer, R., 2011. IEEE International Conference on Robotics and Automation Shanghai International Conference Center May, Shanghai, China, pp. 9-13
19. Stramigioli, S., Oort, G.V., Dertien, E., 2008. A Concept for a New Energy Efficient Actuator.Proceedings of the
20. Advanced Intelligent Mechatronics, China, pp. 2-5 Conference
21. on Van Ham, R..,Vanderborght, B., Van Damme, M., Verrelst, B., Lefeber, D., 2007. MACCEPA, the mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium
22. implementation in a biped robot. Robot Autonom Syst., 55(10), pp. 761–768 actuator: Design
23. Wang, R., Huang, H., 2010. An Active-Passive Variable Stiffness Elastic Actuator for Safety Robot Systems., IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.18-22, Taiwan.
24. Tonietti, G., Schiavi, R. Bicchi, A., 2005. Design and control of a variable stiffness actuator for safe and fast physical human/robot interaction. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, Spain, pp. 526–531
25. Wolfand, S., Hirzinger, G., 2008. A new variable stiffness design: Matching requirements of the next robot generation. IEEE International Conference on Robotics and Automation, USA, pp. 1741-1746.