Investigating the Effect of a Series Elastic Actuation Retrofit to Black-Box Actuators

Resumo Técnico: Investigando o Efeito de um Retrofit de Atuação Elástica em Série a Atuadores Black-Box

Definição do Problema
Em aplicações robóticas, os atuadores são tipicamente projetados com alta rigidez e folga mínima para garantir precisão. No entanto, essa rigidez limita a complacência, levando a potenciais danos e um controle de força deficiente em ambientes incertos. Embora a Atuação Elástica em Série (SEA) introduza complacência para melhorar a rejeição de distúrbios e permitir a medição de força via Lei de Hooke, ela tradicionalmente reduz a largura de banda do sistema devido às frequências naturais mais baixas. Além disso, a maioria das implementações de SEA é integrada durante a fase de projeto inicial. Isso deixa uma lacuna na literatura em relação ao retrofit de atuadores "black-box" pré-existentes, particularmente na mitigação de não-linearidades inerentes, como o atrito estático e a folga (backlash), sem comprometer o desempenho.

Metodologia
O estudo avaliou o impacto do retrofit de um elemento elástico em série (SE) customizado em um atuador de motor RMD X8-V2 "all-in-one" (um derivado do atuador MIT-Cheetah). A pesquisa focou em isolar o efeito do elemento SE na largura de banda do controle de força em malha fechada.

• Design e Configuração: Uma configuração de SEA de Sensoriamento de Força (FSEA) foi selecionada, posicionando a mola após o trem de engrenagens para melhorar a sensibilidade de força, eliminando erros de medição induzidos pela inércia. O elemento SE foi um disco torcional axissimétrico de ordem 3 cortado a laser, com estruturas lamelares em forma de espiral, projetado via análise de Elementos Finitos (FE) para garantir deslocamento linear dentro da faixa de torque do motor.
• Medição: A medição angular direta foi priorizada sobre métodos diferenciais para evitar erros provenientes da folga do trem de engrenagens. Um encoder magnético AS5311 foi montado em uma PCB customizada acoplada ao eixo de saída do motor, rotacionando com o motor e a saída do SEA, alcançando uma resolução de $1.109 \times 10^{-5}$ rad/pulso.
• Configuração Experimental: O sistema foi testado em quatro configurações sob um varredura de frequência linear (Equação 1) em várias amplitudes de torque:
  1. Motor original (malha aberta).
  2. Motor com módulo SEA, sem feedback (malha aberta SEA).
  3. Motor com módulo SEA, com feedback de SEA (malha fechada).
  4. Motor com módulo SEA, com feedback de um sensor de força comercial ATI Gamma.
• Controle e Análise: Uma arquitetura de controle combinada de feedforward-feedback foi implementada em Python. A largura de banda foi avaliada via diagramas de Bode. Os autores propuseram um algoritmo modificado para estimativa de largura de banda para considerar a resposta dinâmica de segunda ordem da SEA, que pode causar quedas temporárias de magnitude abaixo de -3dB sem degradar a operabilidade geral do sistema.

Principais Resultados
O retrofit demonstrou melhorias significativas na largura de banda do controle de força na presença de não-linearidades:

• Desempenho em Malha Aberta: Como esperado, a adição do elemento SE reduziu a largura de banda de malha aberta. A largura de banda média diminuiu de 5,12 Hz (motor original) para 4,78 Hz, e a largura de banda máxima caiu de 10,32 Hz para 8,12 Hz.
• Desempenho em Malha Fechada: A introdução do feedback da SEA melhorou significamente o desempenho. A largura de banda média de malha fechada aumentou em 231% (de 5,12 Hz para 15,86 Hz), e a largura de banda máxima aumentou aproximadamente três vezes, subindo de 10,32 Hz para 30,32 Hz.
• Comparação com Sensores Comerciais: O módulo SEA customizado alcançou uma largura de banda máxima de 30,32 Hz, superando o sensor comercial ATI Gamma (28,17 Hz) em 7,63%. O módulo SEA custou aproximadamente £25, comparado ao custo de \5.260–\7.010 do ATI Gamma.
• Consistência vs. Desempenho de Pico: Embora o módulo SEA tenha alcançado uma largura de banda de pico maior, o ATI Gamma demonstrou maior consistência, com uma faixa de largura de banda mais estreita (15,60 Hz a 28,17 Hz) em comparação com a variação mais ampla do módulo SEA (1,10 Hz a 30,32 Hz). O ATI Gamma forneceu uma largura de banda média (22,43 Hz) superior à do módulo SEA (15,86 Hz).

Significância e Alegações
O artigo afirma que o retrofit de uma SEA em um atuador black-box pode manter ou até aumentar a largura de banda do controle de força na presença de não-linearidades do sistema, como folga e atrito estático. O estudo destaca que, embora as SEAs tipicamente reduzam a largura de banda, a mitigação específica de não-linearidades através da medição direta de torque através do elemento elástico permite larguras de banda efetivas mais altas do que transdutores de força-torque rígidos em certas configurações.

Os autores concluem que o módulo SEA customizado oferece uma alternativa de baixo custo aos sensores de nível industrial. Apesar de exibir maior variabilidade, ele conseguiu exceder a largura de banda de pico de um sensor comercial de alto desempenho em 7,63% por uma fração do custo. O trabalho fornece insights sobre designs de SEA retroajustáveis, enfatizando os benefícios das configurações FSEA e da medição de deslocamento direto para melhorar o controle de força em atuadores não originalmente projetados para integração de SEA. Trabalhos futuros sugerem incluir estratégias de controle avançadas, como designs baseados em observadores, e melhorias na manufatura para reduzir não-linearidades e aumentar a consistência.