Design and development of torsion spring based series elastic actuator with nested encoders for wearable exoskeleton robot

Abstract

his thesis proposes a series elastic actuator design to power an assistive exoskele ton for the paraplegic or stroke patient whom incapable to walk or provide any motion at lower extremity portion of the body. Commonly, active exoskeleton robots are powered with the rigid actuators which do not provide torque control lability any physiological compliance and physical elasticity with the patient. Physical elasticity in the actuator can be used to compensate the environmen tal external forces during motion of the exoskeleton. Therefore, controlling the torque generated at the joints of the exoskeleton would provide safer human-robot interaction. Series elastic actuators are able to provide advanced control and high fidelity control with the elastic element located between the motor and the me chanical output of the series elastic actuator. The main goal of this thesis is to develop a series elastic actuator for a powered exoskeleton to provide torque mea surement and control during locomotion and optimizing the elastic element of the actuator for high fidelity control. To provide torque controllability a custom torsional spring has been produced and placed at the output side of the series elastic actuator. Especially developed SEA modules are designed to be modular, lightweight and have a high torque-to mass ratio. In addition, measurement of the angular displacement of the elastic element is challenging in terms of mechanical design. To circumvent this design problem, a double shaft mechanism was proposed. In this mechanism, the first shaft, which connects the spring and the spring encoder, goes through the second shaft, which is connected to the motor and the motor encoder. This way both encoders are placed on the same side of the SEA. In addition to design, results of the cascaded proportional integral derivative (PID) controller with a disturbance observer (DoB) applied on the actuator is presented.

Bu tez, yürüyemeyen veya vücudun alt ekstremite kısmında herhangi bir hareket sağlayamayan felçli veya felçli hasta için güçlendirilmiş bir dış iskelete güç sağlamak için bir dizi elastik aktüatör tasarımı önermektedir. Genellikle, aktif dış iskelet robotları, sert aktüatörlerle çalıştırılır. Bu nedenle rijit aktüatörler tork kontrol edilebilirliği hasta ile herhangi bir fizyolojik uyum ve fiziksel elastikiyet sağlamaz. Eyleyicideki fiziksel esneklik, dış iskeletin hareketi sırasında çevresel dış kuvvetleri telafi edebilir. Bu nedenle, dış iskeletin eklemlerinde oluşan torkun kontrol edilmesi, güvenli insan-robot etkileşimi sağlar. Seri elastik aktüatörler, motor ve seri elastik aktüatörün mekanik çıkışı arasında bulunan elastik eleman ile gelişmiş kontrol ve yüksek sadakat kontrolü sağlayabilmektedir. Bu tez araştırmasının ana amacı, hareket sırasında tork ölçümü ve kontrolü sağlamak için güçlendirilmiş bir dış iskelet için bir seri elastik aktüatör geliştirmek ve yüksek sadakat kontrolü için Seri Elastik Aktüatör ile donatılmış elastik elemanı optimize etmektir. Tork kontrol edilebilirliği sağlamak için özel bir burulma yayı üretilmiş ve seri elastik aktüatörün çıkış tarafına yerleştirilmiştir. Özellikle geliştirilen SEA modülleri, modüler, hafif ve yüksek tork-kütle oranına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca, bu elastik elemanın açısal yer değiştirmesinin ölçümü mekanik tasarım açısından zordur. Bu tasarım sorununu önlemek için çift şaftlı bir mekanizma önerildi. Bu mekanizmada yayı ve yay kodlayıcıyı birbirine bağlayan birinci mil, motora ve motor enkoderine bağlı olan ikinci milden geçer. Bu şekilde her iki kodlayıcı da SEA'nın aynı tarafına yerleştirildi. Ayrıca, aktüatöre uygulanan bir bozulma gözlemcisi (DoB) ile kademeli PID kontrolörünün sonuçlarıda bu tezde sunmaktadır.