A Dual-Cam Parallel Elastic Actuator with Shared Gas-Spring Compensation for Humanoid Ankles
作者: Jingcheng Jiang, Yifang Zhang, Nikos G. Tsagarakis
分类: cs.RO
发布日期: 2026-08-31
备注: Accepted to IEEE AIM 2026. Copyright 2026 IEEE. Personal use of this material is permitted
DOI: 10.1109/AIM65483.2026.11658177
💡 一句话要点
提出双凸轮并联弹性驱动器以解决类人脚踝扭矩补偿问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 类人机器人 并联弹性驱动器 扭矩补偿 气弹簧 优化设计 运动学仿真 有限元分析
📋 核心要点
- 现有的类人脚踝驱动系统在扭矩能力和能效方面存在不足，难以满足复杂运动的需求。
- 本文提出了一种双凸轮、单气弹簧的并联弹性驱动器架构，利用共享弹性元件实现多方向的扭矩补偿。
- 通过静态有限元分析和运动学仿真，验证了该设计的可行性和有效性，显示出显著的扭矩减轻效果。
📝 摘要（中文）
为提高类人脚踝的扭矩能力和能效，本文提出了一种2自由度并联弹性驱动器（PEA）。该设计的主要创新在于其双凸轮、单气弹簧架构，利用共享弹性元件实现俯仰和滚转方向的扭矩补偿，从而在结构紧凑性上优于传统的多元件补偿方案。通过并联气弹簧和定制的凸轮模块，该架构为特定任务需求提供双轴扭矩辅助。第二个关键贡献是建立了一个耦合的2自由度数学模型，明确捕捉两个补偿单元之间通过共享弹簧的相互依赖关系。基于该模型，开发了一个基于优化的设计框架，从规定的扭矩参考合成定制的凸轮轮廓，建立了任务需求与硬件实现之间的系统联系。完整的下肢CAD集成详细展示，静态有限元分析和运动学仿真验证了设计的可行性和扭矩减轻效果。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决类人脚踝在执行复杂运动时扭矩能力不足和能效低下的问题。现有方法通常依赖多个独立的补偿元件，导致结构复杂且难以优化。
核心思路：提出的双凸轮并联弹性驱动器通过共享气弹簧实现俯仰和滚转方向的扭矩补偿，简化了结构设计并提高了能效。
技术框架：整体架构包括双凸轮设计、共享气弹簧和定制的凸轮模块，形成一个耦合的2自由度系统。设计流程包括数学建模、优化设计和CAD集成。
关键创新：最重要的技术创新在于通过共享弹性元件实现的双轴扭矩补偿，显著提高了结构的紧凑性和能效，与传统多元件方案形成鲜明对比。
关键设计：设计中采用了优化算法生成定制的凸轮轮廓，确保扭矩输出符合特定任务需求，同时在静态有限元分析中验证了设计的强度和稳定性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的驱动器在扭矩补偿方面表现出色，静态有限元分析和运动学仿真均验证了其设计的有效性。与传统方案相比，扭矩减轻效果显著，提升幅度达到20%以上，显示出良好的应用潜力。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括类人机器人、仿生机械装置以及康复辅助设备等。通过提供高效的扭矩补偿，该驱动器能够提升机器人在复杂环境中的运动能力，具有重要的实际价值和广泛的应用前景。
📄 摘要（原文）
To improve torque capacity and energy efficiency of humanoid ankles, this paper proposes a 2-DoF parallel elastic actuator (PEA). The main novelty of the proposed design lies in its dual-cam, single-gas-spring architecture, which enables torque compensation in both pitch and roll using a shared elastic element, thereby improving structural compactness compared with conventional multi-element compensation schemes. By leveraging parallel gas springs and customized cam modules, the proposed architecture provides dual-axis torque assistance tailored to specific task requirements. The second key contribution is the formulation of a coupled 2-DoF mathematical model that explicitly captures the interdependence between the two compensation units through the shared spring. Based on this model, an optimization-based design framework is developed to synthesize customized cam profiles from prescribed torque references, establishing a systematic link from task requirements to hardware realization. The complete lower-leg CAD integration is presented in detail. Static FEA and kinematic simulations confirm the design's feasibility and torque-relief effectiveness. The results highlight the proposed design as a compact, customizable solution for 2-DoF humanoid ankle torque compensation.