Difference between revisions of "DDRA"

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<big><french>ADDR - Actionneur à double différentiel rhéologique (en instance de brevet) </french><english>DDRA - Double Differential Rheological Actuator (patent pending)</english></big>
 
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= Description =
* Philippe Fauteux
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<english>Robotic systems are increasingly moving out of factories, stepping into a dynamic world full of unknowns, where they must interact in a safe and versatile manner. Traditional actuation schemes, which rely on position control and stiff actuators, often fail in this new context. There have been many attempts to modify them by adding a full suite of force and position sensors and by using new control algorithms but, in most cases, the naturally high output inertia and the internal transmission nonlinearities such as friction and backlash remain quite burdensome.
* Benoit Heintz
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* Marc-Antoine Legault
 
* Matthieu Tanguay
 
* Michel Lauria
 
* Dominic Létourneau
 
  
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The proposed actuation scheme addresses many of those limitations. The DDRA uses a differentials mechanism and two magnetorheological brakes coupled to, for example, an electromagnetic motor. This configuration enables the DDRA to act as a high bandwidth, very low inertia, very low friction and without backlash torque source that can be controlled to track any desired interaction dynamics. The advantages include safety and robustness due to extreme backdrivability and a lot of versatility in interactions. In a more traditional context, the actuator’s low inertia, eliminated backlash and reduced nonlinearities allow for greater accelerations and a more precise positioning, thus improving productivity and quality.</english>
  
= Description =
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<french>Les systèmes robotiques sont appelés à sortir des environnements contrôlés et à faire face à un monde dynamique et plein d'inconnus où ils doivent interagir de façon sécuritaire et polyvalente. Les technologies d'actionneur classiques, rigides et contrôlées en position, faillissent souvent à la tâche dans ce nouveau contexte. Malgré une gamme de capteurs élargie et des algorithmes de contrôle avancés, l'inertie naturelle ainsi que les non-linéarités de la transmission, comme la friction et le jeu, demeurent néfastes.
<english>Robotic systems are increasingly moving out of factories, stepping into a dynamic world full of unknowns, where they must interact in a safe, robust and versatile manner.  
 
  
  
Traditional actuation schemes, which usually rely on position control and stiff actuators, often fail in this new context. There has been many attempts to modify classic actuators by adding a full suite of force and position sensors and by using new control algorithms but, in most cases, the naturally high output inertia and the internal transmission nonlinearities such as friction and backlash remain quite burdensome.  
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Le concept d'actionneur proposé élimine plusieurs de ces limitations. L'ADDR utilise un mécanisme différentiel et deux freins magnétorhéologiques couplés, par exemple, à un moteur électromagnétique. Cette configuration permet à l'ADDR d'agir comme une source de couple à haute bande passante, de très faible inertie, de très faible friction et avec un jeu nul qui peut être asservie  pour reproduire une dynamique d'interaction choisie. Les avantages incluent une sécurité et une robustesse accrues ainsi qu'une très grande polyvalence dans les interactions. Également, dans un contexte plus traditionnel d'automatisation et de robotique industrielle, l'ADDR permet de fortes accélérations et un positionnement très précis permettant un gain de productivité et de qualité des opérations.</french>
  
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The proposed actuation scheme addresses all of those limitations. By using a differentials mechanism and two magnetorheological brakes, it transforms some speed source into an open loop controlled force source which can track any desired interaction dynamics.
 
  
  
The advantages include safety and robustness due to extreme backdrivability. In a more traditional context, the actuator’s low inertia, eliminated backlash and reduced nonlinearities allow for greater accelerations/decelerations and a more precise positioning, thus improving productivity and quality. Of course, the ability to precisely control the interaction dynamics (force-position) opens a set of new possibilities.</english>
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* [[Media:DDRA_March2010.mov | DDRA as a High Performance Haptic Interface (Février 2010)]]
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* Contrôle d'interaction (Décembre 2009): [[Media:Ressort.mp4 | Simulation d'un ressort]] / [[Media:Mur.mp4 | Simulation d'un mur]]
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* [[Media:DDRA_proto_1_-_English_HD.mp4 | Prototype 1 (Juin 2009)]]
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* [[Media:DDRA_March2010.mov | DDRA as a High Performance Haptic Interface (February 2010)]]
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* Interaction control (Decembre 2009): [[Media:Ressort.mp4 | Simulation of a spring]] / [[Media:Mur.mp4 | Simulation of a wall]]
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* [[Media:DDRA_proto_1_-_English_HD.mp4| Prototype 1 (June 2009)]]
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* [[Media:DR2_Prototype1.mp4 | Proof-of-concept Prototype 0 (December 2008)]]
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<french>Les systèmes robotiques sont aujourd'hui appelés à sortir des environnements industriels contrôlés et à faire face à un monde dynamique plein d'inconnus où ils doivent intéragir de façon sécuritaire, robuste, polyvalente et performante.
 
  
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Les technologies d'actionneur classiques, souvent rigides et contrôlées en position, faillissent souvent à la tâche dans ce nouveau contexte. Malgré une gamme de capteur élargie et des algorithmes de contrôle avancés, l'inertie naturelle ainsi que les non-linéarités de la transmission comme la friction et le jeu demeurent très néfaste.
 
  
  
Le concept d'actionneur proposé permet d'éliminer ces limitations. Par l'utilisation d'un mécanisme différentiel et de freins magnétorhéologiques, l'ADDR transforme un module moto-réducteur classique en une source de force qui peut être asservi pour reproduire la dynamique d'interaction choisie.
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Les avantages incluent une sécurité et une robustesse accrue à cause de la très faible inertie et de la très faible friction friction. Dans un contexte plus traditionnel, l'inertie extrêmement faible combiné à un jeu nul de la sortie et à une grande diminution des non-linéarités permettent des accélérations et décélérations plus rapides et un positionnement plus précis permettant un gain substantiel en productivité et en qualité. Dans tous les cas, la possibilité de contrôler la dynamique d'interaction (force-position) de façon sécuritaire, robuste, polyvalente et performante ouvre la porte à de nombreuses possibilités.</french>
 
  
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[[Image:DDRA evolution.jpg|880px|center|From proof-of-concept to first compact integration]]
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= Publications =
<english>The first compact prototype is being assembled and tested. This is an ongoing project. Preliminary results are listed below. </english>
 
<french>Le premier prototype compact est en cours d'assemblage et de caractérisation. Le projet est actif. Les résultats préliminaires sont listés ci-dessous.</french>
 
  
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#Fauteux, P., Lauria, M., Heintz, B., Michaud, F. (2010), “Dual differential rheological actuator for high performance physical robotic interaction,” IEEE Transactions on Robotics, 26(4):607-618. [[Media:TRO2010.pdf|(pdf)]]
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#Heintz, B., Fauteux, P., Létourneau, D., Michaud, F., Lauria, M. (2010), “Using a dual differential rheological actuator as a high-performance haptic interface,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. [[Media:IROS2010_BH.pdf|(pdf)]]
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#Fauteux, P. (2010), Conception d'un actionneur adapté à l'interaction physique dans un contexte de robotique, Mémoire de maîtrise, Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke. [[Media:MemoireFauteux.pdf|(pdf)]]
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#Heintz, B. (2010), Électronique embarquée pour un actionneur adapté au contrôle d'interaction, Mémoire de maîtrise, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke. [[Media:MemoireHeintz.pdf|(pdf)]]
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#Fauteux, P., Lauria, M., Legault, M.-A., Heintz, B., Michaud, F. (2009), "Dual differential rheologic actuator for robotic interaction tasks", ''Proceeedings IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronic'', July. Best student paper award of the conference, and ASME Dynamic Systems and Control Division Best 2009 Student Paper Award in Mechatronics [[Media:DDRA_AIM2009.pdf | (pdf)]]
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#Lauria, M., Fauteux, Ph., Legault, M.-A., Lavoie, M.-A., Michaud, F. (2008) “Differential elastic actuator for robotic interaction tasks,” ''Proceedings of Actuator 2008, 11th International Conference on New Actuators'', Bremen, Germany.
  
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|<english>Maximum speed</english><french>Vitesse maximale</french>
 
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|-
 
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|<english>Dimensions ratio</english><french>Dimensions</french>
 
|90 dia X 137 mm
 
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| <english>Weight</english><french>Poids</french>
 
|2.4 kg
 
  
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* Philippe Fauteux
 
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* Guifré Julio
 
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* Benoit Heintz
= Videos =
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* Marc-Antoine Legault
Téléchargez [http://www.apple.com/quicktime/download/ QuickTime] pour visionner ce vidéo.
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* Dominic Létourneau
* [[Media:DR2_Prototype1.mp4 | Prototype #1 de l'actionneur à double différentiels rhéologique]]
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* Michel Lauria
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* François Michaud

Latest revision as of 14:45, 29 March 2013

DDRA - Double Differential Rheological Actuator (patent pending)

Description

Robotic systems are increasingly moving out of factories, stepping into a dynamic world full of unknowns, where they must interact in a safe and versatile manner. Traditional actuation schemes, which rely on position control and stiff actuators, often fail in this new context. There have been many attempts to modify them by adding a full suite of force and position sensors and by using new control algorithms but, in most cases, the naturally high output inertia and the internal transmission nonlinearities such as friction and backlash remain quite burdensome.


The proposed actuation scheme addresses many of those limitations. The DDRA uses a differentials mechanism and two magnetorheological brakes coupled to, for example, an electromagnetic motor. This configuration enables the DDRA to act as a high bandwidth, very low inertia, very low friction and without backlash torque source that can be controlled to track any desired interaction dynamics. The advantages include safety and robustness due to extreme backdrivability and a lot of versatility in interactions. In a more traditional context, the actuator’s low inertia, eliminated backlash and reduced nonlinearities allow for greater accelerations and a more precise positioning, thus improving productivity and quality.


DDRA from proof-of-concept (Prototype 0) to first compact integration (Prototype 1)


Videos[edit]

Download QuickTime for these videos.

Status[edit]

Prototype 1 Prototype 1b

Prototype 2 (under construction)

DDRA
DDRA
DDRA

Nominal power

90 W 96 W -

Nominal torque

11 Nm 12 Nm -

Maximum torque

20 Nm 12 Nm -

Inertia

1.2e-4 kg.m² - -

Power Rate

1025 kW/s - -

Torque bandwidth

>40 Hz (limit of test)

33 Hz -

Maximum speed

160 RPM 68 RPM -

Reduction ratio

33:1 123.79:1 -

Dimensions ratio

90 dia X 137 mm 83 dia X 145 mm -

Weight

2.4 kg 1.65 kg -


Force control:

Torque control bode plot
Torque command following
Torque step


Position control:

Position command following (0.084 kg.m.m load, 8 Nm nominal, PIDc)


Interaction control:

Simulation of a spring

Simulation of a wall

Patents[edit]

Publications

  1. Fauteux, P., Lauria, M., Heintz, B., Michaud, F. (2010), “Dual differential rheological actuator for high performance physical robotic interaction,” IEEE Transactions on Robotics, 26(4):607-618. (pdf)
  2. Heintz, B., Fauteux, P., Létourneau, D., Michaud, F., Lauria, M. (2010), “Using a dual differential rheological actuator as a high-performance haptic interface,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. (pdf)
  3. Fauteux, P. (2010), Conception d'un actionneur adapté à l'interaction physique dans un contexte de robotique, Mémoire de maîtrise, Département de génie mécanique, Université de Sherbrooke. (pdf)
  4. Heintz, B. (2010), Électronique embarquée pour un actionneur adapté au contrôle d'interaction, Mémoire de maîtrise, Département de génie électrique et de génie informatique, Université de Sherbrooke. (pdf)
  5. Fauteux, P., Lauria, M., Legault, M.-A., Heintz, B., Michaud, F. (2009), "Dual differential rheologic actuator for robotic interaction tasks", Proceeedings IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronic, July. Best student paper award of the conference, and ASME Dynamic Systems and Control Division Best 2009 Student Paper Award in Mechatronics (pdf)
  6. Lauria, M., Fauteux, Ph., Legault, M.-A., Lavoie, M.-A., Michaud, F. (2008) “Differential elastic actuator for robotic interaction tasks,” Proceedings of Actuator 2008, 11th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany.

Team[edit]

  • Philippe Fauteux
  • Guifré Julio
  • Benoit Heintz
  • Marc-Antoine Legault
  • Dominic Létourneau
  • Michel Lauria
  • François Michaud