High-Frequency Capacitive Sensing for Electrohydraulic Soft Actuators

📄 arXiv: 2404.04071v2 📥 PDF

作者: Michel R. Vogt, Maximilian Eberlein, Clemens C. Christoph, Felix Baumann, Fabrice Bourquin, Wim Wende, Fabio Schaub, Amirhossein Kazemipour, Robert K. Katzschmann

分类: cs.RO

发布日期: 2024-04-05 (更新: 2024-04-08)

备注: This work has been submitted to the IEEE for possible publication

💡 一句话要点

提出F-HASEL执行器以解决高频自感知问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: HASEL执行器 电容感知 高频激励 柔性机器人 自感知技术

📋 核心要点

  1. 现有的HASEL执行器在高频率（超过1 Hz）自感知方面存在局限，影响其在复杂机器人任务中的应用。
  2. 本文提出F-HASEL执行器，通过增加电容感知电极对，克服了高频自感知的挑战，能够在高达20 Hz的频率下进行位移估计。
  3. 实验结果表明，F-HASEL执行器在高频激励和外部负载下表现出色，能够实时跟踪虚拟现实用户的关节旋转，具有良好的应用前景。

📝 摘要（中文）

随着对柔性和自感知执行器需求的增加，液压放大自愈电静态（HASEL）执行器因其柔软性和灵活性而受到关注。本文介绍了一种F-HASEL执行器，通过增加专用于电容感知的电极对，解决了HASEL在高于1 Hz频率下自感知的局限性。我们展示了F-HASEL在高达20 Hz的频率下进行位移估计的能力，并在可穿戴应用中实时跟踪虚拟现实用户的关节旋转。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决HASEL执行器在高于1 Hz频率下自感知能力不足的问题。现有方法在高频激励下无法有效进行位移估计，限制了其在复杂机器人系统中的应用。

核心思路：论文提出F-HASEL执行器，通过增加一个专用于电容感知的电极对，来实现高频率下的自感知能力。这种设计使得执行器能够在不依赖外部传感器的情况下，实时估计位移。

技术框架：整体架构包括F-HASEL执行器的设计、低成本的迷你电路以及微型高压电源。执行器通过电极对进行电容感知，电路则负责处理信号并进行位移估计。

关键创新：F-HASEL执行器的最大创新在于其电容感知电极的设计，使得执行器能够在高达20 Hz的频率下进行有效的位移估计。这一创新与传统HASEL执行器相比，显著提升了其自感知能力。

关键设计：在设计中，采用了低成本的现成组件构建电路，并优化了电源的微型化，确保在高频激励下仍能稳定工作。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果显示，F-HASEL执行器在高达20 Hz的频率下能够有效进行位移估计，且在外部负载下表现稳定。与传统HASEL执行器相比，F-HASEL在自感知能力上有显著提升，展示了其在可穿戴设备中的应用潜力。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括人机交互、仿生运动、假肢和外骨骼等。F-HASEL执行器的自感知能力使其在需要精确控制和反馈的机器人系统中具有重要价值，未来可能推动更智能和适应性强的机器人技术的发展。

📄 摘要（原文）

The need for compliant and proprioceptive actuators has grown more evident in pursuing more adaptable and versatile robotic systems. Hydraulically Amplified Self-Healing Electrostatic (HASEL) actuators offer distinctive advantages with their inherent softness and flexibility, making them promising candidates for various robotic tasks, including delicate interactions with humans and animals, biomimetic locomotion, prosthetics, and exoskeletons. This has resulted in a growing interest in the capacitive self-sensing capabilities of HASEL actuators to create miniature displacement estimation circuitry that does not require external sensors. However, achieving HASEL self-sensing for actuation frequencies above 1 Hz and with miniature high-voltage power supplies has remained limited. In this paper, we introduce the F-HASEL actuator, which adds an additional electrode pair used exclusively for capacitive sensing to a Peano-HASEL actuator. We demonstrate displacement estimation of the F-HASEL during high-frequency actuation up to 20 Hz and during external loading using miniaturized circuitry comprised of low-cost off-the-shelf components and a miniature high-voltage power supply. Finally, we propose a circuitry to estimate the displacement of multiple F-HASELs and demonstrate it in a wearable application to track joint rotations of a virtual reality user in real-time.