A new type of variable stiffness actuator using a continuously variable transmission : mechanical and control design

In this thesis, we design and control a new type of variable stiffness actuator, an actuator that has a compliant element with the ability to change it's stiffness thanks to a continuously variable transmission. We will show that by adjusting the intrinsic stiffness, through applying the optimal control theory to get a task-specific trajectory and stiffness profile, it will result in the best performance or highest efficiency the system can reach depending on the required task. In this thesis, we will be applying an explosive movement task to show the advantages in reaching higher velocities and higher availability of power to use that a variable stiffness actuator can provide over other classes of actuators such as series elastic actuator and the classical rigid actuator. An extensive comparison between the VSA and SEA will be done to highlight how changing a stiffness can highly affect a system's performance. The control strategy adopted consits of a time-varying finite horizon LQR that accounts for the non-linearities of the system and a low level torque control which relies on position control thanks to the proportional relation between deflection and force of the spring. Unfortunately, experimental results are missing due to an unexpected tragedy that hit the world (CoVid-19) and prevented physical work on this thesis.

In questa tesi, progettiamo e controlliamo un nuovo tipo di attuatore a rigidità variabile, un attuatore che ha un elemento conforme con la capacità di modificarne la rigidità grazie a una trasmissione a variazione continua. Mostreremo che regolando la rigidità intrinseca, applicando la teoria del controllo ottimale per ottenere una traiettoria specifica per l'attività e un profilo di rigidità, si otterranno le migliori prestazioni o la massima efficienza che il sistema può raggiungere a seconda dell'attività richiesta. In questa tesi, applicheremo un compito di movimento esplosivo per mostrare i vantaggi nel raggiungere velocità più elevate e una maggiore disponibilità di potenza da utilizzare che un attuatore a rigidità variabile può fornire rispetto ad altre classi di attuatori come l'attuatore elastico in serie e l'attuatore rigido classico. Verrà effettuato un ampio confronto tra VSA e SEA per evidenziare come il cambiamento di una rigidità può influire notevolmente sulle prestazioni di un sistema. La strategia di controllo adottata consiste in un orizzonte temporale finito variabile nel tempo che tiene conto delle non linearità del sistema e di un controllo di coppia di basso livello che si basa sul controllo di posizione grazie alla relazione proporzionale tra flessione e forza della molla. Sfortunatamente, mancano risultati sperimentali a causa di una tragedia inaspettata che ha colpito il mondo (CoVid-19) e ha impedito il lavoro fisico su questa tesi.