היפוך מכוון של כלל הנדסי
בדרך-כלל בונים אקטואטורים קשיחים ככל האפשר, כדי להגדיל את רוחב-הפס. ההיגיון הזה עובד היטב כשהרובוט פועל בסביבה מובנית; בסביבה לא-מובנית, לעומת זאת, המידול קשה בהרבה ודורש מאמץ חישובי גבוה. אקטואטור אלסטי טורי (Series Elastic Actuator), ובראשי-תיבות SEA, הוא ההיפוך המכוון של הכלל: בניגוד לאקטואטור קשיח, הוא מכיל רכיב אלסטי המחובר בטור למוצא של מקור האנרגיה המכנית. הקפיץ כאן אינו פשרה שנכפתה על המתכנן אלא הרכיב שבגללו המנגנון קיים — וההחלטה על קשיחותו עדינה: הוא חייב לשאת את העומסים, אך אסור לו להיות קשיח מדי, שאם לא כן תהיה עכבת המערכת גבוהה, וזה בדיוק מה שביקשו למנוע.
מה הקפיץ קונה
התצורה הזאת מציגה ארבעה יתרונות על פני אקטואטורים קשיחים, והם חוזרים בספרות שוב ושוב: עכבת-מוצא מכנית נמוכה, עמידות בפני עומסי-הלם, הגדלה של הספק-השיא, ואגירת אנרגיה מכנית פסיבית. התכונות האלה הן שמאפשרות את השימוש במשפחה הזאת במערכות הנעה של רגליים ובאורתוטיקה לבני-אדם. עכבת-המוצא היא המדד המרכזי כאן: אקטואטור אידיאלי הוא בעל עכבה אפס — מקור-כוח טהור, שבו הדינמיקה של האקטואטור מנותקת לחלוטין מדינמיקת תנועת העומס. אקטואטור אלסטי טורי אינו מגיע לאידיאל, אבל עכבת-המוצא שלו קטנה בתדרים נמוכים ומתקרבת לסדר-הגודל של קשיחות הקפיץ רק כשהתדר עולה.
הקפיץ הוא גם מד-הכוח
היתרון המעשי שקשה להפריז בו הוא שאותו רכיב שמרכך את המגע גם מודד אותו. כוח-המוצא של האקטואטור נאמד ממדידת כיפוף הקפיץ, או באמצעות מדי-מאמץ, ולכן בקרת-כוח הופכת בפועל למדידה של היסט מכני — בעיה קלה בהרבה מהצבת חיישן-כוח ייעודי בין הכלי לעומס. לכך יש מחיר בהמשך השרשרת: גישת PID לבקרת כוח סובלת מבעיות יציבות כשיש חיכוך ומרווח-שיניים במערכת, ולכן תכנון הבקר של אקטואטור אלסטי טורי קשור הדוקות לחומרה שנבחרה.
המחיר: רוחב-פס
החיסרון המרכזי של אקטואטור אלסטי טורי הוא הגבלת רוחב-הפס, ואפשר לראות למה באב-הטיפוס ההידראולי-לינארי שמתואר בפרק-הסקירה: כשהמנוע דוחף קדימה הקפיץ נלחץ והקפיץ שכנגדו נמתח, ומידת העיוות תלויה במסת העומס; האקטואטור מתקדם רק כאשר הכוח הנובע מעיוות הקפיצים משתווה לעומס שהופעל. מאפיין זה מצמצם את תחום התדרים ומגביל את רוחב-הפס של המערכת. זהו בדיוק אותו רכיב גמיש שמוריד את עכבת-המוצא — היתרון והחיסרון הם שני צדדים של אותה החלטה.
Spring Flamingo — ושני אנשים בשם פראט
המאמר "Series Elastic Actuators" מאת ג'יל פראט (Gill A. Pratt) ומת'יו ויליאמסון (Matthew M. Williamson) הוצג בכנס IROS של IEEE/RSJ באוגוסט 1995 (כרך 1, עמודים 399–406), והוא ההפניה החוזרת בפרק-הסקירה שעליו נשען ערך זה. הרובוט הראשון שתוכנן עם אקטואטורים אלסטיים טוריים היה Spring Flamingo, רובוט הליכה דו-רגלי מישורי, שבו האקטואטורים מניעים מנגנון בעל שש דרגות-חופש — ירך, ברך וקרסול בכל רגל. כאן נדרשת הבהרה שקל להיכשל בה: את Spring Flamingo תכנן, בנה ובקר ג'רי פראט (Jerry Pratt) במעבדת הרגליים של MIT, והוא אדם אחר מג'יל פראט — השניים אף חתומים יחד כמחברים על מאמרים מאותן שנים. ברובוט הותקנו קפיצי-לחיצה קוויים כדי לממש את ההנעה האלסטית הטורית, ופוטנציומטרים קוויים מדדו את דחיסתם; בסך-הכול שישה אקטואטורים ושלושה-עשר חיישנים. כל המנועים ממוקמים בגוף העליון וההספק מועבר למפרקים בכבלים, וההנעה האלסטית מאפשרת הפעלה מדויקת של מומנטים ורמה גבוהה של עמידות בפני הלם: רוחב-הפס של בקרת הכוח הוא כ-20 הרץ, והמומנט המרבי כ-16 ניוטון-מטר בירכיים ובקרסוליים וכ-24 בברכיים.
מרגליים לשיקום: היכן המשפחה הזאת חיה היום
ההמשך הישיר של Spring Flamingo הוא M2, רובוט הליכה דו-רגלי תלת-ממדי בעל שתים-עשרה דרגות-חופש, שש בכל רגל. Corndog הוא רובוט ריצה מישורי בעל רגל קדמית ורגל אחורית — חצי כלב, למעשה — המשתמש באקטואטור אלסטי טורי אלקטרו-מכני. הטכנולוגיה עברה גם לגפיים עליונות: הרובוט ההומנואידי COG, שיש לו פלג-גוף עליון וראש, מפעיל שש דרגות-חופש בזרועותיו באקטואטורים אלסטיים טוריים ומסוגל להלום בפטיש ולסובב ידית. תחום שנחקר ויושם בהרחבה הוא שיקום ועזרים: מודול סיבובי קומפקטי לשלד חיצוני לסיוע לברך; מפרק אלסטי טורי לאימון-הליכה שיקומי במערכת LOPES, שמספקת מומנט רק במידה הדרושה למטופל כדי להשלים את מחזור-ההליכה; ברך תותבת שבה כוונון קשיחות הקפיץ הביא להפחתה ניכרת בהספק-השיא ובצריכת האנרגיה להליכה ולריצה; וקרסול תותב בגודל ובמשקל של קרסול אנושי, שמחקה את הליכת האדם טוב יותר מגישות פסיביות.