@INPROCEEDINGS{2012:Robotik_Lens_etal,
  author = {T. Lens and A. Karguth and O. von Stryk},
  title = {Safety Properties and Collision Behavior of Robotic Arms with Elastic Tendon Actuation},
  year = {2012},
  booktitle = {Proceedings of ROBOTIK},
  abstract = {Applications with physical human-robot interaction require a high level of safety even in case of software or hardware failures. This paper highlights the advantages of combining tendon actuation with transmission elasticity to maximize safety for robotic arms sharing workspaces with humans. To this end, the collision behavior of combinations of tendon or joint and elastic or stiff actuation with geared electrical motors as reliable actuators is compared using the lightweight BioRob arm as robotic platform in simulation. For the comparison a worst case scenario is assumed in which the robot arm is accelerated with maximum supply voltage over its joint range and collides with maximum end-effector velocity. The study shows that the robot arm achieves end-effector velocities as high as 6m/s and that elastic tendon actuation reduces the end-effector impact energy and force by up to 90% compared to stiff joint actuation. A considerable reduction of the gearbox stress is also achieved. In addition, the effect of motor current fuses limiting the motor torques is evaluated. It is shown that for the given high speed scenario, torque limiting devices can be effective to prevent excessive clamping forces in case of failure, but can not reduce the impact peak force without heavily compromising the robot dynamics. The main design criterion for safety should therefore be lightweight link design and compliant actuation, which can be achieved by using elastic tendon actuation. The paper concludes with the comparison of safety properties of robotic arms in research and industry.},
}

@INPROCEEDINGS{2011:Lens-etal,
  author = {T. Lens and K. Radkhah and O. von Stryk},
  title = {Simulation of Dynamics and Realistic Contact Forces for Manipulators and Legged Robots with High Joint Elasticity},
  year = {2011},
  pages = {34-41},
  booktitle = {Proc. 15th International Conference on Advanced Robotics (ICAR)},
  pdf = {2011_icar_lens-rdkhh_preprint.pdf},
  abstract = {In this paper, multibody system dynamics simulation for manipulators and legged robots with high joint elasticities, particularly with focus on collision modeling, is addressed. We present the architecture of a newly developed toolbox in conjunction with a detailed discussion of a realistic contact, friction and stiction model, which is validated with real measurement data of a bouncing ball. The work presented is driven and inspired by two concrete robot developments in the authors" group: the manipulator BioRob and the biped BioBiped. The libraries are used to develop kinematic and kinetic models of these bio-inspired and highly elastic robots. Models and simulation of both robots are discussed, as well as occurring forces during collisions of the BioRob-X4 arm with the ground. We are also able to demonstrate good agreement of ground contact forces measured during slow jogging motion of a human subject with simulation results obtained with BioBiped1.},
}

@INPROCEEDINGS{2010:IWK-Karguth-vonStryk,
  author = {M. Schweitzer and C. Trommer and A. Karguth and J. Kunz and T. Lens and O. v. Stryk},
  title = {Safe Human Interaction with the Compliant Robot Arm BioRob},
  year = {2010},
  booktitle = {55. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium 2010 der TU Ilmenau, TU Ilmenau (Hrsg.)},
  pdf = {2010-IWK-Schweizer_etal_Safe_Human_Interaction_BioRob_PREPRINT.pdf},
}

@INPROCEEDINGS{2010:SIMPAR-Lens,
  author = {T. Lens and J. Kunz and O. von Stryk},
  title = {Dynamic Modeling of the 4 DoF BioRob Series Elastic Robot Arm for Simulation and Control},
  year = {2010},
  volume = {6472},
  pages = {411-422},
  publisher = {Springer},
  series = {Lecture Notes in Artificial Intelligence},
  booktitle = {Simulation, Modeling, and Programming for Autonomous Robots (SIMPAR 2010)},
  doi = {10.1007/978-3-642-17319-6_38},
  pdf = {2010-SIMPAR-Lens_etal_PREPRINT.pdf},
  abstract = {This paper presents the modeling of the light-weight BioRob robot arm with series elastic actuation for simulation and controller design. We describe the kinematic coupling introduced by the cable actuation and the robot arm dynamics including the elastic actuator and motor and gear model. We show how the inverse dynamics model derived from these equations can be used as a basis for a position tracking controller that is able to sufficiently damp the oscillations caused by the high, nonlinear joint elasticity. We presents results from simulation and brieföy describe the implementation for a real world application.},
}

@INPROCEEDINGS{2010:ISR-Lens_etal,
  author = {T. Lens and J. Kunz and C. Trommer and A. Karguth and O. von Stryk},
  title = {BioRob-Arm: A Quickly Deployable and Intrinsically Safe, Light- Weight Robot Arm for Service Robotics Applications},
  year = {2010},
  pages = {905-910},
  month = {Jun},
  address = {Munich, Germany},
  booktitle = {41st International Symposium on Robotics (ISR 2010) / 6th German Conference on Robotics (ROBOTIK 2010)},
  pdf = {2010-ISR_Robotik_Lens_etal_preprint.pdf},
  abstract = {Using conventional rigid industrial manipulators for service robotics applications typically demands huge efforts for safety measurements resulting in high installation and operation costs. We present how the BioRob robot arm is based on a combination of compliant actuation and lightweight mechanical design to obtain the flexibility, mobility and, most important, the inherent safety properties needed to implement effective and safe service robotics applications. We discuss the sensors and control structure used to damp the oscillations caused by the significant joint compliance of the arm and to obtain the accuracy needed for the intended applications. The concluding example of a typical pick and place application with teaching by manual guidance illustrates the benefits of the BioRob design for service robotics applications.},
}

@PHDTHESIS{2009:KlugDiss,
  author = {Rudolf Sebastian Klug},
  title = {Konzepte der Gleichgewichtspunkttheorie zur Regelung und Steuerung elastischer Roboterarme (Concepts of the Equilibrium Point Theory for Feedback and Feedforward Control of Elastic Robot Manipulators)},
  year = {2009},
  month = {May 28},
  school = {Technische Universität Darmstadt},
  url = {http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/2050/},
  abstract = {Biologische Systeme demonstrieren eine herausragende Leistung, wenn es um die Planung und Kontrolle von komplexen Bewegungen geht. Selbst einfache Bewegungen erfordern auf Grund der nichtlinearen, dynamischen Eigenschaften des Bewegungsapparates, der besonderen elastischen Eigenschaften der Muskeln und der hohen Redundanz ein hohes Maß an Regelungs- und Steuerungsaufwand. Dennoch ist es für uns als Menschen ein Leichtes, selbst komplexe Aufgaben wie Schreiben, Gehen oder Werfen auszuführen, ohne über die einzelnen Bewegungsabläufe nachdenken zu müssen. Im Gegensatz dazu werden die Bewegungen technischer Systeme, z.B. von Robotern, möglichst bis ins letzte Detail geplant und unterliegen in der Regel der ständigen Feedback-Regelung. Obwohl in der Biologie zahlreiche unterschiedliche Theorien darüber existieren, wie Bewegungen gelernt und ausgeführt werden, sind viele Aspekte der Bewegungssteuerung immer noch unverstanden. Auf Grund der Komplexität des Bewegungsapparates werden oft nur Teilsysteme oder einzelne Bewegungen betrachtet, was zwar Aufschluss über einzelne Funktionen des Bewegungssystems liefert, aber nur begrenzt Aussagen über das Gesamtsystem zulässt. Jedoch liegt möglicherweise gerade in der Interaktion der verschiedenen Regelungs- und Steuerungsprinzipien und in ihrer Wechselwirkung mit den mechanischen und dynamischen Eigenschaften des Bewegungsapparates der Schlüssel für ein generelles Verständnis der biologischen Bewegungssteuerung. Dementsprechend bezieht sich eine Grundidee vieler biologisch inspirierter Robotersysteme der letzten Jahre auf das Ausnutzen der mechanischen und dynamischen Eigenschaften des Bewegungsapparates. Die für eine technische Umsetzung nötige Abstraktion setzt jedoch ein genaues Verständnis des biologischen Bewegungsapparates voraus. Neben den Eigenschaften der einzelnen Muskeln und den in der Biologie vorhandenen Regelungs- und Steuerungskonzepten ist vor allem die biodynamische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Komponenten von Interesse. Eines der Ziele der Übertragung auf technische Systeme ist es dabei, durch Berücksichtigung dieser Wechselwirkungen stabilere Bewegungen zu ermöglichen und den Regelungs- und Steuerungsaufwand zu reduzieren. Obwohl es kein allein gültiges Konzept der Bewegungssteuerung ist, scheint es ein grundlegendes Prinzip in der Biologie zu sein, dass in vielen Bereichen der Bewegungssteuerung keine komplexen Signale nötig sind um Bewegungen zu erzeugen, wie es im Allgemeinen in der Robotik heute noch der Fall ist. Die aus der Biologie bekannte Gleichgewichtspunkttheorie, bei der jede Stellung und Bewegung durch ein Gleich- bzw. Ungleichgewicht der an den Gliedmaßen angreifenden Kräfte beschrieben wird, nutzt die besonderen mechanischen und elastischen Eigenschaften des biologischen Bewegungsapparates aus, um aus einfachen Signalen komplexe Bewegungen zu erzeugen. Diese kontrovers diskutierte Theorie kann durch eine regelungstechnische Sichtweise Einblicke in die Interaktion von mechanischen Eigenschaften und Steuersignalen liefern. In dieser Arbeit wird die Rolle der mechanischen Eigenschaften der Muskeln bei der Bewegungssteuerung und die Wechselwirkung zwischen den Muskeleigenschaften und den verwendeten Regelungs- und Steuerungsprinzipien untersucht. Des Weiteren wird geprüft, ob sich die gewonnenem Erkenntnisse auf technische Systeme übertragen lassen und inwieweit eine Reduzierung des Regelungs- und Steuerungsaufwandes möglich ist.},
}