SK500212018U1 - Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi - Google Patents
Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi Download PDFInfo
- Publication number
- SK500212018U1 SK500212018U1 SK50021-2018U SK500212018U SK500212018U1 SK 500212018 U1 SK500212018 U1 SK 500212018U1 SK 500212018 U SK500212018 U SK 500212018U SK 500212018 U1 SK500212018 U1 SK 500212018U1
- Authority
- SK
- Slovakia
- Prior art keywords
- pneumatic
- actuator
- joints
- pneumatic artificial
- artificial muscle
- Prior art date
Links
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 title claims abstract description 79
- 239000005557 antagonist Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 7
- 230000003042 antagnostic effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Prostheses (AREA)
- Actuator (AREA)
- Fluid-Pressure Circuits (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi sa realizuje tak, že poloha ramena (4) a na ňom pripevnenej záťaže antagonistického aktuátora pre jeden sektor jeho pracovného rozsahu je pre aktívny pneumatický umelý sval (1) nastavovaná v jednom smere pohybu privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (14) a (16) otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila (9) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (20) a v opačnom smere pohybu vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (14) a (18) otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila (7) so škrtiacim ventilom (24) v dôsledku ich aktivácie ovládacím elektrickým spojom (22). Pasívny pneumatický umelý sval (2) má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily (8) a (10) zatvorené. Poloha ramena (4) aktuátora pre protiľahlý sektor jeho pracovného rozsahu je nastavovaná uvedeným postupom s tým, že pneumatický umelý sval (2) je aktívny a pneumatický umelý sval (1) je pasívny.
Description
Technické riešenie sa týka spôsobu riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi v oblasti automatizácie, robotiky a mechatroniky, kde je obvykle použitie ľahkých, výkonných, pohyblivých a riaditeľných pohonov.
Doterajší stav techniky
Súčasné zariadenia na generovanie točivého pohybu pomocou pneumatických umelých svalov (ďalej umelých svalov) sú riešené ako mechanické sústavy s dvoma pevne ukotvenými umelými svalmi, ktoré sú spojené svojimi koncami pružným ohybným pásom Tento pás je navlečený na obvod otočnej kladky, ktorá je nasunutá na hriadeľ aktuátora a tento je uložený v ložiskách. Tieto sú umiestnené na koncoch nosných stĺpikov aktuátora. Aktuátor takto tvorí zostavu, kde sú na nosnej doske upevnené stĺpiky a na ich konci sa nachádzajú ložiská, hriadeľ a rameno so záťažou, pričom umelé svaly sú umiestnené pozdĺž stĺpikov. Umelé s valy sú opačnými koncami pripevnené držiakom spojeným so stĺpikmi. Takýto aktuátor s umelými svalmi v antagonistickom zapojení tvorí pomerne dlhý a štíhly celok s vyhovujúcimi hmotnostnými a rozmerovými charakteristikami. Každý umelý sval aktuátora má určitú ťahovú silu a tá je cez kladku prenášaná na sval, ktorý pôsobí svojou ťahovou silou proti ťahovej sile prvého umelého svalu. Pri rovnakých plniacich tlakoch v oboch svaloch nastáva rovnosť ťahových síl pri rovnakých hodnotách ich kontrakcii a rameno aktuátora sa ustáli v polohe, ktorá je považovaná za počiatočnú polohu aktuátora. V tejto počiatočnej polohe (pri určitom tlaku vzduchu v umelých svaloch) má aktuátor určitú tuhosť, najvyššiu tuhosť má pri maximálnom tlaku vzduchu v oboch umelých svaloch. Pri nerovnakých plniacich tlakoch v umelých svaloch sa rameno aktuátora ustáli v polohe zodpovedajúcej rovnosti ťahových síl oboch svalov. Uhlová výchylka ramena aktuátora, na ktoré pôsobí vonkajšia záťaž o určitej hmotnosti, závisí od polomeru kladky a veľkosti zmien dĺžok umelých svalov (dilatácia, kontrakcia), pri zmenách tlakov (objemov vzduchu) v jednotlivých umelých svaloch. Pre určité natočenie ramena platí, že dĺžka každého zo svalov sa zmení o rovnakú hodnotu, pričom skrátenie (kontrakcia) jedného svalu sa zväčší a druhého zmenší. Tuhosť takéhoto mechanizmu je možné meniť podľa stanovenej požiadavky, keďže poloha ramena je úmerná rozdielu tlakov vo svaloch, zatiaľ čo tuhosť je úmerná súčtu tlakov vo svaloch. Ten istý rozdiel tlakov môžeme dosiahnuť pri rôznych hodnotách ich súčtu, čo znamená, že je možné dosiahnuť tú istú výchylku ramena pri rôznej výslednej tuhosti. Funkcia súčasných antagonistických aktuátorov na báze pneumatických umelých svalov je zabezpečovaná zvyšovaním tlaku (objemu) vzduchu v jednom svale a súčasným znižovaním tlaku (objemu) v druhom (antagonistickom) svale. Obidva umelé svaly sú v takom prípade aktívne a vyžadujú súčasné riadenie veľkosti plniaceho tlaku vzduchu do jednotlivých svalov. Je to náročné na riadenie, nakoľko v každom časovom okamžiku je nutné dodržať podmienku rovnosti medzi prírastkom tlaku (objemu vzduchu) v jednom umelom svale a úbytku tlaku (objemu vzduchu) v druhom umelom svale. Vyžaduje to potrebu riadiť súčasne štyri elektropneumatické ventily slúžiace na ovládanie dvoch umelých svalov. V opačnom prípade dochádza k nerovnomernosti pohybu ramena aktuátora („trhanie“) a kolísaniu hodnoty tuhosti aktuátora. Takéto požiadavky na riadenie aktuátora s umelými svalmi sú veľmi náročné a komplikujú riešenie tejto problematiky. Uvedená problematika riadenia pneumatických umelých svalov je prezentovaná v mnohých zdrojoch, ako napr.:
• Van Ham, R., Daerden, F., Verrelst, B., Lefeber, D.: Control of a Joint Actuated by Two Pneumatic Artificial Muscles with Fast Switching ON-OFF Valves. Proceedings of 6th National Congress on Theoretical andAppliedMechanics, Gient, 2003, 8 p.
• Jien, S., Hirai, S., Ogawa, Y., Ito, M., Honda, K.: Pressure Control Valve for Mckibben Artificial Muscle Actuators with Miniaturized Unconstrained Pneumatic ON/OFF Valves. IEEE/ASME International Conference on AdvancedIntelligentMechatronics (AIM 2009), Singapore, 2009, pp. 1383-1388.
• Jouppila, V.T., Gadsden, S.A, Bone G.M., Ellman, A.U., Habibi, S.R.: Sliding Mode Control of a Pneumatic Muscle Actuator System with a PWM strategy. International Journal ofFluidPower, Vol. 15, Issue 1, 2014, pp. 19-31.
• More, M., Líška, O.: Comparison of Different Methods for Pneumatic Artificial Muscle Control. 11th IEEE International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics (SAMI2013), Herľany, 2013, pp. 117-120.
• Huidic Artificial Musde Actuation System for Trailing-Edge Ha^ US 2011°26639l Al.
• Fluid-Driven Artificial Muscles as Mechanisms for Controlled Actuation, US 7837144 B2.
SK50021-2018 U1
Podstata technického riešenia
Uvedené nedostatky odstraňuje navrhované technické riešenie, ktorého podstata spočíva v uplatnení koncepcie riadenia aktuátora s odlišným účinkovaním pneumatických umelých svalov. Počiatočná poloha ramena aktuátora je určená počiatočným referenčným tlakom, ktorý je v tomto prípade v obidvoch umelých svalov rovnaký a je nižší ako maximálny tlak daný typom svalu. Jeden zo svalov (pasívny) v príslušnej polovici dráhy ramena aktuátora plní úlohu pasívnej nelineárnej pneumatickej pružiny a nepotrebuje žiaden ďalší riadiaci zásah. Riadený je iba k nemu antagonistický komplementárny (aktívny) umelý sval, ktorého pohyb je riadený prietokom média (stlačeného vzduchu). Poloha ramena so záťažou sa mení zvyšovaním tlaku média, inak povedané je nastavovaná reguláciou veľkosti pretlaku vzduchu v umelom svale. V prípade dosiahnutia maximálneho tlaku sa poloha ramena mení otvorením vypúšťacieho ventilu a znižovaním tlaku média v umelom svale V druhej polovici dráhy ramena je funkcia aktuátora rovnaká, medzi funkciami pneumatických umelých svalov dochádza k zámene funkcií. Takýto spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi je umožnený vhodnou konštrukciou aktuátora tvoreného dvojicou pneumatických umelých svalov antagonisticky spojených cez prevodový mechanizmus, ktorý je mechanickým spojom spojený s ramenom (a na ňom pripevnenou záťažou). Takýto aktuátor má pneumatické umelé svaly pripojené k rozdeľovacím členom cez pneumatické spoje. Tieto rozdeľovacie členy sú príslušnými elektrickými spojmi pripojené k napúšťacím a vypúšťacím elektropneumatickým ventilom, doplnenými o škrtiace ventily. Zo všetkých elektropneumatický ch ventilov sú vyvedené ovládacie spoje, ktoré slúžia k aktivácii príslušného ventila.
Aktuátor je aktivovaný a uvedený do počiatočnej referenčnej polohy ramena so záťažou privedením stlačeného vzduchu príslušnými pneumatickými spojmi do obidvoch pneumatických umelých svalov otvorením oboch napúšťacích elektropneumatických ventilov. Ich aktivácia sa uskutočňuje cez príslušné ovládacie spoje.
Riadenie antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi sa uskutočňuje tak, že poloha ramena (a na ňom pripevnenej záťaže) aktuátora je pre jeden sektor jeho pracovného rozsahu nastavovaná privedením stlačeného vzduchu do aktívneho svalu cez príslušné pneumatické spoje otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila. Po dosiahnutí maximálnej polohy v závislosti od p arametrov svalu vypustením stlačeného vzduchu z aktívneho svalu pneumatickými spojmi otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila. Aktivácia elektropneumaticky ch ventilov sa uskutočňuje príslušnými ovládacími elektrickými spojmi. Pasívny sval má v tom čase k nemu príslušné elektropneumatické ventily zatvorené. Poloha ramena aktuátora pre protiľahlý sektor jeho pracovného rozsahu je nastavovaná tým istým spôsobom, avšak funkcia umelých svalov je vymenená, t. j. aktívnym svalom je sval, ktorý v predchádzajúcom prípade bol pasívny a pasívnym ten, ktorý bol aktívnym
Výhodou navrhovaného riešenia riadenia aktuátora je to, že vyžaduje v danom čase riadenie činnosti iba jedného elektropneumatického ventila. Pri zmene smeru pohybu ramena dochádza ku zmene ovládacieho elektropneumatického ventila, ale nikdy nedochádza k súčasnému riadeniu viac ako jedného elektropneumatického ventila. Takéto (jednoparametrové) riadenie antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi je podstatne jednoduchšie ako pôvodné (viacparametrové) riadenie a taktiež umožňuje činnosť aktuátora v rozsahu tlaku stlačeného vzduchu od počiatočného tlaku, až po maximálny dovolený tlak. To sa prejavuje vo forme vysokej tuhosti aktuátora, narastajúcej s výchylkou ramena aktuátora.
Voči predchádzajúcemu riešeniu je výhodou navrhovaného riešenia dosiahnutie iným momentov pootočenia ramena so záťažou, čo môže byť žiaduce v niektorých oblastiach riadenia, napríklad v robotike.
Prehľad obrázkov na výkresoch
Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou priloženého výkresu, kde obr. 1 znázorňuje blokové zapojenie spôsobu riadenia aktuátora.
Príklady uskutočnenia
Na obr. 1 je znázornený príklad uskutočnenia technického riešenia navrhovaného spôsobu riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelým svalmi. Znázorňuje blokové zapojenie spôsobu riadenia charakterizované tým, že jeho základom sú pneumatické umelé svaly 1, 2, prevodový mechanizmus 3, rameno 4 so záťažou, rozdeľovacie členy 5, 6, vypúšťacie elektropneumatické ventily 7, 8 so škrtiacimi ventilmi 24, 25 a napúšťacie elektropneumatické ventily 9, 10. Pneumatické umelé svaly 1 a 2 sú spojmi 11 a 12 spojené s prevodovým mechanizmom 3 a ten je mechanickým spojom 13 spojený s ramenom 4 so záťažou. Uvedený antagonistický aktuátor má súčasne pneumatické umelé s valy 1 a 2 pripojené pneumatic
SK50021-2018 U1 kými spojmi 14 a 15 k rozdeľovacím členom 5 a 6, ktoré sú pneumatickými spojmi 18 a 19 pripojené k vypúšťacím elektropneumatickým ventilom 7 a 8 so škrtiacimi ventilmi 24 a 25. K rozdeľovacím členom 5 a 6 sú pneumatickými spojmi 16 a 17 tiež pripojené napúšťacie elektropneumatické ventily 9 a 10. Z elektropneumatických ventilov 7, 8 a 9, 10 sú vyvedené ovládacie elektrické spoje 22, 23 a 20, 21.
Riadenie antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi sa uskutočňuje tak, že aktuátor sa aktivuje a uvádza do základnej polohy privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 16 a 17 z rozdeľovacích členov 5 a 6 cez pneumatické spoje 14 a 15 do pneumatických umelých svalov 1 a 2 otvorením napúšťacích elektropneumatických ventilov 9 a 10 v dôsledku ich aktivácie ovládacími elektrickými spojmi 20 a 21. Pneumatické umelé svaly 1 a 2 pôsobia antagonisticky voči sebe cez spoje 11 a 12 a prevodový mechanizmus 3, ktorý cez mechanický sp oj 13 pohybuje s ramenom 4 so záťažou. Poloha ramena 4 aktuátora pre jeden sektor jeho pracovného rozsahu pre aktívny pneumatický umelý sval 1 sa zo základnej polohy v jednom smere pohybu nastavuje privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 14 a 16 otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila 9 v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom 20. K pohybu v opačnom smere dochádza vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 14 a 18 otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila 7 so škrtiacim ventilom 24 v dôsledku ich aktivácie ovládacím elektrickým spojom 22. Pasívny pneumatický umelý sval 2 má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily 8 a 10 zatvorené. Poloha ramena 4 aktuátora pre protiľahlý sektor jeho pracovného rozsahu pre aktívny pneumatický umelý sval 2 sa zo základnej polohy v jednom smere pohybu nastavuje privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 15 a 17 otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila 10 v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom 21. K pohybu v opačnom smere dochádza vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 15 a 19 otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila 8 so škrtiacim ventilom 25 v dôsledku ich aktivácie ovládacím elektrickým spojom 23. Pasívny pneumatický umelý sval 1 má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily 7 a 9 zatvorené.
Priemyselná využiteľnosť
Takýto spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi je možno použiť pri krátkodobom i dlhodobom uplatnení funkčných celkov, v ktorých sú použité pneumatické svaly v antagonistickom, alebo inom zapojení. Navrhovaný spôsob riadenia je možno použiť v oblasti automatizácie, robotiky a mechatroniky, kde je obvykle použitie ľahkých, výkonných, po hyblivých a riaditeľných pohonov.
Claims (3)
1. Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi, vyznačujúci sa tým, že aktuátor sa aktivuje a uvádza do základnej polohy privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (16) a (17) z rozdeľovacích členov (5) a (6) a následne cez pneumatické spoje (14) a (15) do pneumatických umelých svalov (1) a (2) otvorením napúšťacích elektropneumatických ventilov (9) a (10) v dôsledku ich aktivácie ovládacími elektrickými spojmi (20) a (21), pričom pneumatické umelé svaly (1) a (2) pôsobia antagonisticky voči sebe cez spoje (11) a (12) a prevodový mechanizmus (3), ktorý cez mechanický spoj (13) pohybuje s ramenom (4) so záťažou.
2. Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že poloha ramena (4) aktuátora pre jeden sektor jeho pracovného rozsahu pre aktívny pneumatický umelý sval (1) sa zo základnej polohy v jednom smere pohybu nastavuje privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (14) a (16) otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila (9) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (20) a v opačnom smere pohybu vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (14) a (18) otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila (7) so škrtiacim ventilom (24) v dôsledku ich aktivácie ovládacím elektrickým spojom (22), pričom pasívny pneumatický umelý sval (2) má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily (8) a (10) zatvorené.
3. Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi podľa nárokov 1 a 2, vyznačujúci sa tým, že poloha ramena (4) aktuátora pre protiľahlý sektor jeho pracovného rozsahu pre aktívny pneumatický umelý sval (2) sa zo základn ej polohy v jednom smere pohybu nastavuje privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (15) a (17) otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila (10) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (21) a v opačnom smere pohybu vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (15) a (19) otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila (8) so škrtiacim ventilom (25) v dôsledku ich aktivácie ovládacím elektrickým spojom (23), pričom pasívny pneumatický umelý sval (1) má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily (7) a (9) zatvorené.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SK50021-2018U SK8326Y1 (sk) | 2018-03-14 | 2018-03-14 | Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SK50021-2018U SK8326Y1 (sk) | 2018-03-14 | 2018-03-14 | Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SK500212018U1 true SK500212018U1 (sk) | 2018-08-02 |
SK8326Y1 SK8326Y1 (sk) | 2019-01-08 |
Family
ID=63012741
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SK50021-2018U SK8326Y1 (sk) | 2018-03-14 | 2018-03-14 | Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
SK (1) | SK8326Y1 (sk) |
-
2018
- 2018-03-14 SK SK50021-2018U patent/SK8326Y1/sk unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SK8326Y1 (sk) | 2019-01-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7555969B2 (en) | Joint driving device | |
Daerden et al. | Pleated pneumatic artificial muscles: actuators for automation and robotics | |
US9372487B2 (en) | Fluidic actuator | |
JP2018527963A (ja) | 器官を作動するための空気圧デバイス | |
Gavrilović et al. | Positional servo-mechanism activated by artificial muscles | |
Situm et al. | Design and control of a manipulator arm driven by pneumatic muscle actuators | |
Daerden et al. | Pleated pneumatic artificial muscles: compliant robotic actuators | |
KR20180130549A (ko) | 유압 액추에이터, 로봇 아암, 로봇 핸드 및 동작 방법 | |
Skorina et al. | Motion control of a soft-actuated modular manipulator | |
JP6164528B2 (ja) | 液圧駆動装置 | |
Gan et al. | A novel variable transmission with digital hydraulics | |
SK500212018U1 (sk) | Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pretlakovými pneumatickými umelými svalmi | |
US20170328381A1 (en) | Actuator and channel component | |
KR101980831B1 (ko) | 온도조절장치, 이를 이용한 인공근육모듈의 구동장치 및 로봇 | |
SK500612016U1 (sk) | Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi | |
SK500702017A3 (sk) | Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi | |
WO2020158352A1 (ja) | サーボ弁ユニット及び機器 | |
Mihajlov et al. | Modeling and control of fluidic robotic joints with natural compliance | |
Bowler et al. | Pneumatic muscle actuators: Musculature for an anthropomorphic robot arm | |
Reichert et al. | New concepts and design of high response hydraulic valves using piezo-technology | |
SK7454Y1 (sk) | Riadený antagonistický aktuátor s pneumatickými umelými svalmi | |
SK500612017A3 (sk) | Riadený antagonistický aktuátor s pneumatickými umelými svalmi | |
KR101948842B1 (ko) | 공압 구동을 위한 압축공기 재순환 시스템 및 모바일 로봇 | |
US20190085877A1 (en) | Variable pressure device and actuator | |
Chakravarthy et al. | Development of miniaturized pneumatic artificial muscle for surgical device |