SK500612016U1 - Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi - Google Patents

Abstract

Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s 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 vypustením stlačeného vzduchu cez spoje (14) a (18) otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventilu (7) v dôsledku jeho aktivácie elektrickým spojom (22). K opačnému smeru pohybu ramena (4) (a na ňom pripevnenej záťaže) dochádza privedením stlačeného vzduchu cez spoje (16) a (14) napúšťacím elektropneumatickým ventilom (9) v dôsledku jeho aktivácie elektrickým spojom (20). Pasívny pneumatický umelý sval (2) má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily (8) a (10) zatvorené. Poloha ramena (4) (a na ňom pripevnenej záťaže) 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

Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka spôsobu riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi v oblasti automatizácie, robotiky a mechatroniky, kde je obvykle použitie ľahkých, výkonných, pohyblivých a riaditeľných pohonov.

Dotera jší stav techniky

Súčasné zariadenia na generovanie točivého pohybu pomocou pneumatických umelých svalov (ďalej umelých svalov) sú riešené ako mechanické sústavy s dvomi 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 svaly 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 kontrakcií 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 aJoint Actuated by Two Pneumatic Artificial Muscles with Fast Switching ON-OFF Valves. Proceedings of 6th National Congress on Theoretical and Applied Mechanics, Ghent, 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 Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2009), Singapore, 2009, pp. 1383-1388.

• Jouppila, V.T., Gadsden, S.A, Bone G.M., Ellman, A.U., Habibi, S.R.: Sliding Móde Control of a Pneumatic Muscle Actuator System with a PWM strategy. International Journal of Fluid Power, Vol. 15, Issue 1, 2014, pp. 19-31.

• More, M., Líška, O.: Comparison of Different Methods for Pneumatic Artificial Muscle Control. llth IEEE International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics {SAMI 2013), Herľany, 2013, pp. 117-120.

• Fluidic Artificial Muscle Actuation System for Trailing-Edge Flap, US 20110266391 Al.

• Fluid-Driven Artificial Muscles as Mechanisms for Controlled Actuation, US 7837144 B2.

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky odstraňuje navrhované technické riešenie, ktorého podstata spočíva v uplatnení koncepcie riadenia aktuátora s odlišným účinkovaním pneumatických umelých svalov. Jeden zo svalov (pasívny) v príslušnej polovici dráhy ramena aktuátora plní úlohu pasívnej nelineárnej pneumatickej pružiny a nepotrebuje žiaden riadiaci zásah. Riadený je iba k nemu antagonistický komplementárny (aktívny) umelý sval, ktorého pohyb je riadený a poloha nastavovaná reguláciou tlaku vzduchu vo svale. V druhej polovici dráhy ramena je funkcia aktuátora rovnaká, medzi funkciami pneumatických umelých svalov dochádza k zámene. Takýto spôsob riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi je umožnený vhodnou konštrukciou aktuátora tvoreného dvojicou pneumatických umelých svalov antagonistický spojených cez prevodový mechanizmus, ktorý je mechanickým spojom spojený s ramenom (a na ňom pripevnenou záťažou). Takýto aktuátor má pneumatické umelé svaly cez pneumatické spoje pripojené k rozdeľovacím členom. Tieto rozdeľovacie členy sú príslušnými elektrickými spojmi pripojené k vypúšťacím a napúšťacím elektropneumatickým ventilom. Zo všetkých elektropneumatických ventilov sú vyvedené ovládacie spoje, ktoré slúžia na aktiváciu príslušného ventilu.

Aktuátor je aktivovaný a uvedený do základnej 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 pneumatickými umelými svalmi sa uskutočňuje tak, že poloha ramena (a na ňom pripevnenej záťaže) aktuátora je pre jeden sektor jeho pracovného rozsahu nastavovaná vypustením stlačeného vzduchu z aktívneho svalu cez príslušné pneumatické spoje otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventilu alebo privedením stlačeného vzduchu do aktívneho svalu pneumatickými spojmi otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventilu. Aktivácia elektropneumatických 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 plnom rozsahu tlaku stlačeného vzduchu. To sa prejavuje vo forme vyššej tuhosti aktuátora.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou priloženého výkresu, kde obr. 1 znázorňuje blokové zapojenie riadenia aktuátora.

Príklady uskutočnenia

Na obr. 1 je znázornený príklad uskutočnenia technického riešenia navrhovaného spôsobu riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelým svalmi. Znázorňuje blokové zapojenie riadenia, ktorého základom sú pneumatické umelé svaly la2, prevodový mechanizmus 3, rameno 4 zo záťažou, rozdeľovacie členy 5 a 6, vypúšťacie elektropneumatické ventily 7 a 8 a napúšťacie elektropneumatické ventily 9 a 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 svaly 1 a 2 pripojené pneumatickými 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. 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.

Aktuátor je aktivovaný a uvedený do základnej polohy ramena 4 (a na ňom pripevnenej záťaže) privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 16, 17 a 14,15 do pneumatických umelých svalov 1 a 2 otvorením napúšťacích elektropneumatických ventilov 9 a 10 v dôsledku ich aktivácie ovládacími elektrickými spojmi 20 a 21.

Riadenie antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi sa uskutočňuje tak, že poloha ramena 4 (a na ňom pripevnenej záťaže) aktuátora pre jeden sektor jeho pracovného rozsahu pre aktívny pneumatický umelý sval 1 je v jednom smere pohybu nastavovaná vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 14 a 18 otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila 7 v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom 22. V opačnom smere pohybu ramena 4 (a na ňom pripevnenej záťaže) sa to vykonáva privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 16 a 14 otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila 9 v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom 20. Pasívny pneumatický umelý sval 2 má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily 8 a 10 zatvorené.

Pre protiľahlý sektor pracovného rozsahu antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi sa jeho riadenie uskutočňuje tak, že poloha ramena 4 (a na ňom pripevnenej záťaže) aktuátora pre aktívny pneumatický umelý sval 2 je v jednom smere pohybu nastavovaná • e vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 15 a 19 otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila 8 v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom 23. V opačnom smere pohybu sa to vykonáva privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje 17 a 15 otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila 10 v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom 21. Pasívny pneumatický umelý sval 1 má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily 7 a 9 zatvorené.

Priemyselná využiteľnosť

Takýto spôsob riadenia antagonistického aktuátora s 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, pohyblivých a riaditeľných pohonov.

T>(zVVtx>er-iQ • ·· ·· • · · · · • · · · * · ······ · ··· • · ·· · »· ·«

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 antagonistický 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 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 vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (14) a (18) otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila (7) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (22) a následne v opačnom smere pohybu privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (16) a (14) otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila (9) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (20) , pričom pasívny pneumatický umelý sval (2) má v tom čase príslušné elektropneumatické ventily (8) a (10) zatvorené.

3. Spôsob riadenia antagonistického aktuátora s 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 základnej polohy v jednom smere pohybu nastavuje vypustením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (15) a (19) otvorením vypúšťacieho elektropneumatického ventila (8) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (23) a následne v opačnom smere pohybu privedením stlačeného vzduchu cez pneumatické spoje (17) a (15) otvorením napúšťacieho elektropneumatického ventila (10) v dôsledku jeho aktivácie ovládacím elektrickým spojom (21) , pričom pasívny pneumatický umelý sval (1) má vtom čase príslušné elektropneumatické ventily (7) a (9) zatvorené.

6-8