SK7454Y1 - Riadený antagonistický aktuátor s pneumatickými umelými svalmi - Google Patents

Abstract

Riadený antagonistický aktuátor s pneumatickými umelými svalmi je tvorený základovou doskou (1) s pevne pripojenými dvomi stĺpikmi (2), ku ktorým sú pevne pripojené ložiskové puzdrá (3), cez ktoré je nasunutý hriadeľ (4) pevne spojený s kladkou (5). Na konci hriadeľa (4) je pevne nasunutý náboj ramena (6), ktorý je pevne spojený s ramenom (7), na konci ktorého je pripevnená záťaž (8). Súčasne cez kladku (5) je prevlečený ohybný pás (9), ktorý spája konce oboch pneumatických umelých svalov (10) a (11), ktorých opačné konce sú pripojené k zadným držiakom (12) a tie sú pevne pripojené k základovej doske (1). Pneumatické umelé svaly (10) a (11) sú trubicami (13) a (14) pripojené k rozdeľovacím členom (15) a (16), ktoré sú trubicami (17) a (18) pripojené k vypúšťacím elektropneumatickým ventilom (19) a (20). Tie sú trubicami (21) a (22) spojené s pneumatickými škrtiacimi ventilmi (23) a (24). K rozdeľovacím členom (15) a (16) sú pripojené trubice (25) a (26), ktoré sú pripojené k napúšťacím elektropneumatickým ventilom (27) a (28). K nim sú pripojené trubice (29) a (30) a tie sú následne pripojené k rozdeľovaciemu členu (31), ktorý je trubicou (32) spojený so zdrojom stlačeného vzduchu (33). Z elektropneumatických ventilov (19), (20) a (27), (28) sú vyvedené ovládacie spoje (34), (35) a (36), (37).

Description

Technické riešenie sa týka riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi v oblasti automatizácie, robotiky a mechatroniky, kde je obvyklé 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 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 ten je uložený v ložiskách. Tie 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 počiatočný stav 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 s určitou hmotnosťou, 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 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 okamihu 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 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.

SK 7454 Υ1

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky odstraňuje navrhované technické riešenie, ktorého podstata spočíva v uplatnení koncepcie riadenia aktuátora s odlišným účinkovaním pneumatických umelých svalov. Jeden z pneumatických umelých 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 v svale. V druhej polovici dráhy ramena je funkcia aktuátora rovnaká, medzi funkciami pneumatických umelých svalov dochádza k zámene. Takéto zjednodušené riadenie antagonistického aktuátora s pneumatickými umelými svalmi je umožnené vhodnou konštrukciou aktuátora. Riadený aktuátor je tvorený základovou doskou s pevne pripojenými dvomi stĺpikmi, ku ktorým sú pevne pripojené ložiskové puzdrá, cez ktoré je nasunutý hriadeľ, pevne spojený s kladkou. Na konci hriadeľa je pevne nasunutý náboj ramena, ktorý je pevne spojený s ramenom, na konci ktorého je pripevnená záťaž aktuátora. Súčasne cez kladku je prevlečený ohybný pás, ktorý spája konce obidvoch pneumatických umelých svalov. Ich opačné konce sú pripojené k zadným držiakom a tie sú pripojené k základovej doske. Takýto aktuátor má pneumatické umelé svaly cez prívodné trubice pripojené k rozdeľovacím členom, ktoré sú ďalšími trubicami pripojené k vypúšťacím elektropneumatickým ventilom. Tie sú trubicami spojené s pneumatickými škrtiacimi ventilmi. K rozdeľovacím členom sú pripojené aj trubice, ktoré sú opačnými koncami pripojené k napúšťacím elektropneumatickým ventilom. K nim sú pripojené trubice, ktoré sú následne pripojené k rozdeľovaciemu členu, ktorý je trubicou spojený so zdrojom stlačeného vzduchu. Zo všetkých elektropneumatických ventilov sú vyvedené ovládacie spoje, ktoré slúžia na aktiváciu príslušného ventilu.

Výhodou navrhovaného riešenia riadenia aktuátora je to, že vyžaduje v danom čase riadenie činnosti iba jedného elektropneumatického ventilu. Pri zmene smeru pohybu ramena dochádza k 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 tiež 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 výkresu, kde obrázok 1 znázorňuje celkové usporiadanie funkčných častí zariadenia.

Príklady uskutočnenia

Na obrázku 1 je znázornený príklad uskutočnenia technického riešenia na realizáciu navrhovaného riadenia antagonistického aktuátora s pneumatickými umelým svalmi. Znázorňuje celkové usporiadanie funkčných častí zariadenia, pričom riadenie je umožnené vhodnou konštrukciou aktuátora. Riadený antagonistický aktuátor s pneumatickými umelými svalmi je tvorený základovou doskou j_ s pevne pripojenými dvomi stĺpikmi 2, ku ktorým sú pevne pripojené ložiskové puzdrá 3, cez ktoré je nasunutý hriadeľ 4, pevne spojený s kladkou 5. Na konci hriadeľa 4 je pevne nasunutý náboj ramena 6, ktorý je pevne spojený s ramenom 7, na konci ktorého je pripevnená záťaž 8. Súčasne cez kladku 5 je prevlečený ohybný pás 9, ktorý spája konce oboch pneumatických umelých svalov 10 a 11, ktorých opačné konce sú pripojené k zadným držiakom 12 a tie sú pevne pripojené k základovej doske T Uvedený riadený aktuátor má pneumatické umelé svaly 10 a 11 trubicami 13 a 14 pripojené k rozdeľovacím členom 15 a 16, ktoré sú trubicami 17 a 18 pripojené k vypúšťacím elektropneumatickým ventilom 19 a 20. Tie sú spojené trubicami 21 a 22 s pneumatickými škrtiacimi ventilmi 23 a 24. K rozdeľovacím členom 15 a 16 sú pripojené trubice 25 a 26, ktoré sú pripojené k napúšťacím elektropneumatickým ventilom 27 a 28. K nim sú pripojené trubice 29 a 30 a tie sú následne pripojené k rozdeľovaciemu členu 31, ktorý je trubicou 32 spojený so zdrojom stlačeného vzduchu 33. Z elektropneumatických ventilov 19, 20 a 27, 28 sú vyvedené ovládacie spoje 34, 35 a 36, 32.

Priemyselná využiteľnosť

Riadený antagonistický aktuátor 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.

Claims (1)

1. Riadený antagonistický aktuátor s pneumatickými umelými svalmi, vyznačujúci sa tým, že pozostáva z aktuátora tvoreného základovou doskou (1) s pevne pripojenými dvomi stĺpikmi (2), ku kto5 rým sú pevne pripojené ložiskové puzdrá (3), cez ktoré je nasunutý hriadeľ (4) pevne spojený s kladkou (5), pričom na konci hriadeľa (4) je pevne nasunutý náboj ramena (6), ktorý je pevne spojený s ramenom (7), na konci ktorého je pripevnená záťaž (8) a súčasne cez kladku (5) je prevlečený ohybný pás (9) na spojenie koncov pneumatických umelých svalov (10) a (11), ktorých opačné konce sú pripojené k zadným držiakom (12) a tie sú pripojené k základovej doske (1), pričom uvedený aktuátor má pneumatické umelé svaly (10) a (11)

   10 trubicami (13) a (14) pripojené k rozdeľovacím členom (15) a (16), ktoré sú trubicami (17) a (18) pripojené k vypúšťacím elektropneumatickým ventilom (19) a (20), ktoré sú spojené trubicami (21) a (22) s pneumatickými škrtiacimi ventilmi (23) a (24), pričom k rozdeľovacím členom (15) a (16) sú pripojené trubice (25) a (26), ktoré sú pripojené k napúšťacím elektropneumatickým ventilom (27) a (28), ku ktorým sú pripojené trubice (29) a (30) a tie sú následne pripojené k rozdeľovaciemu členu (31), ktorý je trubicou (32) spojený so

   15 zdrojom stlačeného vzduchu (33), pričom z elektropneumatických ventilov (19), (20) a (27), (28) sú vyvedené ovládacie spoje (34), (35) a (36), (37).

   1 výkres