Load independent trajectory control for an artificial muscle

Abstract

ÖZET BİR YAPAY KAS İÇİN YÜKTEN BAĞIMSIZ YÖRÜNGE DENETİMİ Bu çalışmada geri besleme gecikmelerinden kurtulmak için PID'ye (Proportional- Integral- Derivative) alternatif yeni bir denetim yöntemi geliştirmek amacıyla basınçlı hava ile çalışan McKibben yapay kaslarının histeretik özellikleri araştırıldı. Kütle değişimlerine kendini uyarlayan bir fiziksel model geliştirilerek hareketin yörüngesinin yükten bağımsız olması amaçlandı. Bu çalışmada, bir yapay kas üzerine yoğunlaştık ve modelimizi farklı basınç ve farklı yüklerde kasın kasılması ölçerek oluşturduk. Öngörülen model kasın hareketi esnasında oluşan kuvvetlerin hesaplanmasını gerektirmektedir. Bu kuvvetler kasın kasılma miktarı, hızı ve ivmesi ile ilişkilidir, ilk olarak, kasın kaldırdığı yükün kütlesi kuvvetler hesaplanarak ölçülür. Sonra da basınç ve kasılma miktarını ilişkilendiren matematiksel model oluşturulur. Katsayılar hem yükün kütlesine, hem de hava basıncını denetleyen elektrik akımının hızına bağlıdır. Kasın yay benzeri özelliğinden dolayı, aynı denetim sinyali için kasılma oranları farklı kütlelerde farklı olmaktadır. Yükten bağımsız yörünge denetimini geliştirmek için, fiziksel model kütleye bağlı parametreleri içermelidir. Bu denetim sisteminde, denetim sinyali (elektrik akım girdisi) ve elektrik akım hızı hedef yörüngeyle ilişkilendirilir. Denetim sistemi açık-döngülüdür ve geri beslemeye ihtiyaç duymaz. Anahtar Sözcükler: McKibben, yapay kas, histeri, doğrusal olmayan sistem ler, denetim.

IV ABSTRACT LOAD INDEPENDENT TRAJECTORY CONTROL FOR AN ARTIFICIAL MUSCLE In this study, the hysteretic characteristics of pneumatic McKibben artificial muscle were investigated to develop an alternative trajectory control method to tradi tional PID (Proportional-Integral-Derivative) controller avoiding feedback delays. Fur thermore motion trajectory is intended to be payload independent by developing a physical model that will adapt itself to mass changes. In this study, we focus on only one actuator and evaluate our model experimentally. The contraction of the muscle against different pressure values was measured for several different load masses. The proposed model requires computation of actual forces involved in the motion generation of the muscle. These forces are related to contraction ratio, speed, and acceleration of the actuator. First, the load mass that the muscle lifts is measured by force sensation. The mass assessment is performed by using a friction coefficient model. Next a mathematical model relating actuator pressure with its contraction ratio is established. The coefficients are related to both the load mass and the electrical current speed that controls the servo valve pressure. Because of the spring-like characteristics of the muscle, its contraction ratio is different for different loads for the same control signal. To achieve load independent trajectory control, the physical model must contain mass related parameters. In this control system, control signal (input electrical current) and electrical current speed are related to the target trajectory. The control system is open-loop, and has no feedback. Keywords: McKibben, artificial muscle, rubbertuator, hysteresis, non-linearity, control.