The actuators most used today in haptic systems are
direct-current electrical motors. They are easy to install, quiet,
and relatively simple to control. However, their reduction
mechanisms can introduce backlash and high inertia, which are
undesirable in haptic applications. In this brief, we investigate
the use of electropneumatic actuators in a tele operation system.
Compared to the electrical actuators, pneumatic actuators
have higher force-to-mass ratio and can generate larger force
without any reduction mechanism. Moreover, they are inert to
magnetic fields, which is crucial in certain applications such
as robot-assisted surgery under magnetic resonance imaging
guidance [3], [4].
Due to the above advantages, pneumatic actuators have
been used in new applications, such as telerobotics, in recent
years. For instance, Tadano and Kawashima [5] propose a
forceps manipulator for a surgical master–slave system, which
estimates external forces without using any force sensor.
Pneumatic muscle actuators have been also recently used in
the tele operation system [6]. They are compact and have high
power/weight density, but they are difficult to control and
require an accurate experimental characterization.
All of the prior works used proportional servo valves
in pneumatically actuated systems because they allow the
achievement of high performances in various position or force
control tasks. However, they are typically expensive because
they require high-precision manufacturing. Therefore, in this
brief, fast-switching ON/OFF valves are used due to their
advantages in terms of low cost and small size. Thanks to
the breakthroughs in valve technology such as leak reduction,
miniaturized of mechanical elements, and fast electronic components;
the solenoid valves now are faster and more accurate
than the former valves. One of the objectives of this brief is to
show that good transparency in tele operation can be obtained
with these inexpensive components.
The traditional method for controlling a system with a
solenoid valve is pulse-width modulation (PWM) [7]–[9].
A main problem with PWM control is chattering, which is
caused by the high-frequency switching of the valve [10].
Chattering can drastically reduce the lifetime of the
valve and generate noises possibly disturbing for certain
applications.
To overcome the drawbacks of PWM-based control of
solenoid valves, this brief presents a new control method
inspired by the hybrid theory recently developed for asynchronous
and synchronous electrical motor control [11]–[13].
This approach is used in a switching-based hybrid system,
which includes continuous actuators and a discrete controller
with a finite number of states. In the case of alternating
current motor drives, contrary to conventional vector control
such as proportional-integral control in which the inverter model is not taken into account by the controller, hybrid
control considers the state of the inverter a control variable.Therefore, it allows obtaining faster torque dynamics than the
vector-control algorithm. Our contribution in this brief consists
of applying the previously developed hybrid algorithm to
the pneumatic master–slave system actuated by fast-switching
ON/OFF valves. The four-channel (4CH) bilateral tele operation
architecture is used in order to test the efficiency of the
proposed control laws. The reason for this is that the 4CH
method is the most general tele operation control architecture
compared to position error based, direct force reflection, and
shared compliance control methods and it can achieve superior
transparency [14], [15]. Finally, an analysis of the controller
parameters is carried out to achieve satisfactory performance
in terms of tele operation transparency.
For the sake of simplicity, the master and slave actuators
are considered to be identical in this brief. In the experiments,
the master and the slave are one-degree-of-freedom
(1-DOF) pneumatic manipulators. It should be noted that this
brief does not deal with the presence of time delay in the
communication channel of the tele operation system—for time
delay compensation in haptic tele operation, the readers may
refer to [16] and [17]. Such a delay is commonly presented in
remote tele operation systems, but is generally not significant
in local tele operation systems.
The structure of this brief is as follows. First, the modeling
of the pneumatic manipulator composed of a cylinder and four
solenoid valves is presented in Section II. Section III describes
the hybrid principle, which is implemented in a 4CH bilateral
control system. Section IV presents experimental results that
validate the proposed theories. Finally, concluding remarks
appear in Section V
actuators ส่วนใหญ่ใช้วันนี้ในระบบสัมผัสเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
. พวกเขาจะติดตั้งง่าย , เงียบ ,
และค่อนข้างง่ายที่จะควบคุม อย่างไรก็ตาม กลไกการลด
ของพวกเขาสามารถแนะนำฟันเฟืองและความเฉื่อยสูงซึ่งเป็นที่ไม่พึงประสงค์ในงานสัมผัส
. ในสั้น , เราตรวจสอบ
ใช้ electropneumatic ตัวกระตุ้นในระบบปฏิบัติการเป็น Tele .
เมื่อเทียบกับหัวฉีดไฟฟ้า นิวเมติก ตัวกระตุ้น
มีแรงต่อมวลสูงและสามารถสร้างขนาดใหญ่แรง
โดยไม่ลดกลไก นอกจากนี้ พวกเขาจะเฉื่อย
สนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการเป็นหุ่นยนต์ช่วยผ่าตัดภายใต้
เรโซแนนซ์แม่เหล็กด้านการแนะแนว [ 3 ] บาง [ 4 ] .
เนื่องจากข้อได้เปรียบเหนือลม , actuators มี
ถูกใช้ในงานใหม่ เช่น telerobotics ในล่าสุด
ปี ตัวอย่าง ทาดาโน และ คาวา [ 5 ] เสนอ
คีมแบบราคาประหยัด และระบบต้นแบบสำหรับทาสซึ่ง
ประมาณการแรงภายนอก โดยไม่ต้องใช้แรงใด ๆ เซ็นเซอร์
ตัวกระตุ้นกล้ามเนื้อลมได้รับเมื่อเร็ว ๆ นี้ยังใช้ในงานระบบ Tele
[ 6 ] พวกเขามีขนาดกะทัดรัด และมีความหนาแน่นพลังงาน / น้ำหนักสูง
,แต่พวกเขาจะยากที่จะควบคุม และต้องมีการศึกษาทดลองที่ถูกต้อง
.
ทั้งหมดก่อนงานใช้สัดส่วนใน pneumatically กระตุ้นระบบวาล์ว servo
เพราะพวกเขาอนุญาตให้เรียนสูงสมรรถนะในตำแหน่งต่าง ๆหรือแรงงาน
ควบคุม อย่างไรก็ตาม , พวกเขามักจะแพงเนื่องจากการผลิต
พวกเขาต้องการความเที่ยงตรงสูง ดังนั้น ในนี้
สั้นเร็วสลับการเปิด / ปิดวาล์วที่ใช้เนื่องจากข้อได้เปรียบของพวกเขา
ในแง่ของค่าใช้จ่ายต่ำและขนาดเล็ก ขอบคุณ
นวัตกรรมในเทคโนโลยี เช่น ลดวาล์วรั่ว
ขนาดเล็กขององค์ประกอบเครื่องกลและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ , รวดเร็ว ;
วาล์วขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าตอนนี้จะเร็วขึ้นและถูกต้องมากขึ้น
กว่าวาล์วเดิม หนึ่งในวัตถุประสงค์นี้ย่อๆ
แสดงความโปร่งใสในการดำเนินงานที่ดี Tele ได้
ไม่แพงด้วยส่วนประกอบเหล่านี้ วิธีแบบดั้งเดิมในการควบคุมระบบ ด้วยการมอดูเลตความกว้างพัลส์วาล์วขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าเป็น
( PWM ) [ 7 ] และ [ 9 ] .
ปัญหาหลักที่มีการควบคุม PWM คือคุยกัน ซึ่ง
ที่เกิดจากความถี่สูงสลับของ วาล์ว [ 10 ] .
ที่สามารถลดอายุการใช้งานของ
วาล์วและสร้างเสียงจะรบกวนสำหรับการใช้งานบางอย่าง
.
ที่จะเอาชนะข้อเสียของ PWM ควบคุมวาล์ว solenoid
ตามนี้โดยย่อเสนอใหม่ วิธีการควบคุม
แรงบันดาลใจจากทฤษฎีไฮบริดเมื่อเร็ว ๆนี้พัฒนาและควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้าแบบซิงโครนัส Asynchronous
[ 11 ] - [ 13 ] .
วิธีการนี้ถูกใช้ในการสลับ ระบบไฮบริด
อิงซึ่งรวมถึงการกระตุ้นอย่างต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องกับ
ควบคุมจำนวนที่จำกัดของรัฐ ในกรณีของการสลับ
ไดรฟ์มอเตอร์กระแสไฟ ต่อการควบคุมเวกเตอร์เดิม
เช่นการควบคุมส่วนประกอบสัดส่วนที่อินเวอร์เตอร์แบบไม่พิจารณา โดยควบคุม , ควบคุมไฮบริด
พิจารณาสถานะของอินเวอร์เตอร์ควบคุมตัวแปร ดังนั้นมันช่วยให้รับเร็วแรงบิดกว่า
เวกเตอร์ควบคุมพลวัตขั้นตอนวิธี ผลงานของเราในช่วงสั้น ๆของการใช้พัฒนาก่อนหน้านี้ประกอบด้วย
ลมไฮบริดขั้นตอนวิธีต้นแบบและทาสระบบทำการเปลี่ยนโดยเร็ว
/ ปิดวาล์ว สี่ช่อง ( 4 ช่ ) สถาปัตยกรรมการทำงาน
Tele ทวิภาคีใช้เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของ
เสนอกฎหมายควบคุมเหตุผลนี้คือ ว่า วิธี คือ การผ่าตัด Tele 4 ช่
เมื่อเทียบกับสถาปัตยกรรมทั่วไปมากที่สุดการควบคุมข้อผิดพลาดตามตำแหน่ง สะท้อนแรงโดยตรง และใช้วิธีควบคุมและปฏิบัติตาม
มันสามารถบรรลุความโปร่งใสที่เหนือกว่า [ 14 ] , [ 15 ] ในที่สุดการวิเคราะห์พารามิเตอร์ควบคุม
จะดําเนินการเพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพที่น่าพอใจในแง่ความโปร่งใส
งาน Tele .เพื่อความเรียบง่าย เจ้านายและทาส actuators
ถือว่าเหมือนกันในนี้ สั้นๆ ในการทดลอง
ปริญญาโทและทาสเป็นหนึ่งองศาของเสรีภาพ
( 1-dof ) ลมแขน . มันควรจะสังเกตว่าบทสรุปนี้
ไม่ได้จัดการกับสถานะของการประวิงเวลาในช่องทางการสื่อสารของระบบปฏิบัติการ Tele
สำหรับเวลาการชดเชยในการเทเลติค ผู้อ่านอาจ
ดู [ 16 ] และ [ 17 ] เช่นการเสนอโดยทั่วไปใน
ระบบปฏิบัติการเทเลระยะไกล แต่โดยทั่วไปจะไม่พบในระบบปฏิบัติการ
/ ท้องถิ่น โครงสร้างนี้โดยสังเขปมีดังนี้ แรก , แบบจำลอง
ของลมแห่งประกอบด้วยกระบอกและสี่
ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าวาล์วจะนำเสนอในส่วนที่ 2ส่วนที่ 3 อธิบาย
หลักการลูกผสม ซึ่งดำเนินการใน 4 ช่ทวิภาคี
การควบคุมระบบ ส่วนที่ 4 แสดงผลการทดลองที่
ตรวจสอบเสนอทฤษฎี สุดท้าย สรุปข้อสังเกต
v
ปรากฏในมาตรา
การแปล กรุณารอสักครู่..
