Aktuální vydání

celé číslo

03

2020

Veletrh Amper

Fórum automatizace a digitalizace

celé číslo

Hmatová rukavice s pneumatickými svaly

číslo 1/2004

Hmatová rukavice s pneumatickými svaly

Článek popisuje základní vlastnosti McKibbenových pneumatických svalů a vývoj hmatové rukavice vybavené těmito svaly, realizovaný na FEKT VUT v Brně. Navržená hmatová rukavice je velmi lehká a kompaktní, vhodná pro ovládání a zpětnovazební silové působení v robotice, teleprezenci či virtuální realitě.

This work summarises main exceptional properties of McKibben pneumatic muscles and development and design of a force feedback glove interface on FEEC Brno University of Technology. The glove is intended for use in robotics, especially in telepresence, or in virtual reality. The force and touch feedback are provided by Pneumatic Muscle Actuators. The design is light and compact.

1. Úvod

Hmatová – haptická rukavice je určena k přenosu hmatových a silových vjemů z virtuálního či reálného prostředí na hmatové a silové receptory prstů operátora. Hlavními oblastmi použití hmatové rukavice jsou virtuální realita a teleprezence (telemanipulace), ale i rehabilitace a další lékařské obory.

Současná komerční hmatová a silově zpětnovazební rozhraní jsou většinou poháněna stejnosměrnými servomotory za pomoci množství pák a lankových převodů (bovdenů). Tato zařízení jsou většinou příliš velká, drahá a těžkopádná. Použití „klasických„ pohonů na poli hmatových rukavic se jeví jako nevhodné zejména proto, že uživatel není schopen nést tíhu celého zařízení zpravidla připevněného k zápěstí.

Obr. 1.

Jeden ze slibných pohonů vhodných pro použití ve hmatových rozhraních je McKibbenův pneumatický sval. Právě jeho podobnost s lidskými kosterními svaly jej předurčuje pro použití v aplikacích požadujících bezpečné a vysoce funkční přímé propojení člověka se strojem.

2. McKibbenův umělý pneumatický sval

Pneumatický sval byl objeven v padesátých letech dvacátého století americkým doktorem medicíny J. L. McKibbenem, který jej použil pro pohon umělé ruky – protézy. Pro složitost řízení a potřebu zdroje stlačeného plynu (vzduchu nebo oxidu uhličitého) bylo v šedesátých letech od používání McKibbenových umělých svalů upuštěno. Až vývoj řídicích technik a snadná dostupnost dostatečného výpočetního výkonu znovu oživily vývoj pneumatických svalů a využití jejich výhodných vlastností tam, kde elektrické pohony selhávaly zejména pro svou nadměrnou hmotnost, tuhost a objem při nízkém výkonu. Bylo vyvinuto několik modifikací McKibbenova umělého svalu, např. Rubbertuator (Bridgestone, 1988), Braided Pneumatic Muscle Actuator [4] (University of Salford, 1993) a Pneumatic Muscle (Festo, 1997). Všechny tyto umělé pneumatické svaly se vyznačují velkým poměrem výkonu k hmotnosti a dostatečnou stabilitou pružnosti. Stále však přetrvávají potíže s polohovým řízením svalů vzhledem k jejich nelinearitě a problémům spojeným se stlačitelností média.

Pneumatické pohony založené na McKibbenových umělých svalech se vyznačují dvouplášťovou válcovou strukturou. Vnitřní vrstva je pružná a nepropustná (nejčastěji tenká pryžová hadice), zatímco vnější vrstva je křížem spirálovitě splétaná z ohebných, ale pevných vláken (např. nylonových, skleněných). Válec je na obou koncích utěsněn pomocí spon duralovými koncovkami s jedním či více plnicími a upevňovacími otvory. Průmyslové verze pneumatického svalu mohou mít splétanou vrstvu integrovanou (zalitou) přímo v první pryžové vrstvě a koncovky jsou na svalech upevněny převlečnou maticí. Tato konstrukce se vyznačuje delší životností za cenu zhoršení ostatních parametrů svalu, především jeho maximální kontrakce.

Obr. 2.

Mezi významné vlastnosti McKibbenova umělého pneumatického svalu patří mimořádně velké poměry síly a výkonu k hmotnosti a objemu a velký rozsah vyráběných délek a průměrů. Vlastnosti, tvar a chování jsou srovnatelné s lidskými svaly, což umožňuje jejich snadné vzájemné propojení (protézy, rehabilitace apod.). Například dosažitelné maximální zkrácení je na hranici 30 % jmenovité délky svalu.

Dosud vyvinuté regulátory jsou schopny regulovat polohu s přesností lepší než 1 % z rozsahu pohybu a umožňují dosáhnout mezní frekvence větší než 10 Hz. Tažná síla na jednotku plochy průřezu je až 300 N/cm2. U živočišného svalu je to přibližně 40 N/cm2. Chod svalu mezi krajními polohami je přesný a plynulý. Sval má charakteristické vnitřní tlumení.

Nezanedbatelnými výhodami jsou také nízká cena, velká spolehlivost, minimální nároky na údržbu a velká bezpečnost. Pneumatické svaly lze bez problémů použít ve vlhkém prostředí a v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Protože pneumatické svaly mohou vyvíjet aktivní sílu pouze při jednom směru pohybu – kontrakci, musí být v pohonu vždy uspořádány tzv. antagonisticky, a to buď jako dvojice proti sobě působících svalů, nebo jeden sval spřažený s pružinou. Tato důležitá vlastnost se projevuje u současné hmatové rukavice tím, že umožňuje aktivně silově působit pouze jedním směrem, a to proti sevření prstů (tzv. pasivní aktuace – funkci vratné pružiny zastávají prsty operátora). Není tak možná simulace jevů, jako je pohyb ruky ve viskózním prostředí či kontakt s překážkou vnější stranou ruky.

3. Mechanické uspořádání

Vlastní hmatová rukavice se skládá ze dvou částí – snímací rukavice a základny pro upevnění svalů, kterou si operátor navléká přes rukavici.

Obr. 3.

Kožená rukavice (obr. 2) je vybavena inkoustovými senzory ohybu prstů, umístěnými v malých kapsách na horní straně rukavice, mezi druhými a třetími články prstů. Signály senzorů jsou vyvedeny tenkým stíněným kabelem na hraně zápěstí.

Druhá část nesoucí pneumatické svaly (obr. 3) se skládá z termoplastové základny vytvarované podle tvaru zápěstí, upevňovacího popruhu, držáků svalů, podpůrných kladek upravujících směr působící síly a vlastních pneumatických svalů, na konci vybavených tenzometry a úchyty prstů. Je zde použit pouze jeden (agonický) sval na prst, umožňující pouze pasivní aktuaci. Hmatová rukavice tak neomezuje pohyb prstů operátora a pro hmatové vjemy spojené s uchopením předmětu je toto uspořádání dostačující. Hmotnost obou součástí dohromady je přibližně 500 g.

4. Řídicí elektronika

Řídicí elektronika se skládá z desky zesilovačů, desky pro komunikaci a sběr dat a modulu ovládání ventilů.

Deska zesilovačů signálu poskytuje nezbytné zesílení a filtraci signálu, aby výstupní signál amplitudově i frekvenčně odpovídal parametrům vstupu A/D převodníku. Deska má celkem deset kanálů, pět pro polovodičové membránové snímače tlaku a pět pro tenzometry svalů.

Deska pro komunikaci a sběr dat vzorkuje signály z čidel a komunikuje s nadřazeným PC. Disponuje šestnácti multiplexovanými analogovými vstupy, pěti pulsně šířkově modulovanými (PWM) výstupy a sériovým komunikačním rozhraním RS-232.

Obr. 4.

Modul ovládání ventilů (obr. 4) je elektronický budič solenoidových ventilů, umožňující jejich otevření či uzavření v době kratší než 1 ms. Budič generuje přesné proudové impulsy pro rychlejší otevření ventilu, ale také odčerpává magnetickou energii cívky ventilu pro rychlejší uzavření.

Pro regulaci tlaku média (vzduchu) ve svalech jsou použity integrované solenoidové ventily 3/3 (obr. 4). Ve spojení s uvedeným budičem pracují v režimu pulsně šířkové modulace na frekvenci 150 Hz. Tato frekvence byla zvolena jako kompromis mezi požadavky na rychlost a plynulost regulace a životností ventilu.

5. Obslužný program

Obslužný program je napsán v prostředí Visual C++ pro operační systém Windows 2000. Vykonává následující procedury: příjem hodnot senzorů přes sériové rozhraní, digitální filtraci, kontrolu průniku prstů s virtuálním objektem, výpočet síly, kterou objekt působí na prsty, výpočet rovnic regulátoru a vyslání akčních hodnot přes sériové rozhraní.

Program uživateli zobrazuje důležitá data jako aktuální polohu prstů, odchylku od žádané polohy prstů a požadovaný a skutečný tlak vzduchu ve svalech. Uživatel může také nastavovat velikost, tuhost a tlumení virtuálního objektu.

6. Prvky pro regulaci tlaku a průtoku média

Systém hmatové rukavice je dynamicky velice náročný. V pneumatickém obvodu v tomto smyslu hrají stěžejní roli vlastnosti vedení a ventilů. Zatímco výzkum vlivu vlastností vedení (rezonance, tlakový spád) je teprve na počátku, dynamicky vyhovující regulace průtoku a tlaku je již zvládnuta.

Od počátečních pokusů s proporcionálními ventily, ať už membránovými, či šoupátkovými, bylo upuštěno pro velkou hmotnost pohyblivých součástí ventilů, a tudíž pomalou časovou odezvu. V současné době jsou používány rychlé solenoidové ventily v režimu řízení pulsně šířkovou modulací o maximální frekvenci větší než 200 Hz.

7. Řízení hmatové rukavice

Na řízení rukavice byly aplikovány dva přístupy – dopředné řízení s regulací tlaku a dvoustupňová regulace síly a tlaku.

V prvním případě se jedná o dopředné řízení (feedforward) s inverzním modelem nelinearity. Požadovaná hodnota tlaku je vypočítána pomocí Chouova-Hannafordova modelu [2] z polohy prstů a hloubky jejich vniknutí do virtuálního objektu. Vypočítaný tlak je potom ve svalech regulován PID regulátorem. Jednou z nevýhod tohoto řešení je nekompenzovatelná nepřesnost modelu.

Ve druhém případě je původní regulační smyčce tlaku nadřazen regulátor síly se vstupním signálem z tenzometrů snímajících skutečně působící sílu svalů. Je tak vyloučen vliv nepřesnosti modelu, ale vznikají problémy se stabilitou pro nezanedbatelné dopravní zpoždění pneumatických systémů.

8. Závěr

Výzkum v oblasti konstrukce, modelování, řízení a aplikace pneumatických svalů je atraktivní především pro nesporné přednosti pneumatických svalů, jako je jejich přirozená pružnost a vnitřní tlumení, které umožňují bezpečné propojení s lidskými svaly. Jednou z možných aplikací pneumatického svalu je popsaná hmatová rukavice, která poskytuje poměrně reálný hmatový vjem, zejména pro simulaci měkkých objektů. Při celkové hmotnosti 500 g dokáže vyvinout sílu 70 N na prst a přitom neomezuje pohyb operátorových prstů. Zároveň je také díky omezené kontrakci svalů vyloučeno zranění operátora násilným ohybem prstů.

Výzkum v této oblasti je v ÚAMT umožněn díky grantu GAČR 102/02/0782 Výzkum chování a řízení netradičních akčních členů pro robotiku.

Literatura:

[1] TONDU, B. – LOPEZ, P.: Modeling and Control of McKibben Artificial Muscle Robot Actuators. IEEE Control Systems Magazine, 2000, no. 4, p. 15–38.

[2] CHOU, C. P. – HANNAFORD, B.: Static and Dynamic Characteristic of McKibben Pneumatic Artificial Muscles. In: IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1994, vol. 1, p. 281–286.

[3] TSAGARAKIS, N. – CALDWELL, D. G. – MEDRANO-CERDA, G. A.: A 7 DOF pneumatic muscle actuator (pMA) powered exoskeleton. In: 8th IEEE International Workshop on Robot and Human Interaction RO-MAN‚ 99. Rome. 1999, p. 327–333.

[4] CALDWELL, D. G. – MEDRANO-CERDA, G. A. – GOODWIN, M.: Control of Pneumatic Muscle Actuators. IEEE Control Systems Journal. 1995, vol. 15, no. 1, p. 40–48.

Ing. Lukáš Kopečný,
(kopecny@feec.vutbr.cz)

Ing. Lukáš Kopečný, (1977), se v rámci doktorského studia v ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně zabývá výzkumem netradičních pohonů pro robotiku, především novými metodami regulace pneumatických svalů.

Lektoroval: prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc.

Inzerce zpět