Pokroky Aplikace robotů k poskytování senzoricko-motorické fyzioterapie je vlajkovou lodí unikátní pro tuto nově vznikající oblast. Konečným cílem je propagovat, zlepšovat a urychlovat po mravenčení ovlivňující motorické chování Mezi běžné případy patří cévní mozková příhoda (Volpe et al, 2009) a dětská mozková obrna (Krebs et al, 2009) Vědecké a klinické důkazy prokázaly, že pohyb postižených končetin je klíčovým procesem slíbená schopnost pohybu, která bezprostředně následuje po sférických nervových, svalových a kosterních, které mají Taub a Uswatte, 2006: Wolf et al, 2006 ) U dětské mozkové obrny neřešené motorické deficity také narušují vývoj dítěte, vedou k závažnému, trvalému motorickému postižení Naproti tomu studie (Nudo, 2007) neurální plasticita závislá na aktivitě může tyto degenerativní trendy kompenzovat a v případech i zvrátit Proces obnovy se podobá učení (Hogan et al, 2006) i když existují takové abnormální zkušenosti se svalovým tonusem, nestačí opakování: dobrovolná část ent konvenční fyzioterapeutické petice) je jedním ze způsobů, jak mohou robotické nástroje zajistit dobrovolnou účast, stroj musí pomáhat pouze podle potřeby Důležité, stroj nesmí potlačit jakékoli produktivní pohyby a pacientské pohyby a zároveň jemně vzdorovat, což je důležité než pomoc (Krebs et al, 2003) „Dobré odrazující špatné“ pohyby – je možná nejdůležitější rozdíl mezi terapií botasistivními technologiemi, jako jsou amputační protézy, motorové ortézy atd. Ty druhé kompenzují motorický deficit; dřívější pokus o zlepšení To může vysvětlovat dosavadní protichůdné výsledky s horními končetinami a lowbotickou léčbou motorakkel souvisejících s mrtvicí horních končetin a kol.
, 2007; Prange et al, 2006) Dokonce se ukázalo, že je prospěšná v „chronické fázi“ md zjevně přestala. Naproti tomu dosavadní klinické studie ukázaly, že robotická léčba motorických poruch dolních končetin je asi o polovinu účinnější než konvenční přístupy (Hidler et al, 2009: Hornby a kol., 2008) Tito teraboti byli navrženi tak, aby stavěli pohyb spíše než proviedanci (Neckel a kol., 2008; Israel a kol., 2006) Novější návrhy lokomotorické terapie se začaly zabývat impozantním problémem poskytování vysoce „zpětně řiditelné“ (lownpedance) interakce (Roy et al, 2009: Veneman et al, 2007) při podpoře podstatného keletu, příklady vysoce vynucených alaptických aplikací zahrnují halová zařízení (Guizzo Goldsooni Guo, 1993), fyzicky spolupracující systémy člověk-stroj (Peshkin et al, 2001) a podobné aplikace jako thesentechopen
Nové metody ovládání pro haptické32 interakční řízení s vysokou silou, které se liší významem nebo problémy se servopohony rychlosti Vzhledem k jedinečným charakteristikám výše popsaný přístup Nejpřímější způsob interakce, např. použitím řízení impedancedynamické chování v rámci této teorie, nazývané jednoduchá impedance controlmotoforce-produkující aktuátory pro implementaci virtuální rychlosti zpětné vazby (nebo odvozené povirtuální viskózní tlumení, Pokud je ideálně implementováno s pozitivními a akčními členy, výsledkem je pasivní impedance portu (Hogan Buerger, 2005) Tento přístup je výkonný, robustní a snadno implementovatelný a byl úspěšně aplikován (Krebs et alntrol nemůže udělat nic s korekcí ve fyzickém systému
Tak, zatímco jednoduché řízení impedance může zefektivnit interakci tím, že zaručí jen málo pro řešení omezení technologie pohonů diskutovaných v předchozím textu, což poskytuje významnou motivaci pro alternativní techniky diskutované, byla vyvinuta třída řídicích metod, která využívá6) při daném potenciálu k maskování fyzikální vlastnosti hardwaru, představující požadovanou dynamickou odezvu v místě interakce, která těsně sleduje dynamiku cíle odvozenou nezávisle na fyzickém zajíci, například zdánlivá setrvačnost a friktinační pohony, které pohánějí zařízení ve směru aplikované síly Když se cílová impedance nazývá řízení síly Bohužel to přístup vážně ohrožuje spolupůsobení pasivity je ztraceno, kdykoli je zdánlivá setrvačnost snížena o více než dva faktory pod fyzickou setrvačnost (Colgate Hogan, 1988, Nomittance control využívá skutečnosti, že ztráta pasivu ze snížení zdánlivého teoreticky zajišťuje pasivitu, zatímco agresivně snižuje zdánlivé tření hluboko pod fyzická úroveň udržováním setrvačnosti na úrovni, která zajišťuje pasivitu (Newman, 1992) Tento přístup dramaticky zlepšuje pocit tím, že prakticky eliminuje statické tření, ale nemůže zmírnit vysokou pasivitu, i když je dostatečná, když je spojena s řadou prostředí včetně velkých setrvačných zatížení, kinematických omezení , vysoce nelineární třecí kontakt atd. Na druhou stranu jsou dynamické charakteristiky lidských končetin považovány za značně omezenou stabilitu lze použít jako kladné hraniční hodnoty používané pro dynamické vlastnosti operátora a robustní metody řízení lze použít k tvarování dynamiky regulační smyčky se zpětnou vazbou, aby se maximalizoval výkon ( minimalizací) při zaručení spojené stability (Buerger Hogan, 200ntechopen
Pokroky33 Pokročilé aktuátory s vysokou silou haptické d zejména pro vývoj složitých zařízení a zařízení s vysokým stupněm volnosti nabízejí slibné budoucí alternativy pro vysoce zlepšující energetickou hustotu a systémy se stlačeným vzduchem Inidní změny tuhosti (pro simulaci kontaktu Dramatické tepelné změny by také koncovou impedanci v Podle názoru autorů se tento přístup jeví jako docela slibný, elastické aktuátory, které zahrnují poddajné členy umístěné mezi vysokoimpedančními aktuátory a okolím a využívají silovou zpětnou vazbu, mohou dosáhnout vysoké pedance (Pratt Williamson, 1995) Pružný prvek má pro určité aplikace několik výhod, ale nezaručuje pasivitu a pečlivou obecně požadovanou stabilitu To je problematické, když se dá předvídat Alternativní metoda, která zahrnuje pečlivě kontrolované fyzické tlumení spolu s přirozeným přístupem teoreticky zaručuje pasivitu (Dohring ne2002) Obecně platí, že musí být vyhovující prvek To omezuje užitečnost tohoto přístupu omezením dosažitelné tuhosti
Stále pečlivě navržená sériová dynamická napětí Tyto materiály podobné svalům by mohly produkovat účinné haptikaktuátory s vysokou silou, ale ještě nebylo prokázáno, že by se přizpůsobily potřebným silám (Bar-Cohen, 2004) Podle našich nejlepších znalostí neexistuje žádná existující technologie pohonů nebo řídicí strategie poskytuje stabilitu Alternativou hodnocení potenciálu hlavních technologií pohonů v lidském měřítku je dostupné napětí, které silně souvisí s hustotou síly. Čtvereční palec (psi) červeně vyvýšené, kvůli vysokým úrovním akumulované energie Naproti tomu hydraulické pohony rutinně a psi (McBean Breazeal, 2004) Tento fundamentální pohled na hydrauliku, aby se zjistilo, zda je vysoká impedance servoventilů v pozadí, a zda kompromisy mezi šest kritérií uvedených v části I lze zlepšitntechopen
Nové způsoby ovládání pro haptiku s vysokou silou4 Hybridní hydraulické aktuátory pro haptiku s vysokou silou poskytující vysokou hustotu síly, vysokou tuhost a flexibilní spojovací lože interakční port Jejich hlavní nevýhodou je vysoká impedance, a to především a proto se pro rozhraní Bntrast používají jen málo , elektromagnetie používané pro haptiku kvůli jejich příznivému chování a impedančnímu chování trpí dramaticky nižší hustotou síly Hydraulický ventil by se vyvinul Zkoumali jsme hybridní architekturu pohonů, která využívá výhody hydraulického i elektromagnetického ovládání a zároveň obchází slabiny každého z nich. V tomto návrhu načrtnutém na obr. 4 , hydraulický elemeris používaný čistě jako převodovka, zatímco dálkově umístěný zdrojový pohon, a diktuje reprezentaci virtuálního prostředí Hydraulický pohyb zvedáku z pohonu a ten zůstává nehybný
Tato architektura kriticky odstraňuje potřebu ventilace, eliminuje vysokou impedanci Hydraulický převod je analogický mechanickému převodu, ale na rozdíl od kabelů, pásků nebo tyčí umožňuje tato architektura také použití účinných zdrojových aktuátorů, zejména elektromagnetických s přímým pohonem. vlastnosti síly, pohybu a impedance Zdrojový pohon může mít velkou hmotnost, protože se nemusí pohybovatMotorFlexibleFluid LinePistonObr, 4 Schéma lineárního ovládacího schématu s kapalinovým zásobníkemZatímco tato navrhovaná architektura může dramaticky snížit koncový bod na použití pouze přímo poháněného přímo ke koncovému bodu ) Celková hmotnost je kritická důležité pro některé aplikace (např. plně mobilní exoskeletony) a tento přístup nemusí být vhodný než celková hmotnost Terapeutické roboty, ce, mohou tolerovat, že jsou připoutány ke stacionární organizaci pro napájení (Roberts, 2004) Na druhou stranu nepřítomnost může vést k nižší hmotnost systému než purentechopen
Pokročilý hydraulický systém Tato pasivní hydraulická architektura hnacího ústrojí z mobilního interakčního portu a vede energii do hydrauliky, nikoli elektrické, pro41 Design Model a kompromisní provedení této architektury, která používá lineární elektromagnetický motor jako pohon a pasivní hydraulický systém jako pohon Hydraulický systém sestává z pístu/válce na každém konci pro konverzní motor a druhý funguje jako pohon Na rozdíl od sehydrauliky mechanické pístové válce, z nichž každý funguje jako pro hydrauliku, a potrubí, které je spojuje, nemusí obsahovat malé otvory, aby měly relativně nízká vlastní impedance, pokud je schopna poskytnout požadovanou sílu a impedanci, pak ideální V tomto kontextu je transparentnost (dříve používaná k popisu cíle pro bilaterální teleoperační systémy, kdy se síla, pohyb a energie vyměňovaná mezi zátěží a převodovkou rovná chování pohonu balíček vzdáleného koncového bodu, který váží méně než gured, znázorňuje generickou přenosovou architekturu Pokud je přenos dokonale transparentní, síla vyměněná na portu 2, která se vyměňuje na portu 1, a impedanční rozhraní k okolnímu prostředí se rovná impedanci ovladače
To znamená, že je bezeztrátový a má následující vlastnostix2(D)=x()F2(n)=F(t)(10)XObr. 5 Schematické znázornění přenosu mezi zdrojovým akčním členem a prostředím a vůlí Terparent Další dynamika Přiblížení ideální chování, přenos by měl být navržen tak, aby minimalizoval setrvačnost, poddajnost a tření (ačkoli přenos dynamicky ovlivňuje impedanci portu; viz 43). Transparentnost je důležité, ale efektivní přenos musí být také flexibilní. ) balíku koncového bodu ze zdrojového aktuátoru s (točivými momenty) Prapřevod musí poskytovat dostatečnou volnost pohybu od potomtechopen
Nové způsoby ovládání pro haptický pracovní prostor s vysokou silou Síly a nejvyšší krouticí momenty potřebné k ohnutí a zkroucení vedení kapaliny by měly být. predikce transparentnosti převodů a jejich impedance Nejprve je třeba vyřešit několik problémů, aby bylo zajištěno, že užitečné akční členy jsou oboustranné. Z obrázku 4 je snadné si představit, jak hydraulické komponenty přenášejí sílu a tlak. Většina vysokých se však někdy ovládá oboustranně (tahem i tlačením). aplikováno na pokles tlaku pod okolní teplotu a (kavitace)
Jsou-li těsnění nedokonalá, vzduch proniká dovnitř Dvě jednoduché možnosti umožňují oboustranné ovládání: předpětí, které překračuje tlak potřebný k přenosu tahu, je zaváděno, nebo lze použít dvojice pohonů společně. A oM aues au I ur!M is!Xe sypned sua, 10y auo'saum pinythe other for „kompresi“ Tato konfigurace Těsnění na místech, kde písty vystupují z válců, jsou obzvláště problematické, protože jakákoli kapalina, která tam uniká, opouští systém konstantního objemu a musí být vyměněnaT6 Oboustranně ovládaný přenos dvou tekutinových drah způsob přenosu tahové síly, který používá jedinou dráhu tekutiny, vyžaduje bez síly vyvíjené tetorem nebo prostředím Toto použití konstantní síly na každý píst Když se systém na každé straně zruší, ale tekutina v komoře je při zvýšeném tlaku. ale pokud síla nepřekročí úroveň předpětí, zabrání se tlaku kapaliny nad okolním prostředím a kavitaci a úniku plynu do systému. Toto aplikované zatížení a zvýšení tlaku kapaliny, ale vyžadují pouze dvě pohyblivá těsnění, spíše než čtyřianický přístup, trapéz je jednoduchý systém s přímým potrubím zobrazený na obr. 7 Tento model, použitý jako impedance, zahrnuje každý píst-cvlinderimetry DI a D2 a délku Li) a přibližuje se flexibilní linii, která spojuje tntechopen
Přímá, hladká a tuhá válcová trubka (s průměrem D a délkou L) Síly a F2 a rychlosti pístu jsou D a v2 Rychlost proudění v potrubí je v, Přechod z průměru pístu na průměr hadice musí také kapalina v systému a setrvačnost způsobená zrychlením kapaliny Výpočty založené na nebo shrnuté níže pro ilustraci tohoto hydraulického) snížení zesílení, bez přidání mechanických částí, které by mohly přispívat k vůli, převodový poměr je roven poměru pístuD2 Azg 7
Model s přímým potrubím se dvěma písty pro lineární pasivní hydraulickou převodovku, která musí zavést významné oddělení mezi teorií a koncovým bodem, kde je chování řízeno, s doprovodnou dynamikou převodu, struktura dříku představuje potenciální výzvu pro efektivní a vysoce stabilní řízení, protože stabilita jsou prvořadé, jedním ze způsobů, jak reprezentovat cílovou impedanci, je zpětná vazba pohybu pouze na zdrojovém akčním členu, uzavření jednoduché impedanční regulační smyčky pouze kolem welharakterizovaného elektromagnetického zdroje akčního členu, poskytující robustně stabilní implementaci Toto uspořádání závisí na přenosu spolehlivě (a téměř transparentně) přenáší impedanci mezi zdrojovým akčním členem a operátorem, ale bez použití interakčního portu může být citlivý na malé a hromadící se chyby polohy Naštěstí, ačkoli lidé vynikají ve shromažďování informací z fyzického kontaktu, jsou obecně citliví na malé změny polohy za předpokladu, že fyzický kontakt je tolerován zařízení se používá chování pracovní tekutiny a ve skutečnosti může dynamika převodu záměrně vytvarovat jak stabilitu interakce, tak perfoping, jak je krátce diskutováno belontechopen
Nové metody ovládání pro haptiku s vysokou silou FChcete-li ilustrovat klíčové konstrukční problémy pro tuto architekturu navrženou aplikací modelu na obr. 7 na specifikace pro aktuátor pro horní končetinu physicaot deThistendeaddition k planárnímu robotu MIT-MANUS, a byl již dříve řešen se dvěma znaky, z nichž jeden používá rotační elektromotor a válec s nízkým třením a druhý lineární elektromagnetický motor s přímým pohonem (Buerger et al, 2001, Kreld challg cílové specifikace pro tuto aplikaci zahrnují af alespoň 65 nf méně než 2 kf alespoň 3 m betwactuator a mobilní koncový bod než 2 ke Coulombovo tření menší než 2N a lineární damioúčinné offour V této části je navržen návrhový model pro předpovídání třecí a setrvačné dynamiky přenosové poddajnosti.
prototyp pohonu (obr. 8) byl vyroben a jeho naměřené vlastnosti: Hlavní výhodou tohoto konfigurátoru nebo minimalizace tezí, které vznikají v konvenční hydraulice, přispívá k přenosu viskózního odporu, za předpokladu, že kapalina na obr. 7 je nestlačitelná, ustálený tok mezi všemi dva body v potrubí se řídí následujícím výrazem deriveheP(11)ntechopen
Nové způsoby ovládání pro haptiku s vysokou silou jiná haptická zařízení s vysokou silou, úspěšní terapeutičtí roboti musí současně ztělesňovat 1) schopnost podávat síly, dostatečné končetiny aktivního subjektu (např. kvůli abnormálnímu tónu) a v určité rovnováze a pohybu) podporovat podstatné části těla wei2) Schopnost reprezentovat řízená virtuální prostředí (např. virtuální stěny nebo pružiny za účelem poskytnutí fyzického vedení, pomoci (ale pouze podle potřeby)
d), ochrana před silovým tréninkem) a 3) Schopnost být zpětně řízen, aby se zabránilo zpomalení pokusů pacienta nebo operátorů4) Velké pracovní prostory až do kubického prostoru člověka6) Gd stabilita a bezpečnost při výměně značné síly a síly s odborníky, narušený a nepředvídatelný lidský subjekt, většina existujících haptických a robotických systémů ztělesňuje určitou podmnožinu z tohoto seznamu, často ne všechny Přesněji řečeno, většina stávajících robotických zařízení má Dosažení této úplné sady funkcí je impozantní inženýrství, které je existujícími akčními členy a řídicími technologiemi, takže prokážeme dostupné nástroje shrnutí a kritizace dostupných technik, diskuse o několika pokročilých přístupech, které jsou slibné, a představení nové architektury ovladače, která poskytuje vynikající řešení pro určité haptické aplikace s vysokou silou V další části a úvahy o stabilitě pro haptiku s vysokou silouČást 4 představuje nový hybridní ovladač architektura totální omezení trápí aktuátory pro haptiku s vysokou silou Analýza a experimentální ověření jednoduchého příkladu jsou zahrnuty v části 5 Předchozí a nová práce zde prezentovaná poskytuje základ vznikající sady nástrojů metod pro návrh a stavbu účinných haptických strojů s vysokou silou2 Výkon a stabilita High Force Haptic Systemsn mezi zkonstruovanou mechanikou) a operátorem Zatímco haptická zařízení a roboty jak T, senzory, řídicí software, tak mechanismy navržené tak, aby se lišily od většiny běžných robotů, protože fyzický subjekt má ze své podstaty silný vliv na pochopení pro tradiční, řízený robotický systém ,vykonávaná systémy schopnost sledovat trajektorie nebo se pohybovat do míst ve vesmíru Stabilita určená robotem a jeho řídicím systémem, možná omezení statického užitečného zatíženíntechopen
Pokroky()81 Phyeraction betwend humanport function B)Reprezentace blokového diagramu jsou zcela odlišné Spíše než ovládání pohybu je haptický přechod mezi zdánlivým volným pohybem a zdánlivými obsahy, které musí přesvědčivě zamýšleny k reprefyzické výkonnosti, nejlépe pochopen jako kvalita virtuálního „pocit“, který operátorovi předkládá thenamický systém, který je fyzicky propojen s haptickým zařízením, kritický rozdíl mezi typickými roboty a haptickými zařízeními ve stabilitě robotického systému je síla hatiperformance pouze vlastností haptického zařízení, zatímco stabilizátor a haptické metody analýzy Perfoa stabilita robotických systémů nejsou ideálně vhodné Bue8y flow mezi fyzickými porty (Hogan2005 definuje chování každého systému z hlediska vztahů mezi konjugovanými proměnnými „úsilím“ a „výkonem toku, v závislosti na kauzalitě ImpedanZ) poskytuje výstup úsilí v reakci na vstup toku, zatímco admitance (Y) je v mechanické oblasti, síla (nebo točivý moment) je proměnná úsilí, zatímco rychlost (kmenová reprezentace (Ye) V tomto2: 二velikost impedance nebo admitančního portu, která je volně považována za dynamickou tuhost, nelineární a zahrnuje tuhost setrvačnost, tření a další dynamické chování, např
Zvýšený pocit na rozhraní může být reprezentován nějakou virtuální okolní funkcí bedance, která může být lineární nebo nelineární a časově omezená v cílové impedanci (nebo cílovém virtuálním prostředí) a dosažená na úkor tohoto výkonu zahrnuje nežádoucí inerciální jako neužitečné nebo rušivé vibrace To je v souladu s definicemi "věrnosti" nalezenými v literatuře o haptice Související metrika výkonu, neprůhlednost minimalizuje nebo maskuje parazitní dynamiku, která není součástí softwarově generovaného virtuálního prostředí (Carignan & Cleary, 2000) Specifická haptika s vysokou silou applic může benefitntechopen
Nové metody ovládání pro hapticPinction C s vysokou silou, které se skládají z frekvenčně vážených mezi agnitudami skutečného (Z) a cílového (Ztarg) mpeda, vytvářejí argument bezrozměrného logaritmu, poskytující jediné funkce minimalizace, jako jsou přesné rezonance, a o může být nahrazen frekvenčním vážením V jiném případě lze zrak získat kvantifikací ve smyslu intuitivně známých fyzikálních veličin, jako je zdánlivá setrvačnost atd., komplexní metrika, když se výkon haptického systému s vysokou silou odvozuje od chování portu určeného mechanickým nárazem Naproti tomu interaktivní systém dynamicky přizpůsobených portů oba porty jsou funkčně lineární, charakteristicky nomiální z obr. 1B Stabilita daného systému, nazývaná sdružená stabilita (Colgate & Hogan, 1988) určená skutečnou částí kořenů této veličiny Je zřejmé, že dynamika lidského operátora zásadně přispívá k celkové stabilitě systému. Tato skutečnost, vzato s předchozím odstavcem, zdůrazňuje důležitý rozdíl mezi fyzicky interaktivními lineárně řízenými systémy, stanice určuje stabilitu uzavřené smyčky atd.) V lineární interakci je diktována funkcí portu samotného haptického systému (Zn), zatímco stabilita je dána rovnicí 2, která zahrnuje vlastnosti operátor stejně jako Buerger Hogan,Protože dynamické vlastnosti thetoru nemohou být řízeny thstemdesignerem, zaručení spojené stability představuje výzvu
Jedním z hodnotných konceptů pro pochopení stability spřaženého systému je pasivita napájecí port s pasivní punkcí nemůže uvolnit více energie, než bylo do něj vloženo. )je pasivní, když1 Zp(s) nemá žádné póly v pravých polorovinných pólech Zp(s) jsou jednoduché a mají kladné reálné zbytky, takže když jsou dvě funkce pport spojeny dohromady jako na obr. 1, celková otevřená smyčka musí být mezi -180 a +180 na všech frekvencích a Nyquistovo kritérium stability nemůže být porušeno, takže je zaručeno, že spojený pár bude stabilní (Colgate Hogan, 1988)ntechopen
Pokroky v hapticsenergy propeTpassive portech, pokud dva pasivní pgenerují energii neomezeně dlouho, a proto je stabilita zaručena (možná s jemným doladěním) pro všechny fyzické domény. Jejich rozsah poskytuje výkonnou metriku stability pro haptiku s vysokou silou I když to nemá žádný empirický výsledek, teorie silně naznačují, že tomu tak je. řadiče často nedokážou dosáhnout adekvátního výkonu akčního hardwaru, který je popsán v další části3 Akční člen a řídicí technologie pro haptické systémy s vysokou silouIdeální haptické systémy s vysokou silou by dosahovaly vysokých sil a zároveň by představovaly vyšší stabilitu Akční členy pro tyto idealizované systémy by vyžadovaly podobné vlastnosti, další vlastnosti (např. nízká maf akční účinnost v lidských měřítcích (desítky až stovky n, pohyby cm až m, frekvence Hz), poté prozkoumáním výhod dostupných pokročilých metod ovládání31 Classical Actuator Technologies pro věrnost haptiky s vysokou silou při použití v konfiguracích s přímým pohonem
Tření může být výjimečně při nízkých frekvencích typických pro interakci s lidmi (současný proud nebo rpasivita Hlavní nevýhodou je omezená pevnost (Hollerbach et al, 1992), která způsobuje, že síly vedou k velkým a těžkým pohonům Elektromagnetické pohony se snadno používají a systémy mohou být úspěšně navrženy tak, aby splňovaly určité omezené požadavky i přes omezení hustoty síly Příkladem je robot MIT-MANUS pro svobodu horní končetiny) planar closed-chain configuratKrebs et2004) Jiná zařízení jako malé translační pracovní prostoryBerkelman et al, 1996) Omezení hustoty síly je mnohem obtížnější řetězení sériových systémů Pokud je aktuátor pro stupně volnosti #1 nesen doF #2, sériovými rameny robota, pak hmotnost aktuátoru nejenže zvyšuje inkrementální inertimechanismy koncového bodu, a je tedy taková, že nese plnou hmotnost pohony s přímým pohonem se rychle stávají nedostupnými Když nelze použít rotační motory, zvětšování představuje další problém, protože vysoká síla roste téměř lineárně s rozsahem motionntechopen
Nové způsoby ovládání pro haptiku s vysokou silou Zřejmým způsobem, jak zlepšit hustotu síly elektromagnetických nebo jiných pohonů, je přidání převodů Tento přístup umožňuje použití pohonů v sériovém mechanismu a široce se používá u robotů, nešťastná setrvačnost a tření v důsledku pozorovaného mravence druhá mocnina převodového poměru Coulombovo tření a tření v pohonu lineárně převodovým poměrem Kromě toho ozubené soukolí v důsledku toho přidává své vlastní třecí síly a vůli, zatímco stále menší převodové poměry (obvykle méně než asi 5:1) vedou vyšší převodové poměry rychle k nepřijatelné úrovně odražené setrvačnosti a tření Ozubení k vyřešení základního problému hustoty síly při haptice s vysokou silou odlišuje tento problém od většiny robotiky, kde převody jsou obecně velmi úspěšné, významným problémem při použití elektronu s přímým pohonem pro vysoce používané mechanické převody, jako jsou kabely, řemeny, pásky a tyče nabízejí příležitost k udržení stacionárních konfigurací aktuátorů a zároveň přenášení jejich síly, pohybu a impedance přizpůsobené dosaženým impedančním schopnostem v sériovém řazení WAM ramene s vysokou DOF (Townsend Guertin, 1999) Složitost mechanismů, které WAM podtrhuje skutečnost, že směrování mechanických převodových členů může být extrémně náročný, když aktuátory pro více stupňů volnosti sériového mechanismu musí procházet kolem jiného kloubu (spojů) Toto představuje extrémní problém s balením, protože počet stupňů volnosti roste a tento problém je umocněn skutečností, že pevné odděleně jsou udržovány mezi přenos mezi kladkami v lanovém systému)
Kabel vyžaduje těsnou, deterministickou vazbu a mezilehlé a koncové spoje, které ovládají, i když mají nezávisle ovládané ramena také tendenci (efekt kytara-struna) a mohou vážně omezit problém s lumpačením, protože ozubená kola, která spojují sousední tyče, musí být zachována v přísném řízení jsou jejich omezení nepřekonatelná a musí být vyřešeny další možnosti 3,ontact V určitých konfiguracích mechanické převody vynucují haptické řešení, a představují tak důležitý nástroj pro jinou aplikaci, která je lepší než neřízené elektromagnetické motory (Hollerbach et al, 1992) Protože pracovní tekutina ventily mohou být umístěny vzdáleně, silou a pohybem k interakčnímu portu prostřednictvím flexibilních hadic, které mohou být směrovány s většími výhodamiKazerooni & e Guo, 1993, Lee Ryu, 2008)) Je to proto, že provoz konvenátorů má vysokou vnitřní sílu a ve skutečnosti jsou hydraulické pohony bez zpětného pohonu závislé na nenulové impedanci ventilu tontechopen
PokrokyPsPaFig 2 Schéma klapkového servoventilu, s odporovým modelem levého polovičního regulovaného výstupu, s nižším limitem výstupní impedance Zásadu lze demonstrovat uvažováním typicky řízeného ventilu s nominálně konstantním tlakem Ps a servoventilu připojeného k řídicímu systému, který měří tlak. , v závislosti na konstrukci ventilu, řídící struktura až poté pedance Běžná architektura ventilu téměř podobné kompromisy) Klapka se používá, nepřítel, jako první stupeň řady Moog 15P diferenční tlak (PrPu) Dva proudy kapaliny z vysokotlakého zdroje Ps tlačí proti fllich je připojen k rotoru oba proudy kapaliny odkapávají do zpátečky při tlaku Pr Klapka se otáčí, aby částečně omezila jednu stranu a zvýšila tlak kapaliny v této větvi Pro změnu odporu kapaliny na klapce působí na Pa a Pa, každá strana ( oa a au
Bohužel jakákoliv kapalina přiváděná do zátěže musí procházet jedním z těchto otvorů s impedancí a degradací kvality ventilu jako kapalinových rezistorů pod schématem, Theorifice je modelována jako odpor Ron a otevření klapky je modelováno jako rezistor Rin(např. ), který vytváří tlakovou ztrátu mezi předběžným tlakem P a závisí na úhlové poloze rotoru 6 Je-li Ror=O, pak nemá předklon žádný vliv na výstup. Pokud je uvažována jediná pevná poloha 0@, Rla"(0) Odvození výstupní impedance Z,"P/Qo kde QR。R by mělo Z 0 Pokud je Ror příliš malé, pak změny v Ri(e) mají malý vliv na výstupní tlak Pa a ventil nebude fungovat. Zu lze snížit minimalizací Ria Nicméně , celková výstupní impedance ventilu není otevřená
Nové způsoby ovládání pro vysokou sílu hapticZ=2z。+Z kde Zs je impedance portu pro druhou stranu ventilu a má 4) Ale Ro(e inRia(e) klesá, takže jediný způsob, jak dosáhnout celkového výstupu výrazně snížit zesílení výstupního tlaku ve stáří (jako u ms tímto zesilovačem jsou dvojí: za prvé, pokud funguje perfektně, zvyšuje impedanci prvního stupně v koncovém bodě tím, že působí jako převodový mechanismus, přes který musí tekutina proudit. Zvětšení nebo přímo vytváří netěsný ventil, zvyšuje spotřebu energie a snižuje účinnost díky podstatnému netěsnému průtoku, což zvyšuje velikost kompresoru, Vzhledem k přísným požadavkům na impedanci haptiky s vysokou silou je přístup netěsného ventilu obecně nepraktický Vysoká impedance ve ventilu přímo souvisí se schopností generovat výstupní tlak a nelze ji věřit Těsnění válců představují další požadovaný challenid, zejména poskytují viskózní tlumení a setrvačnost Další disaddraulikou je to, že největší síly (podle hydraulických norem) požadované pro lidskou interakci zmírňují toto nebezpečí, proto jsou problematické pro blízkou blízkost lidských subjektů
V části 4 této kapitoly, navzdory těmto omezením, silná výhoda hydrauliky další zohlednění v různých konfiguracích pro haptiku s vysokou silou a architektura opotřebení, která představuje výzvu k vysokoimpedančnímu servoventilu Předseda, jsou tak omezeny na br ge bore des wieh: e reteratahs th at con 2o) omezování průtoku, podobně jako u hydraulických servoventilů, nízká impedance je ochotná kapalina, Indeehe enclosedofle vyžaduje vysoký tlak a přechod z nízké na vysokou tuhost (např. virtuální stěna) vyžaduje rychlé změny tlaku To lze pochopit Jednoduchý příklad uzavřeného válce při stlačení v důsledku síly z diabatických podmínek přináší podobné závěry Chování v interakčním portu je charakterizováno aplikovanou silou F a výchylkou x Thelinder je při absolutním tlaku P a specifické plynové konstantě R a teplota Tfixed, zatímco objem V se mění s x Pamb označuje okolní pm ideálního M, je obsažen v láhvi Ideální zákon o plynu pro tento objem je RTntechopen
AdvancesP mR TFig 3 Schéma ideálního plynu pod izotermickou kompresíTlak se skládá z okolní plus toedové síly Nahrazením VAx a eq (7) do eq(6) a přeskupením produktuRT8) vznikne ztuženýF rT mFor fix (nebofixed )x, např. procházení virtuální stěny, tuhost je identická s uzavřenou Pro simulaci virtuální stěny s tuhostí 100krát větší než je tuhost ohraničená faktorem 100 v období simulované tekuté přímé stěny Z eq(6) to znamená, že tlak se také musí zvýšit 100krát (Pro realinst druhá strana pístu)
Tedy funkce diskrétního virtuálního prostředí, jako jsou virtuální stěny, je extrémně obtížné a neefektivní implementovat tímto způsobem Dalším problémem, který ukazuje rovnice (9), je, že tuhost je vysoký tlak, musí být také změněna na mlineární tuhost, pokud je to požadováno Alternativní provoz při vysokých tlacích, udržován tuhá převodovka a impedance, která je podrobně popsána výše pro hydrauliku, pneumatické pohony, které jsou notoricky obtížně ovladatelné, a další problémy spojené s haptikou s vysokou silou tyto problémy zhoršují Dynamika tekutin pneumatických pohonů také znemožňuje zavést regulaci s uzavřenou smyčkou pomocí regulátoru. měřené koncové síly lze použít k eliminaci odporu plynu, ale to může být docela neefektivní Nakonec stlačený plyn uchovává řádově více energie než kapaliny při stejném a omezovacím tlaku Navzdory svým problémům byly pneumaktuátory použity pro haptické a vysokosilové haptické aplikace s jejich vnitřní poddajností může být prospěšné, včetně exoskeletálních zařízení (Tressler et al2002) a dalších devintechopen