Edistykset Robottien käyttö sensori-motorisen fysioterapian tarjoamiseen on lippulaivasovellus, joka on ainutlaatuinen tällä nousevalla alueella. Lopullisena tavoitteena on edistää, tehostaa ja kiihdyttää sen jälkeen, kun se vaikuttaa motoriseen käyttäytymiseen Yleisiä ovat aivohalvaus, aivoverisuonionnettomuus) (Volpe et al, 2009) ja aivohalvaus (Krebs et al, 2009) Tieteelliset ja kliiniset todisteet ovat osoittaneet, että sairaiden raajojen liike on keskeinen prosessin heikentynyt liikkumiskyky, joka seuraa välittömästi hermostoa, lihaksia ja luustoa, jolla on Taub ja Uswatte, 2006: Wolf et al, 2006 ) Aivohalvauksessa korjaamattomat motoriset puutteet häiritsevät myös lapsen kehitystä, johtavat vakavat, pysyvät motoriset vammat. Sitä vastoin tutkimukset (Nudo, 2007) aktiivisuudesta riippuvainen hermoston plastisuus voivat kompensoida näitä rappeuttavia suuntauksia ja joissakin tapauksissa kääntää ne. Toipumisprosessi muistuttaa oppimista (Hogan et al, 2006) vaikka on olemassa esim. epänormaali lihasjännityskokemus, toisto ei riitä: vapaaehtoinen osa tavanomaiset fysioterapiavetoimet) on yksi tapa robottityökalut voivat mahdollistaa vapaaehtoisen osallistumisen, koneen tulee auttaa vain tarpeen mukaan. Tärkeää, kone ei saa tukahduttaa kaikki tuottavat liikkeet ja potilaan liikkeet, samalla kun he vastustavat varovasti avun tärkeyttä (Krebs et al, 2003) "hyviä estävät huonoja" liikkeitä - on ehkä tärkein ero terapian boottisten aputekniikoiden, kuten amputaatioproteesien, sähköortoosien jne. välillä. Jälkimmäiset kompensoivat motorista puutetta; aiempi yritys parantaa Tämä saattaa selittää tähän mennessä saadut vastakkaiset tulokset yläraajojen ja alaraajojen aivohalvaukseen liittyvien motorakkelien et al.
, 2007; Prange et al, 2006) Sillä on jopa todistettu hyötyjä "kroonisessa vaiheessa" ilmeisesti lakkasi. Sitä vastoin tähän mennessä tehdyt kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet, että alaraajojen motoristen häiriöiden robottihoito on noin puolet tehokkaampaa kuin perinteiset lähestymistavat (Hidler et al, 2009: Hornby et al, 2008) Nämä terapiabotit suunniteltiin asettamaan liikettä proviedancen sijaan (Neckel et al, 2008; Israel et al, 2006). Uudemmat lokomotorisen terapian suunnitelmat ovat alkaneet vastata valtavaan haasteeseen tarjota erittäin "takaisin ajavaa" (lownpedance) vuorovaikutusta (Roy et al, 2009: Veneman et al, 2007) vaikka tuetaankin merkittävää rakennetta, esimerkkejä korkean pakko-aptisisista sovelluksista ovat hal-laitteet (Guizzo Goldsooni Guo, 1993), fyysisesti yhteistoiminnalliset ihminen-konejärjestelmät (Peshkin et al, 2001) ja vastaavat sovellukset, kuten nämä sentechopen
Uudet käyttömenetelmät suurivoimaisille haptic32-vuorovaikutuksen säätömenetelmille, joiden merkitys tai nopeusservo-ongelmat eroavat toisistaan Yllä kuvatun ainutlaatuisen ominaisuuden vuoksi vuorovaikutuksen yksinkertaisin tapa, esim. käyttämällä impedanssin säätödynamiikkaa tämän teorian suoritusmuodossa, jota kutsutaan yksinkertaiseksi impedanssiksi. ohjausmoottoria tuottavat toimilaitteet virtualelocity-palautteen toteuttamiseen (tai johdannaiseen povirtuaaliseen viskoosiseen vaimennus, jos se toteutetaan ihanteellisesti positiivisten ja toimilaitteiden kanssa, tuloksena on passiivinen portin impedanssi (Hogan Buerger, 2005) Tämä lähestymistapa on tehokas, vankka ja helposti toteutettavissa, ja sitä on käytetty menestyksekkäästi (Krebs). et alntrol ei voi tehdä mitään fyysisen järjestelmän häiriölle
Näin ollen vaikka yksinkertainen impedanssin ohjaus voi tehostaa vuorovaikutusta takaamalla vain vähän edellisessä käsiteltyjen toimilaitetekniikan rajoitusten korjaamiseksi, tarjoten merkittävää motivaatiota käsitellyille vaihtoehtoisille tekniikoille on kehitetty ohjausmenetelmien luokka, joka käyttää6) tätä potentiaalia peittämään laitteiston fysikaaliset ominaisuudet, jotka esittävät halutun dynaamisen vasteen vuorovaikutusportissa, joka seuraa tarkasti kohteen dynamiikkaa, joka on johdettu fyysisestä jänisestä riippumatta. Esimerkiksi näennäinen inertia ja kitkamoottorit ohjaavat laitetta kohdistetun voiman suuntaan Kun kohdeimpedanssia tätä kutsutaan voiman ohjaukseksi Valitettavasti tämä lähestymistapa uhkaa vakavasti kytkimen passiivisuuden katoamista aina, kun näennäinen inertia pienenee kaksi kertaa fysikaalisen inertian alapuolella (Colgate Hogan, 1988, Nomittance Control hyödyntää sitä tosiasiaa, että passiivisuuden menetys pienentää näennäistä teoriassa varmistavaa passiivisuutta ja vähentää aggressiivisesti näennäistä kitkaa selvästi alle. fyysinen taso pitämällä inertia tasolla, joka varmistaa passiivisuuden (Newman, 1992) Tämä lähestymistapa parantaa tuntumaa dramaattisesti eliminoimalla käytännössä staattisen kitkan, mutta ei voi lieventää passiivisuutta, vaikka se on riittävää, kun se on kytketty monenlaisiin ympäristöihin, mukaan lukien suuret inertiakuormat, kinemaattiset rajoitteet , erittäin epälineaarinen kitkakontakti jne. Toisaalta ihmisen raajojen dynaamiset ominaisuudet ovat rajoitettua vakautta, ja ne voivat olla positiivisia raja-arvoja, joita käytetään käyttäjän dynaamisille ominaisuuksille, ja vankkoja ohjausmenetelmiä voidaan käyttää voiman takaisinkytkennän ohjaussilmukan dynamiikan muokkaamiseen suorituskyvyn maksimoimiseksi ( minimoimalla) ja samalla takaamalla kytketyn vakauden (Buerger Hogan, 200ntechopen
Advances33 Kehittyneet toimilaitteet, jotka tuottavat voimakasta haptiikkaa erityisesti monimutkaisten ja korkean DOF:n laitteiden kehittämiseen, tarjoavat lupaavia tulevaisuuden vaihtoehtoja korkealle, parantaa energiatiheyttä ja kuitenkin paineilmajärjestelmien rahoitukseen perustuvat jäykkyyden muutokset (kosketuksen simuloimiseksiDramaattiset lämpömuutokset haittaisivat myös Kirjoittajien mielestä tämä lähestymistapa vaikuttaa varsin lupaavalta. Joustavat toimilaitteet, jotka sisältävät yhteensopivia elimiä, jotka on sijoitettu korkeaimpedanssisten toimilaitteiden ja ympäristön väliin ja jotka käyttävät voiman takaisinkytkentäohjausta, voivat saavuttaa korkean pedanssin (Pratt Williamson, 1995) Elastisella elementillä on useita etuja tietyissä sovelluksissa, mutta ei takaa passiivisuutta ja huolellista, yleensä vaadittua hallittavuutta Tämä on ongelmallista, kun on mahdollista.Vaihtoehtoinen menetelmä, joka sisältää huolellisesti hallitun fyysisen vaimennuksen luonnollisen sisäänpääsyn kanssa, joka takaa teoreettisesti passiivisuuden (Dohring ne2002) Yleisesti ottaen yhteensopivan elementin on oltava Tämä rajoittaa tämän lähestymistavan hyödyllisyyttä rajoittamalla saavutettavissa olevaa jäykkyyttä
Silti huolella suunnitellut sarjan dynaamiset jännitysvoimat Nämä lihasmaiset materiaalit voisivat tuottaa tehokkaita voimakkaita hapticactuators, mutta niiden ei ole vielä osoitettu skaalautuvan tarvittaviin voimiin (Bar-Cohen, 2004) Parhaan tietomme mukaan olemassa olevaa toimilaiteteknologiaa ei ole tai ohjausstrategia tarjoaa vakautta Vaihtoehtona suurten ihmismittakaavaisten toimilaitetekniikoiden potentiaalin arvioimiseksi on käytettävissä oleva jännitys, joka on vahvasti yhteydessä voimatiheyteen. Sähkömagneettisten toimilaitteiden tehoa rajoittaa ilmaraon leikkausjännitys, jonka välissä on tyypillisesti kymmeniä paunaa per. neliötuuma(psi)punaisia pelevatoituneita korkean varastoidun energian vuoksi. Sitä vastoin hydrauliset toimilaitteet rutiininomaisesti ja psi:n (McBean Breazeal, 2004) Tämä perusteellinen tarkastelu hydrauliikasta nähdäkseen, onko taustalla oleva servoventtiilien korkea impedanssi oikosulussa ja onko kohdassa I lueteltuja kuutta kriteeriä voidaan parantaa
Uudet käyttömenetelmät suurivoimaisille hapticille4 Hybridihydrauliset toimilaitteet suuren voiman haptiikkaan, jotka tarjoavat suuren voimatiheyden, suuren jäykkyyden ja joustavan liitettävyyden vuorovaikutusportin Niiden pääasiallinen haittapuoli on korkea impedanssi, pääasiassa ja tämän vuoksi niitä on käytetty vähän Bntrast-liitäntöihin , sähkömagneettisesti käytetty haptisiin niiden suotuisan ja impedanssin käyttäytymisen vuoksi, ne kärsivät dramaattisesti pienemmästä voimatiheydestä. Hydrauliventtiili olisi kehittynyt Olemme tutkineet toimilaitteiden hybridi-arkkitehtuuria, joka hyödyntää sekä hydraulisen että sähkömagneettisen ohjauksen etuja ja kiertää kummankin rakenteen heikkoudet. , hydraulinen elementteri, jota käytetään puhtaasti voimansiirrona, kun taas etäsijaitseva lähdetoimilaite, ja sanelee virtuaalisen ympäristön esityksen.
Kriittisesti tämä arkkitehtuuri eliminoi aalve-tarpeen, eliminoi korkean impedanssin. Hydraulinen voimansiirto on analoginen mekaanisen voimansiirron kanssa, mutta toisin kuin kaapeleissa, nauhoissa tai tangoissa, tämä arkkitehtuuri mahdollistaa myös tehokkaiden lähdetoimilaitteiden käytön, erityisesti suoravetoelektromagneettisen. voiman, liikkeen ja impedanssin ominaisuudet Lähdetoimilaitteella voi olla suuri massa, koska sen ei tarvitse liikkua.MoottoriFlexibleFluid LinePistonKuva, 4 Kaavio lineaarisesta käyttökaaviosta nesteen trar:lla.Tämä ehdotettu arkkitehtuuri voi dramaattisesti vähentää päätepisteiden käyttöä vain suoraan päätepisteeseen kytkettynä ) Kokonaismassa on kriittinen tärkeä joillekin sovelluksille (esim. täysin liikkuvat eksoskeletonit), ja tämä lähestymistapa ei välttämättä vastaa kokonaismassaa. Terapeuttiset robotit, ce, voivat sietää niiden kytkemistä kiinteään organisaatioon tehon saamiseksi (Roberts, 2004). järjestelmän massa kuin purentechopen
Edistää hydraulijärjestelmää Tämä voimansiirron passiivinen hydraulinen arkkitehtuuri mobiilin vuorovaikutusportista ja johtaa energian hydrauliseen, ei sähköiseen, varten41 Suunnittelumalli ja tämän arkkitehtuurin yksi suoritusmuoto, jossa käytetään lineaareektromagneettista moottoria toimilaitteena ja passiivista hydraulijärjestelmää tehona. Hydraulijärjestelmä koostuu männästä/sylinteristä molemmissa päissä muunnosmoottoria varten ja toinen toimii toimilaitteena Toisin kuin sehydrauliikassa, mekaaniset mäntäsylinterit, joista jokainen toimii sekä hydrauliikkana että niitä yhdistävän letkun ei tarvitse sisältää pieniä aukkoja suhteellisen pieni luontainen impedanssiJos se pystyy tuottamaan halutun voiman ja impedanssin, niin ideaalf Tässä yhteydessä läpinäkyvyys (käytettiin aiemmin kuvaamaan kahdenvälisten teleoperaatiojärjestelmien tavoitetta, jossa kuorman ja voimansiirron välillä vaihdettu voima, liike ja energia on yhtä suuri kuin toimilaitteen käyttäytyminen etäpäätepistepaketti, joka painaa vähemmän kuin kuvataan, kuvaa yleistä lähetysarkkitehtuuria. Jos lähetys on täysin läpinäkyvää, portissa 2 vaihdettu voima, joka vaihdettiin portissa 1, ja impedanssirajapinta ympäristöön vastaa toimilaitteen impedanssia
Toisin sanoen, häviötön ja sillä on seuraavat ominaisuudetx2(D)=x()F2(n)=F(t)(10)XKuva 5 Kaaviollinen esitys lähdetoimilaitteen ja ympäristön välisestä lähetyksestä ja tulevasta lisädynamiikasta Ihanteellinen käyttäytyminen, siirto tulisi suunnitella minimoimaan inertia, yhteensopivuus ja kitka (vaikka lähetys dynaamista portin impedanssiin; katso 43) Vaikka läpinäkyvyys on tärkeä tavoite, tehokkaan lähetyksen on myös oltava joustava. ).
Uusia käyttömenetelmiä korkean voiman haptiseen työtilaan Nestelinjan taivuttamiseen ja vääntämiseen tarvittavien voimien ja vääntömomenttien tulee olla riippumatta siitä, onko lähetetty läpinäkyväksi tai muotoilemaan impedanssia, sen suunnittelussa keskitytään siihen, miten se vaikuttaa päätepisteimpedanssiin Tämä erottaa higo-ongelmat Alla. voimansiirtojen läpinäkyvyyden ja sen impedanssin ennustaminen Ensin on ratkaistava useita kysymyksiä sen varmistamiseksi, että hyödylliset toimilaitteet kahdenväliset. Kuvasta 4 on yksinkertaista nähdä hydraulikomponentit, jotka siirtävät voimaa ja painoa. Useimmat korkeimmat kuitenkin joskus toimivat molemminpuolisesti (vetämällä sekä työntämällä). Jos vetovoimat ovat käytetään paineen alenemiseen ympäristön alapuolelle ja (kavitaatit)
Jos tiivisteet ovat epätäydellisiä, ilmaa vuotaa sisään. Kaksi yksinkertaista vaihtoehtoa mahdollistavat molemminpuolisen ohjauksen: esipaine, joka ylittää vedon siirtämiseen tarvittavan paineen, tai toimilaitepareja voidaan käyttää yhdessä. Jälkimmäinen on doaperedas oM Aq paulo! A oM aues au I ur!M is!Xe sypned sua, 10y auo'saum pinythe other for"puristus Tämä konfiguraatio Tiivisteet, joissa männät poistuvat sylintereistä, ovat erityisen ongelmallisia, koska sinne vuotava neste poistuu vakiotilavuusjärjestelmästä ja se on vaihdettava. Bilateraalisesti toimiva transmissio-kahden nestepolun vetovoimansiirtomenetelmä, joka käyttää yhtä nestepolkua, vaatii ilman teorin tai ympäristön kohdistamaa voimaa Tämä vakiovoiman kohdistaminen jokaiseen mäntään Kun järjestelmä kumoaa kummallakin puolella, mutta kammiossa olevalla nesteellä on kohonnut esivetovoima , mutta jos voima ei ylitä esijännitysvoiman tasoa, vältetään ympäristön yläpuolella oleva nestepaine sekä kavitaatio ja kaasuvuoto järjestelmään. Tämä kohdistuu kuormitukseen ja lisääntyy nesteen paineeseen, mutta vaatii vain kahta liikkuvaa tiivistettä neljän lähestymistavan sijaan, transsin tarkoitus on yksinkertainen. kuvassa 7 esitetty suoraputkijärjestelmä Tämä malli, jota käytetään impedanssina, sisältää kaikki mäntä-cvlinterimetrit DI ja D2 ja pituus Li) ja likimääräinen joustava linja, joka yhdistää tntechopenin
Eteenpäin suora, sileä ja jäykkä sylinterimäinen putki (halkaisijalla D ja pituus L) Voimat ja F2 sekä männän nopeudet ovat D ja v2 Bulkkinesteen nopeus linjassa on v. Siirtymä männän halkaisijasta letkun halkaisijaan tulee myös järjestelmässä oleva neste ja nesteen kiihtyvyydestä johtuva inertia Laskelmat, jotka on tiivistetty alla havainnollistamaan tätä hydraulista) vahvistusvähennystä, lisäämättä mekaanisia osia, jotka voisivat edistää takaiskua, välityssuhde on yhtä suuri kuin männän D2 Azg 7 suhde
Suoraputkinen, kaksoismäntämalli lineaariseen passiiviseen hydrauliseen vaihteistoon, jonka on erotettava merkittävästi teoria ja päätepiste, jossa käyttäytymistä ohjataan, ja siihen liittyvä voimansiirtodynamiikka, varren rakenne on potentiaalinen haaste tehokkaalle ja erittäin vakaalle ohjaukselle, koska vakaus ovat ensiarvoisen tärkeitä, yksi tapa esittää kohdeimpedanssia on antaa takaisin liikettä vain lähdetoimilaitteessa, jolloin yksinkertainen impedanssin säätösilmukka suljetaan vain hyvin karakterisoidun sähkömagneettisen lähteen toimilaitteen ympäriltä, mikä tuottaa vakaan toteutuksen. Tämä järjestely riippuu lähetyksestä luotettavasti (ja lähes läpinäkyvästi) välittää impedanssin lähdetoimilaitteen ja käyttäjän välillä, mutta ilman vuorovaikutusporttia se voi olla alttiina pienille ja kertyville asentovirheille. Onneksi vaikka ihmiset ovat erinomaisia tiedon keräämisessä fyysisestä kosketuksesta, he ovat yleensä herkkiä pienille asennon muutoksille Edellyttäen, että fyysinen kosketus siedetään laitetta käytetään käyttönesteen käyttäytymiseen, ja itse asiassa voimansiirron dynamiikka voi väistämättä muotoilla sekä vuorovaikutuksen vakautta että suorituskykyä, kuten lyhyesti käsiteltiin belontechopen
Uudet käyttömenetelmät High Force HapticsFT:lle havainnollistaa tämän arkkitehtuurin tärkeimpiä suunnittelukysymyksiä, jotka on suunniteltu soveltamalla kuvan 7 mallia ylävarren fysikaalisen toimilaitteen spesifikaatioihin, ja tämä on lisäys tasomaiseen MIT-MANUS-robottiin, ja sitä on käsitelty aiemmin. kahdella mallilla, joista toisessa käytetään pyörivää sähkömoottoria ja pienikitkaista rullaa ja toisessa suoravetoinen lineaarinen sähkömagneettinen moottori (Buerger et al, 2001, Kreld chalg -kohdemääritykset tälle sovellukselle sisältävät af vähintään 65 nf alle 2 kf vähintään 3 m välillä toimilaitteen ja liikkuvan päätepisteen kuin 2 ke Coulombin kitka alle 2N ja lineaarinen damiotehokas offour Tässä osiossa käsitellään suunnittelumallia ennustamaan siirtokyvyn kitka- ja inertiadynamiikkaa
Prototyyppi toimilaite (Kuva 8) valmistettiin ja sen mitatut ominaisuudetmping: Tämän konfiguroinnin suuri etu tai minimoi teesit, jotka syntyvät tavanomaisessa hydrauliikassa vaihteistolinjassa, myötävaikuttaa viskoosisen vastuksen aiheuttamaan painumiseen. Olettaen, että kuvan 7 neste on kokoonpuristumaton, tasainen virtaus minkä tahansa välillä putken kahta pistettä hallitsee seuraava lauseke deriveheP(11)ntechopen
Uudet käyttömenetelmät korkean voiman haptikoille ja suurivoimaisille haptisille laitteille, onnistuneiden terapiarobottien on samanaikaisesti sisällettävä1) kyky purkaa voimia, riittävästi aktiivisia raajoja (esim. epänormaalin sävyn takia) ja jossain määrin tasapainossa ja liikkeessä) tukemaan merkittäviä osia of body wei2) Kyky edustaa kontrolloituja virtuaalisia ympäristöjä (esim. virtuaaliset seinät tai jouset fyysisen opastuksen, avun antamiseksi (mutta vain tarpeen mukaan
d) suojaus voimaharjoittelulta) ja 3) kyky toimia taaksepäin, jotta potilaan tai käyttäjien ponnistelut eivät estäisi 4) suuret työtilat, jopa kuutiomainen ihminen. heikentynyt ja arvaamaton ihmissubjektistrast, useimmat olemassa olevat haptiset ja robottijärjestelmät sisältävät joitakin tämän luettelon osajoukkoja, eivät useinkaan kaikkia Tarkemmin sanottuna useimmat olemassa olevat robottilaitteet ovat saavuttaneet tämän täydellisen ominaisuuksien sarjan, joka on valtava tekniikka, joka on olemassa oleva toimilaite- ja ohjausteknologia, jonka avulla voimme todistaa käytettävissä olevat työkalut. tehdä yhteenveto ja kritisoida käytettävissä olevia tekniikoita, keskustella useista edistyneistä lähestymistavoista, jotka osoittavat lupaavia lähestymistapoja ja esitellä uusi toimilaitearkkitehtuuri, joka tarjoaa ylivoimaisen ratkaisun tiettyihin voimakkaisiin haptisiin sovelluksiin. Seuraavassa osiossa ja vakautta koskevat näkökohdat suurivoimaisille haptisille sovelluksilleOsa 4 esittelee uuden hybriditoimilaitteen arkkitehtuuri, rajoitukset, jotka vaivaavat toimilaitteita voimakkaiden haptisten koneiden kanssa. Yksinkertaisen esimerkin analyysi ja kokeellinen validointi sisältyvät osaan 5. Tässä esitetty aikaisempi ja uusi työ tarjoaa perustan syntyvälle työkalusarjalle menetelmille suunnitella ja rakentaa tehokkaita suurivoimaisia haptisia koneita2 Korkean voiman teho ja vakaus Force Haptic Systemsn suunnitellun mekaniikka) ja htperaattorin välillä Vaikka haptiset laitteet ja robotit sekä T:t, nsorit, ohjausohjelmistot ja mekanismit, jotka on suunniteltu poikkeamaan yleisimmistä roboteista, koska fyysisellä subjektilla on suunnittelultaan vahva vaikutus ymmärrettyyn Perinteiseen ja ohjattavaan robottiin. ,edistetään järjestelmien kyvyllä seurata lentoratoja tai siirtyä paikkoihin avaruudessa Vakaus robotin ja sen ohjaimen määrittämä, staattisen hyötykuorman mahdollisuus
Edistykset()81 Fyysinen toiminta ihmisportin toiminnon välillä B) Lohkokaavion esitykset ovat aivan erilaisia Sen sijaan, että ohjattaisiin liikettä, haptinen siirtyminen näennäisen vapaan liikkeen ja näennäisen konta välillä, että niiden täytyy vakuuttavasti. "tuntuman", jonka käyttäjälle esittää haptiseen laitteeseen fyysisesti kytketty naamiikkajärjestelmä, Kriittinen ero tyypillisten robottien ja haptisten laitteiden välillä. Robottijärjestelmien suorituskyky ja vakaus eivät ole ihanteellisia.Bue8y-virtaus fyysisten porttien välillä (Hogan2005 määrittelee kunkin järjestelmän käyttäytymisen konjugaatti"ponnistus"- ja "virtaustehomuuttujien välisen suhteen perusteella, riippuen kausaalisuudesta ImpedanZ) tarjoaa tehon vastauksena virtaussyötteeseen, kun taas sisäänpääsy (Y) on mekaanisella alueella, voima (tai vääntömomentti) on voimamuuttuja, kun taas nopeus (varsi edustettuna (Ye) Tässä2: 二joko impedanssin tai sisäänpääsyportin suuruus toimii löyhästi dynaamisena jäykkyyslineaarisena, ja se sisältää jäykkyysinertia, kitka ja muut dynaamiset käyttäytymiset, esim
Rajapinnan kehittynyt tunne voidaan edustaa jollain virtuaalisella ympäristön mukaisella bedanssifunktiolla, joka voi olla lineaarinen tai epälineaarinen ja sen jälkeen suoritettava tavoiteimpedanssi (tai kohteena oleva virtuaaliympäristö) ja joka saavutetaan jyrkästi heikentää tätä suorituskykyä sisältäen ei-toivotun inertian hyödyttömänä tai häiritseviä värähtelyjä Tämä on yhdenmukainen haptiikkakirjallisuudessa löydettyjen "uskollisuuden" määritelmien kanssa. Tähän liittyvä suorituskykymittari, läpinäkyvyys minimoi tai peittää loisdynamiikkaa, joka ei ole osa ohjelmiston luomaa virtualisointia (Carignan &x Cleary, 2000) Spesifinen voimakas haptiikka sovelluksesta voi olla hyötyä
Uudet käyttömenetelmät suuren voiman hapticPinction C:lle, joka koostuu taajuudella painotetusta todellisen (Z) ja kohteen (Ztarg) agnitudien välillä, vahingoittavat login dimensiottomuuden argumenttia, jolloin saadaan yksi minimoi ominaisuudet, kuten tarkat resonanssit ja o can. voidaan korvata taajuuspainotuksella. Toisinaan voidaan saada kvantifiointi intuitiivisesti tuttujen fyysisten suureiden, kuten näennäisen inertiakitkan jne. avulla, monimutkainen metriikka, kun voimakkaan haptisen järjestelmän suorituskyky johtuu mekaanisen häiriön osoittamasta portin käyttäytymisestä Sitä vastoin vuorovaikutteisen järjestelmän dynaamisten porttien Molemmat portit ovat funktiolineaarisia, kuvion 1B tyypillinen nomi. Järjestelmän stabiilius, jota kutsutaan kytketyksi stabiiliudeksi (Colgate & x Hogan, 1988), joka määräytyy tämän suuren juurien reaaliosan perusteella. On selvää, että ihmisen toimijan dynamiikka vaikuttaa olennaisesti järjestelmän kokonaisvakauteen. Tämä seikka, otettuna edelliseen kappaleeseen, korostaa tärkeän eron fyysisesti vuorovaikutteisten lineaariohjattujen järjestelmien välillä, saatio määrittää suljetun silmukan vakauden jne.) Lineaarisessa vuorovaikutuksessa, jonka sanelee pelkän haptisen järjestelmän porttifunktio (Zn), kun taas vakautta määrää yhtälö 2, joka sisältää myös operaattori Buerger Hogan,Koska thetorin dynaamisia ominaisuuksia ei voi hallita thstemdesignerilla, kytketyn vakauden takaaminen on haaste.
Eräs arvokas käsite kytketyn järjestelmän vakauden ymmärtämiseen on passiivisuus, tehoportti, jossa on passiivinen piste, ei voi vapauttaa enemmän energiaa kuin siihen on laitettu. )on passiivinen josf1 Zp(s):llä ei ole napoja Zp(s):n oikeanpuoleisessa tasopuoliskossa. Ne ovat yksinkertaisia, ja niillä on positiiviset todelliset jäännökset eli kun kaksi pport-funktiota kytketään yhteen kuten kuvassa 1, avoimen silmukan kokonaisvaiheen on oltava välillä -180 ja +180 kaikilla taajuuksilla, eikä Nyquistin vakauskriteeriä voida rikkoa, joten kytketty pari on taatusti vakaa (Colgate Hogan, 1988)ntechopen
Hapticsenergy-propeTpassiivisten porttien edistys, jos kaksi passiivista ptuottavat energiaa loputtomiin, ja siksi vakaus on takuu (ehkä hienosäädöllä) kaikille fyysisille alueille. Tässä laajuudessa thstems tarjoaa tehokkaan stabiilisuusmittarin suurivoimaisille haptiikoille Vaikka tämä ei ole empiirinen tulosteoria, viittaa vahvasti siihen, että tämä on1989)Valitettavasti suurivoimaisten haptisten järjestelmien passiivisiksi tekeminen Tietyt yksinkertaiset ohjauslait voivat säilyttää passiivisuuden, mutta ottaen huomioon haptisen järjestelmän portin saatavuuden rajoitukset Nämä pl. ohjaimet eivät useinkaan pysty saavuttamaan riittävää suorituskykyä toimilaitelaitteistoa, joita tarkastellaan seuraavassa osiossa alhainen maf toimii ihmisen mittakaavassa (kymmenistä satoihin n, cm:stä m:iin liikkeet, taajuus Hz), sitten tutkimalla saatavilla olevan edistyneen ohjausmenetelmän31 Klassiset toimilaitetekniikat korkean voiman haptiikan tarkkuuteen käytettäessä suorakäyttökokoonpanoissa
Kitka voi olla poikkeuksellisen matalilla taajuuksilla, jotka ovat tyypillisiä ihmisten kanssa tapahtuvalle vuorovaikutukselle (virta tai passiivisuus Suurin haittapuoli on rajallinen järjettömyys (Hollerbach et al, 1992), että voimat johtavat suuriin, raskaisiin toimilaitteisiin. Sähkömagneettisia toimilaitteita on helppo käyttää, ja voidaan onnistuneesti suunnitella täyttämään tiettyjä rajoitettuja vaatimuksia voimatiheyden rajoituksista huolimatta. Esimerkki on MIT-MANUS-robotti yläraajojen hoitovapauteen) tasomainen suljettu ketjukonfiguraatioKrebs et2004) Muut laitteet, pienet translaatiotyötilat Berkelman et al, 1996) Voiman tiheyden rajoitus on paljon vaikeampi ketjuttaa sarjajärjestelmät Jos doF #1:n toimilaitetta kantavat doF #2, peräkkäiset robottivarret, toimilaitteen massa ei vain kasva päätepisteen inertiaikamekanismeihin, vaan se kantaa sen koko painon. suorakäyttöiset toimilaitteet muuttuvat nopeasti estäväksi Kun pyöriviä moottoreita ei voida käyttää, suuret muodostavat lisäongelman, koska korkea voima kasvaa lähes lineaarisesti liikeaukon vaihteluvälin myötä.
Uudet käyttömenetelmät suuren voiman hapticilleIlmeinen tapa parantaa sähkömagneettisten tai muiden toimilaitteiden voimatiheyttä on lisätä vaihteistoa. Tämä lähestymistapa mahdollistaa sarjamekanismin toimilaitteiden käyttökelpoisuuden ja sitä käytetään laajalti roboteissa, havaitsemattoman muurahaisen aiheuttamassa epätoivoisessa inertiassa ja kitkassa. välityssuhteen neliö Coulombin kitka ja stition toimilaitteessa lineaarisesti välityssuhteen mukaan Lisäksi vaihteisto lisää sen seurauksena omaa vetovoimaansa ja välystä. ei-hyväksyttävät heijastuneen hitauden ja kitkan tasot. Vaihteisto, joka ratkaisee taustalla olevan voimatiheysongelman suurissa haptisissa voimanlähteissä, erottaa tämän ongelman useimmista robotiikasta, jossa vaihteisto on yleensä erittäin onnistunut. Merkittävä ongelma suoravetoelektronien käyttämisessä eniten käytettyihin mekaanisiin voimansiirtoihin, kuten kaapelit, hihnat, nauhat ja tangot tarjoavat mahdollisuuden pitää toimilaitteet paikallaan, samalla kun ne välittävät voimansa, liikkeensä ja impedanssinsa, jotka on suunniteltu saavutettuihin impedanssiominaisuuksiin WAM-varren korkea-DOF-sarjassa (Townsend Guertin, 1999) Mekanismien monimutkaisuus, jonka WAM korostaa sitä tosiasiaa, että mekaanisten voimansiirtoosien käyttö voi olla äärimmäisen haastavaa. vaihteisto hihnapyörien välillä kaapelijärjestelmässä)
Kaapeli vaatii tiukan, deterministisen kytkennän sekä niiden käyttämät väli- ja pääteliitokset, vaikka riippuvaisesti toimivilla THemberillä on myös taipumus ("kitaran kieliefekti") ja se voi rajoittaa vakavasti nippuhaastetta, koska vierekkäisten sauvojen vaihteet on säilytettävä tiukasti hallinnassa niiden rajoitukset ovat ylitsepääsemättömiä, ja muiden vaihtoehtojen on oltava koskettavia. Tietyissä kokoonpanoissa mekaaniset voimansiirrot pakottavat haptisen ratkaisun, ja ovat siten tärkeä työkalu Hmuissa sovelluksissa, jotka ovat parempia kuin vaihteettomia sähkömagneettisia moottoreita (Hollerbach et al, 1992) Koska työnesteihmisten Pand venttiilit voidaan sijoittaa etänä, voimalla ja liittää vuorovaikutusporttiin joustavan letkun kautta, joka voidaan reitittää suuremmilla eduilla. Kazerooni &e Guo, 1993, Lee Ryu, 2008)) Tämä johtuu siitä, että konventionaattoreiden toiminnalla on korkea ominaistanssi, ja Yleisesti ollakseen ei-taustaohjattavia Hydrauliset toimilaitteet perustuvat nollasta poikkeavaan venttiiliimpedanssiin tontechopen
AdvancesPsPaFig 2 Kaavio läppäservoventtiilistä, vasen puolisäädettävän lähdön vastusmallilla, alarajan asettaminen lähtöimpedanssille Perusteet osoitetaan ottamalla huomioon tyypillisesti rullattu nimellinen vakiopaine Ps, ja servoventtiili, joka on kytketty ohjausjärjestelmään, joka mittaa paineen. , riippuen venttiilin suunnittelusta, ohjausrakenteesta ja pedanssista Yleinen venttiiliarkkitehtuuri on samankaltaisia kompromisseja) Läppäystä käytetään, vihollinen, Moog-sarjan ensimmäisenä vaiheena 15P paine-ero (PrPu) Kaksi nestevirtaa korkeapainelähteestä Ps työntävät sisään flichin on kiinnitetty roottoriin molemmat nestevirrat ja tippuvat paluuseen paineella Pr Läppä pyörii rajoittaakseen osittain toista sivua ja nostaakseen nesteen painetta kyseisessä haarassa. oa ja ow
Valitettavasti minkä tahansa kuormaan syötettävän nesteen on läpäistävä jokin näistä aukoista, kuten impedanssi ja heikentää venttiilin laatua nestevastuksena kaavion alla, Theorifice mallinnetaan vastukseksi Ron ja läppäaukko mallinnetaan vastuksena Rin(e ), joka aiheuttaa paineen aleneman esipaineen P välille ja riippuu roottorin kulma-asennosta 6 Jos Ror=O, niin outprperillä ei ole vaikutusta ulostuloon. Jos otetaan huomioon yksittäinen kiinteä asento 0@, Rla"(0) lähtöimpedanssi Z,"P/Qo jossa QR。Rolla olisi Z 0 Jos Ror on liian pieni, Ri(e):n muutoksilla on vain vähän vaikutusta lähtöpaineeseen Pa ja venttiili ei toimi. Zu voidaan tehdä pieneksi minimoimalla Ria kuitenkin , venttiilin kokonaislähtöimpedanssi ei ole auki
Uusia käyttömenetelmiä korkean voiman hapticZ=2z。+Zs missä Zs on portin impedanssi venttiilin toiselle puolelle, ja sillä on 4) Mutta Ro(e inRia(e) pienenee, joten ainoa tapa koko ulostulolle olisi vähentää merkittävästi lähtöpaineen vahvistusta iän myötä (kuten tällä vahvistimella on kaksinkertainen: ensinnäkin, jos se toimii täydellisesti, se vahvistaa ensimmäisen vaiheen impedanssia päätepisteessä toimimalla vaihteistona, jonka läpi nesteen täytyy virrata. vuotava venttiili, lisää virrankulutusta ja pienentää tehokkuutta huomattavaan vuotovirtaan, mikä lisää kompressorin kokoa. Koska suurivoimaisten haptisten impedanssivaatimusten tiukat impedanssivaatimukset huomioon ottaen, vuotava venttiili on yleensä epäkäytännöllinen. Venttiilin korkea impedanssi liittyy suoraan kykyyn tuottaa lähtöpainetta, eikä sitä voida uskoa sylinterin tiivisteet edustavat toista haluttua haastetta, erityisesti viskoosista vaimennusta ja inertiaa. Toinen haittavaikutelma on se, että ihmisen vuorovaikutukseen vaadittavat (hydraulisten standardien mukaan) pienet voimat vähentävät tätä vaaraa ja ovat siksi ongelmallisia ihmisten läheisyydessä
Tämän luvun 4. osiossa näistä rajoituksista huolimatta hydrauliikan voimakasta etua tarkastellaan edelleen eri kokoonpanoissa voimakkaiden haptisten ominaisuuksien ja korkean impedanssin servoventtiilin haasteen aiheuttavan kulumisarkkitehtuurin vuoksi. des wieh: e reteratahs th at con 2o) virtausrajoitus, aivan kuten hydrauliset servoventtiilit, alhainen impedanssi on reilorking nestettä, Indeehe suljettu fleir vaatii korkeaa painetta ja siirtyminen matalasta korkeaan jäykkyyteen (esim. virtuaaliseinä) vaatii nopeita paineen muutoksia Tämä voidaan ymmärtää Yksinkertainen esimerkki suljetusta sylinteristä, joka puristuu diabaattisten olosuhteiden voimasta, antaa samanlaisia johtopäätöksiä. Käyttäytyminen vuorovaikutusportissa on karakterisoitu kohdistamalla voima F ja siirtymä x Thelinder on absoluuttisessa paineessa P ja ominaiskaasuvakiolla R ja lämpötila Tkiinteä, tilavuus V vaihtelee x:n mukaan Pamb tarkoittaa ympäristön pm ideaalista M, sisältyy sylinteriin. Ihanteellinen kaasulaki tälle tilavuudelle onRTntechopen
AdvancesP mR TFig 3 Kaavio ihanteellisesta kaasusta isotermisen puristuspaineen alaisena koostuu ympäristöstä plus tuosta voimasta. VAx:n ja eq:n (7) korvaaminen eq(6):ksi ja tuotteen RT8:n uudelleenjärjestely tuottaa jäykänF rT mFor kiinteän (tai kun )x, esimerkiksi Virtuaaliseinän läpi kulkeminen, jäykkyys isonaalinen suljetun seinän suhteenSimuloimaan virtuaaliseinää, jonka jäykkyys on 100-kertainen 100-kerroin ympäröimänä simuloidun nestemäisen suoran seinämän aikana. Yhtälöstä(6) tämä tarkoittaa, että paineen on myös nostettava 100-kertaiseksi ( Todellisuudessa männän toinen puoli)
Siten diskreetit virtuaaliympäristön ominaisuudet, kuten virtuaaliset seinät, on erittäin vaikeaa ja tehotonta toteuttaa tällä tavalla. Toinen yhtälön(9) osoittama ongelma on, että jäykkyys on korkeapaine on myös vaihdettava mlineaariseen jäykkyyteen, jos niin halutaan. Vaihtoehtoinen toiminta korkeissa paineissa, pitäen voimansiirron jäykkyys ja g impedanssin pedanssi, joka on haastateltu yksityiskohtaisesti yllä hydrauliikan osalta, pneumaattiset toimilaitteet tunnetusti vaikeasti hallittavissa, ja suuren voiman haptiikan lisähaasteet pahentavat ongelmia Pneumaattisten toimilaitteiden nestedynamiikka estää myös suljetun silmukan ohjauksen toteuttamisen säätimellä reagoimaan mitattua päätepisteen pakottamista voidaan käyttää eliminoimaan kaasun vastus, mutta tämä voi olla melko tehotonta. Lopuksi paineistettu kaasu varastoi suuruusluokkaa enemmän energiaa kuin nesteet samassa paikassa ja ahtaissa. Haasteistaan huolimatta paineilmatoimilaitteet on suunniteltu haptisiin ja suurivoimaisiin haptisiin sovelluksiin niiden luontaisen yhteensopivuuden vuoksi. voivat olla hyödyllisiä, mukaan lukien eksoskeletaaliset laitteet (Tressler et al2002) ja muut devintechopen