Бул изилдөө робототехникада жасалма булчуң катары колдонулган өрүлгөн пневматикалык актуаторлордун (Braided Pneumatic Actuator, BPA) изометриялык тартуу күчү басымга, жыйрылуу өлчөмүнө жана айрыкча актуатордун баштапкы эс алуу узундугуна жараша кандай өзгөрөрүн эксперименталдык түрдө изилдейт. Изилдөөчүлөр 10 мм жана 20 мм үйлөнтүлбөгөн диаметри бар Festo пневматикалык булчуңдарын атайын тест түзүлүшүндө ар башка узундук, ички басым жана жыйрылуу шарттарында өлчөгөн; жалпы 537 күч маалыматын колдонуп, коэффициенттеринин саны аз болгон жаңы күч моделин иштеп чыккан. Негизги табылга — BPAнын максималдуу изометриялык күчү бир гана диаметрге жана басымга эмес, эс алуу узундугуна да күчтүү көз каранды жана кыска актуаторлордо өндүрүүчүнүн куралы күчтү олуттуу ашыкча болжолдошу мүмкүн. Модель текшерилген Festo 10 мм жана 20 мм BPAлар жана изилдөөдө каралган басым/узундук аралыгында гана ырасталган; динамикалык аба агымы, гистерезис, узак мөөнөттүү эскирүү жана 620 kPaдан жогору көрсөткүчтөр эксперименталдык түрдө кеңири ырасталган эмес.

Өрүлгөн пневматикалык актуаторлор басым берилгенде радиалдык жактан кеңейип, октук багытта кыскарган ийкемдүү актуаторлор болуп саналат. Салмагы аз, күч–салмак катышы жогору жана табигый механикалык ылайыкташуусу бар болгондуктан, алар биомиметикалык роботтордо булчуңга окшош тартуу элементтери катары колдонулушу мүмкүн. Бирок алардын чыгарган күчү сызыктуу эмес; ички басым, учурдагы узундук, жыйрылуу катышы, өрүм геометриясы жана актуатордун баштапкы өлчөмү күч чыгышын бирге аныктайт.

Изилдөөнүн маанилүү жаңылыктарынын бири максималдуу күчтүн эс алуу узундугуна көз карандылыгын түздөн-түз моделдештирүүсү болуп саналат. 620 kPa басым астында 10 мм жана 20 мм диаметри бар BPAларда актуатор кыскарган сайын эксперименталдык максималдуу күч азайганы байкалган. Бул багыт Festoнун учурдагы болжолдоо куралынын кыска узундуктардагы жүрүм-турумуна тескери: өндүрүүчү курал кыска BPAларда күч көбөйөт деп болжолдосо, эксперименттин натыйжалары күч азаярын көрсөтөт.

Изилдөөчүлөр экинчи этапта күчтү, басымды жана жыйрылууну өздөрүнүн эталондук маанилерине бөлүп, өлчөмсүздөштүргөн. Нормалдаштырылган күч \(F^*\), нормалдаштырылган жыйрылуу \(\epsilon^*\) жана нормалдаштырылган басым \(P^*\) колдонулуп, болгону үч коэффициенттүү модель иштелип чыккан. 10 мм BPA модели текшерүү маалыматында оңдолгон \(R^2=0{,}9994\), 20 мм BPA модели болсо \(R^2=0{,}9943\) маанисине жеткен. Бирок жогорку \(R^2\) маанилери бардык BPA түрлөрү жана колдонуу мөөнөттөрү үчүн универсалдуу тактык дегенди билдирбейт.

Түркия көз карашынан бул иш пневматикалык жасалма булчуңдарды колдонгон биомиметикалык роботторду, жумшак роботтук системаларды, робот колдорун же булчуң-скелетке окшош механизмдерди иштеп чыккан изилдөө топтору үчүн түз инженердик баалуулук бере алат. Айрыкча кыска BPA колдонуу зарыл болгон компакт роботтордо бир гана каталогдук күчкө таянуунун ордуна чыныгы эс алуу узундугун, максималдуу эркин жыйрылууну жана иш басымын бирге мүнөздөө долбоорлоо каталарын азайтышы мүмкүн. Бирок макаладагы коэффициенттер башка өндүрүүчүлөрдүн пневматикалык булчуңдарына же башка материал/өрүм геометрияларына эксперименталдык текшерүүсүз өткөрүлбөшү керек.

Изилдөөнүн негизги маселеси эмне?

Өрүлгөн пневматикалык актуаторлорду робототехникада колдонууда негизги кыйынчылыктардын бири — алардын чыгарган күчү бир жөнөкөй параметр менен аныкталбаганы. Бирдей диаметри бар эки BPAнын эс алуу узундугу, жыйрылуу чектери же өндүрүштүк толеранттуулуктары башка болсо, бирдей басым астында башкача күч чыгара алат.

Мурунку моделдердин маанилүү бөлүгү белгилүү бир BPA узундугу үчүн жогорку тактык көрсөтө алганы менен, ошол эле модель башка эс алуу узундугуна колдонулганда ката көбөйүшү мүмкүн. Ошондуктан изилдөөчүлөр басым–жыйрылуу байланышын гана эмес, баштапкы узундуктун максималдуу күчкө тийгизген таасирин да моделге киргизүүнү көздөгөн.

Изометриялык күч эмнени билдирет?

Бул изилдөөдө изометриялык күч — BPAнын узундугу тест түзүлүшү тарабынан туруктуу кармалып турганда басым берилгенден кийин пайда болгон октук тартуу күчү. Актуатор эркин кыскарбай тургандыктан, пайда болгон жыйрылуу тенденциясы жүк уячасы аркылуу күч катары өлчөнөт.

Бул айырма маанилүү; изилдөө жогорку ылдамдыктагы динамикалык кыймыл учурундагы күчтү эмес, белгилүү узундук жана басым шартындагы статикалык же жарым-статикалык күч мүнөздөмөсүн моделдейт.

Эс алуу узундугу жана жыйрылуу кантип аныкталат?

BPAнын үйлөнтүлбөгөн баштапкы узундугу \(l_{\mathrm{rest}}\) менен белгиленет. Изилдөөдө бул узундук түтүк кыскычтарынын ички беттеринин ортосундагы аралык катары өлчөнгөн.

Актуатордун жыйрылуу катышы:

\[ \epsilon= \frac{l_{\mathrm{rest}}-l} {l_{\mathrm{rest}}} \]

түрүндө аныкталат. Бул жерде \(l\) — BPAнын учурдагы узундугу.

Эталондук максималдуу жыйрылуу үчүн актуатор тышкы жүксүз 620 kPa басымга чыгарылган жана ошол шарттагы узундук \(l_{620}\) өлчөнгөн:

\[ \epsilon_{620} = \frac{l_{\mathrm{rest}}-l_{620}} {l_{\mathrm{rest}}} \]

Нормалдаштырылган жыйрылуу болсо:

\[ \epsilon^* = \frac{\epsilon} {\epsilon_{620}} \]

деп аныкталган.

Эксперименттик түзүлүш кантип курулган?

Изилдөөчүлөр 80/20 1515 сериясындагы экструзияланган алюминий профилдерин жана үч өлчөмдүү басылып чыккан бөлүктөрдү колдонуп вертикалдуу BPA тест түзүлүшүн түзүшкөн. Актуаторлор түзүлүшкө бирден вертикалдуу түрдө бекитилип, үстүңкү учтары жүк уячасына бекемделген.

10 мм диаметри бар BPAларда күчтү өлчөө үчүн CALT DYLY-103 100 kg S-түрүндөгү жүк уячасы, 20 мм диаметри бар BPAларда болсо Loadstar RAS1-2HKS-S колдонулган. Жүк уячалары HX711 күчөткүчү менен окулган.

Басым Freescale MPX5700 GP 5 V сенсору менен өлчөнгөн; имараттын кысылган аба линиясы Parker 20R113GC жана Husky HDA72200 болгон эки ырааттуу регулятор менен жөнгө салынган. Аба агымы Festo VTUG клапан manifold аркылуу BPAларга берилген.

Күч жана басым маалыматтары Sparkfun BlackBoard C микроконтроллери аркылуу Matlab 2021bге өткөрүлгөн. Өлчөөлөрдө Windows 10 же Windows 11 иштеткен компьютерлер колдонулган.

Изилдөөнүн эксперименттик түзүлүшүн көрсөткөн 1-сүрөттө тест рамкасы, жүк уячасы, BPAнын өлчөнгөн узундугу, уч капкактары, түтүк кыскычтары, аба камсыздоосу жана басым сенсоруна бөлүнгөн аба линиясы өз-өзүнчө көрсөтүлөт. Ошентип күч актуатордун огу боюнча түз өлчөнгөн изометриялык мүнөздөө түзүлүшү курулган.

Кайсы BPA өлчөмдөрү текшерилди?

Изилдөөдө эки үйлөнтүлбөгөн актуатор диаметри бааланган:

• 10 мм Festo BPA,
• 20 мм Festo BPA.

Метод бөлүмүндө 10 мм BPAлар үчүн \(l_{\mathrm{rest}}=112–518\) мм, 20 мм BPAлар үчүн \(l_{\mathrm{rest}}=300–509\) мм эс алуу узундуктары колдонулганы айтылат.

Булак ичиндеги камтуу эскертүүсү: талкуу бөлүмүндө ошондой эле \(l_{\mathrm{rest}}=54\) мм болгон 10 мм диаметри бар BPA үчүн чыныгы күч өлчөмү берилет. Бул маани метод бөлүмүндө аныкталган 112–518 мм аралыгынан тышкары. Булак 54 мм үлгүнүн негизги эксперименттик катаргабы же өзүнчө/кошумча өлчөөгөбү тиешелүү экенин түшүндүрбөйт.

620 kPa эмне үчүн эталон катары колдонулган?

Изилдөөдө:

\[ P_{620}=620\ \mathrm{kPa} \]

эталондук басым катары тандалган. Бул маани изилдөөчүлөр колдонгон аба камсыздоо системасынын максималдуу басымы болуп, күч, басым жана максималдуу жыйрылуу маанилерин нормалдаштырууда жалпы эталон болуп кызмат кылат.

Изилдөөчүлөр 620 kPa моделдин физикалык жактан милдеттүү туруктуусу эмес экенин өзгөчө белгилейт. Өлчөмсүздөштүрүүнүн максаты оптималдаштырууну жеңилдетүү жана басым мүчөсүнүн масштаб сезгичтигин азайтуу.

Максималдуу күч эс алуу узундугу менен кантип өзгөрөт?

Изилдөөнүн эң маанилүү эксперименттик натыйжасы — 620 kPaдагы максималдуу күчтүн эс алуу узундугуна көз карандылыгы. 2-сүрөттө 10 мм жана 20 мм BPA үчүн кыска актуаторлордо күч тез азайып, узундук көбөйгөн сайын ийри сызык акырындап каныгуу сымал аймакка жакындайт.

10 мм диаметр үчүн изилдөөчүлөрдүн arctan ылайыктоосу:

\[ F_{620,10} = 303.5\ \mathrm{N} \cdot \arctan \left[ 19.03\ \mathrm{m}^{-1} (l_{\mathrm{rest}}-0.0075) \right] \]

түрүндө.

20 мм диаметр үчүн:

\[ F_{620,20} = 922.4\ \mathrm{N} \cdot \arctan \left[ 15.37\ \mathrm{m}^{-1} (l_{\mathrm{rest}}-0.013) \right] \]

байланышы берилген.

0,0075 m жана 0,013 m офсеттери катуу моделдөөдө тиешелүү актуатордун уч капкактары бири-бирине тийген жана актуатор эми күч чыгара тургандай кыскара албай калган геометриялык чектер менен байланыштырылган.

Өндүрүүчү болжолу менен эксперимент кыска BPAларда эмне үчүн айырмаланат?

Festo куралынын болжолдору менен эксперименттик өлчөөлөрдүн ортосундагы эң айкын айырма кыска эс алуу узундуктарында чыгат. Өндүрүүчү курал BPA кыскарган сайын максималдуу күч өсөт деп болжолдосо, изилдөөчүлөрдүн өлчөөлөрү кыска BPAларда күч азайганын көрсөтөт.

Изилдөөдө берилген конкреттүү мисалда 10 мм диаметр жана 112 мм эс алуу узундугу үчүн Festo куралы 620 kPaда:

498,6 N

күчтү болжолдойт.

Жаңы Теңдеме 5тин болжолу:

335,3 N

жана эксперименттик өлчөө:

350,9 N

катары берилген.

Ошого жараша булак жаңы моделдин катасын %4,5, Festo болжолунун катасын болсо %42,1 деп эсептейт. Изилдөөчүлөр ошондуктан айрыкча 300 ммден төмөн эс алуу узундугун колдонгон долбоорлоочулар узундуктун таасирин эске алышын сунуштайт.

Кыска актуаторлордо күч эмне үчүн азайышы мүмкүн?

Изилдөөчүлөр бул жүрүм-турумду уч чек ара эффекттери менен түшүндүрүшөт. Идеалдуу McKibben тибиндеги актуатор моделдеринде түзүлүш көп учурда бир калыптагы цилиндрдик басым идиши катары каралышы мүмкүн. Чыныгы BPAда болсо кыскычталган учтарда ички жана тышкы диаметр бекитилген учурда октук, радиалдык жана айланма деформация шарттары корпустун орто бөлүгүнөн айырмаланат.

Уч аймактарында октук, радиалдык жана айланма чыңалуу аналитикалык цилиндр чечиминен четтейт. Бул уч-эффект аймагынын физикалык узундугу басым туруктуу болгондо болжол менен окшош калгандыктан, BPAнын жалпы эс алуу узундугу азайган сайын уч аймактары актуатордун чоңураак бөлүгүн ээлейт. Натыйжада идеалдуу цилиндрдик активдүү бөлүк кичирейип, чыныгы октук күч күтүлгөндөн төмөн болушу мүмкүн.

Бул механизм изилдөөдө эксперименттик күч тенденциясынын физикалык түшүндүрмөсү катары сунушталган; уч аймагындагы деформация талаасы бул иште өзүнчө толук талаа өлчөөсү менен түздөн-түз ырасталган эмес.

Басым максималдуу күчкө кантип кошулат?

Изилдөөчүлөр эс алуу узундугу менен басымды бирге камтыган максималдуу күч функциясын да иштеп чыгышкан:

\[ F_{\max}(l_{\mathrm{rest}},P) = a_1P \cdot \arctan \left[ a_2P(l_{\mathrm{rest}}-0.0075) \right] \]

10 мм BPA үчүн:

• \(a_1=0.4895\ \mathrm{N\,kPa^{-1}}\)
• \(a_2=0.03068\ \mathrm{kPa^{-1}m^{-1}}\)

жана 20 мм BPA үчүн текстте:

• \(a_1=1.49\ \mathrm{N\,kPa^{-1}}\)
• \(a_2=0.0248\ \mathrm{kPa^{-1}m^{-1}}\)

маанилери берилген.

Булак ичиндеги теңдеме эскертүүсү: Теңдеме 7 формуласында \(l_{\mathrm{rest}}-0.0075\) офсети түз жазылган. Бирок 20 мм BPA үчүн Теңдеме 6да колдонулган геометриялык офсет \(0.013\) m. Булак 20 мм коэффициенттери Теңдеме 7ге колдонулганда офсет 0,013 m болуп өзгөрүшү керекпи же жокпу, анык айтпайт; ошондуктан бул жерде формула жарыяланган абалында сакталган.

Максималдуу жыйрылууну эс алуу узундугунан болжолдосо болобу?

Изилдөөнүн жообу ишенимдүү түрдө жок. 3b-сүрөттө \(\epsilon_{620}\) менен эс алуу узундугунун ортосунда жалпы түрдө узун BPAларда бир аз жогору жыйрылууга карай тенденция көрүнгөнү менен, маалыматтардын чачырашы чоң.

Сызыктуу ылайыктоо:

\[ R_{\mathrm{adj}}^2=0.4124 \]

жана:

\[ RMSE=0.0083 \]

маанилерин берген.

Изилдөөчүлөр ушундан улам максималдуу жыйрылуу бир гана эс алуу узундугунан ишенимдүү эсептелбеши керек; роботто колдонула турган ар бир BPA үчүн \(\epsilon_{620}\) маанисин өзүнчө өлчөө такыраак күч болжолун берет деген жыйынтыкка келишкен.

Нормалдаштырылган күч модели эмне үчүн иштелип чыккан?

Эс алуу узундугу максималдуу күчтү өзгөрткөндөй, жыйрылуу да ошол эле актуатордун күчүн азайтат. Ар башка узундуктан жана диаметриден келген маалыматтарды жалпы математикалык түзүлүшкө өткөрүү үчүн изилдөөчүлөр күчтү, басымды жана жыйрылууну өлчөмсүздөштүрүшкөн.

Нормалдаштырылган күч:

\[ F^*=\frac{F}{F_{620}} \]

нормалдаштырылган басым:

\[ P^*=\frac{P}{P_{620}} \]

жана нормалдаштырылган жыйрылуу:

\[ \epsilon^*=\frac{\epsilon}{\epsilon_{620}} \]

катары колдонулган.

Ошентип ар башка актуатор узундуктарынан келген эксперименттик маалыматтар 0–1 аралыгында жалпы күч–басым–жыйрылуу мейкиндигине өткөрүлгөн.

Нормалдаштырылган күч теңдемеси эмне?

Эксперименттик маалыматта нормалдаштырылган күч менен нормалдаштырылган жыйрылуунун ортосунда экспоненциалдык, басым менен күчтүн ортосунда болжол менен сызыктуу байланыш байкалган. Nonlinear Least Squares жана Least Absolute Residual robust ылайыктоосу натыйжасында:

\[ F^*(\epsilon^*,P^*) = \begin{cases} c_0 \left[ \exp(-c_1\epsilon^*)-1 \right] + P^* \exp \left[ -c_2(\epsilon^*)^2 \right], & F^*>0 \\ 0, & F^*\leq0 \end{cases} \]

модели алынган.

10 мм BPA үчүн коэффициенттер:

20 мм BPA үчүн:

Канча маалымат чекити колдонулган?

Нормалдаштырылган күч беттерин түзүүдө жалпы 537 эксперименттик маалымат чекити колдонулган:

• 10 мм BPA үчүн 321 маалымат чекити,
• 20 мм BPA үчүн 216 маалымат чекити.

Маалыматтардын %80и модель ылайыктоо/окутуу, %20сы текшерүү максатында колдонулган. Булак бул бөлүмдө бөлүштүрүүнүн кокустугу же актуатор боюнча бөлүнгөн-бөлүнбөгөнү жөнүндө кененирээк процедура бербейт.

Моделдин текшерүү ийгилиги кандай?

Бул жердеги RMSE нормалдаштырылган \(F^*\) күч мейкиндигинде жана Ньютон бирдигиндеги абсолюттук күч RMSEси менен чаташтырылбашы керек.

Чыныгы күч болжолу кантип алынат?

Өлчөмсүз нормалдаштырылган модель эс алуу узундугуна көз каранды максималдуу күч менен кайра масштабдалып чыныгы күч болжолу жасалат:

\[ F(\epsilon^*,P^*,l_{\mathrm{rest}}) = F^*(\epsilon^*,P^*) \cdot F_{620}(l_{\mathrm{rest}}) \]

Бул түзүлүш эки башка маселени бөлөт: \(F_{620}(l_{\mathrm{rest}})\) актуатор узундугунун жалпы күч жөндөмүн; \(F^*(\epsilon^*,P^*)\) болсо учурдагы басым жана жыйрылуу шартында ошол жөндөмдүн канчасы колдонуларын көрсөтөт.

54 мм мисалы моделдин айырмасын кантип көрсөтөт?

Булакта \(l_{\mathrm{rest}}=54\) мм жана \(P=300\) kPa үчүн өлчөнгөн күч:

103 N

деп берилген.

Festo куралы ошол эле шарт үчүн:

270 N

деп болжолдойт; изилдөөчүлөр бул өлчөнгөн күчтөн %161 жогору экенин белгилейт.

Жаңы моделде:

\[ F_{\mathrm{predict}} = 0.49\times230\ \mathrm{N} = 112\ \mathrm{N} \]

натыйжасы алынган жана ката болжол менен %8 деп берилген.

Бирок жогоруда айтылгандай, 54 мм эс алуу узундугу метод бөлүмүндө негизги эксперименттик аралыгы катары жазылган 112–518 ммден тышкары. Ошондуктан бул мисалдын маалымат чогултуу протоколундагы орду булакта толук түшүндүрүлгөн эмес.

Жаңы модель башка жарыяланган моделдер менен кантип салыштырылат?

Изилдөөчүлөр өз моделин Sárosi жана Martens–Boblan ыкмалары менен төрт BPA конфигурациясында салыштырган. Салыштыруу RMSE, Fraction of Variance Unexplained (FVU) жана максималдуу абсолюттук ката аркылуу жүргүзүлгөн.

Жаңы модель төрт тест конфигурациясынын баарында салыштырылган башка эки моделден төмөн RMSE берген. Айрыкча 20 мм диаметр жана 450 мм эс алуу узундугунда Martens–Boblan моделинин RMSEси 862,1 Nге жетсе, жаңы модель 67,6 N RMSE берген.

Бул салыштыруу башка моделдер өзүнүн баштапкы калибрлөө шарттарында начар модель дегенди билдирбейт. Макаланын негизги жоромолу — белгилүү геометрия жана узундукта калибрленген моделдер башка баштапкы узундуктарга өткөрүлгөндө тактыгы төмөндөшү мүмкүн.

Martens–Boblan модели эмне үчүн өзгөчө узундук өзгөрүшүнөн таасирленген?

Martens–Boblan модели өрүм бурчу, дубал калыңдыгы, була узундугу жана баштапкы диаметр сыяктуу физикалык геометриялык параметрлерге таянат. Изилдөө бул параметрлердин кичине өзгөрүшү айрыкча жогорку басымдарда күч болжолун олуттуу өзгөртө аларын көрсөтөт.

20 мм BPA жана 450 мм эс алуу узундугу мисалында модель айрым иш чекиттеринде терс күчтү да болжолдой баштаган. Изилдөөчүлөр муну моделдеги геометриялык мүчөлөрдүн бири башка мүчөлөргө салыштырмалуу ашыкча чоңоюшу менен байланыштырат.

5-сүрөттөгү бирдик шайкешсиздиги эмне?

5-сүрөттүн төрт төмөнкү графигинин аталыштарында эс алуу узундуктары:

• 0,257 m,
• 0,233 m,
• 0,300 m,
• 0,450 m

катары көрсөтүлгөн. 3-таблицада да тиешелүү маанилер 257, 233, 300 жана 450 мм.

Ал эми 5-сүрөттүн түшүндүрмөсү ушул маанилерди “0.257 mm”, “0.233 mm”, “0.300 mm” жана “0.450 mm” деп жазат. График жана 3-таблица менен салыштырганда бул бирдик көрсөтүүлөрү өз ара шайкеш эмес. Verianla салыштыруу таблицасында 3-таблицанын ачык берген 257–450 мм маанилерин негиз кылган.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Каралган Festo 10 мм жана 20 мм BPAлардын максималдуу изометриялык күчү эс алуу узундугуна көз каранды.
• Кыска BPAларда эксперименталдык максималдуу күч Festo MuscleSIM болжолунан олуттуу төмөн болушу мүмкүн.
• Эс алуу узундугунун таасири arctan түрүндөгү эмпирикалык функциялар менен жогорку ылайыктыкта моделденген.
• Нормалдаштырылган күч, басым жана жыйрылуу колдонулуп, ар бир диаметр үчүн үч коэффициенттүү төмөн даражалуу күч модели түзүлгөн.
• Нормалдаштырылган моделдин текшерүү оңдолгон R² мааниси 10 мм BPAда 0,9994, 20 мм BPAда 0,9943.
• 3-таблицада бааланган төрт узундук/диаметр конфигурациясында жаңы модель салыштырылган Sárosi жана Martens–Boblan моделдеринен төмөн RMSE көрсөткөн.
• Максималдуу эркин жыйрылуу \(\epsilon_{620}\) бир гана эс алуу узундугунан ишенимдүү болжолдонгон эмес.

Изилдөө колдобогон же али ырастабаган жыйынтыктар

• Модель бардык McKibben тибиндеги же бардык өндүрүүчүлөргө тиешелүү пневматикалык жасалма булчуңдар үчүн универсалдуу түрдө ырасталган эмес.
• 620 kPaдан жогору басымдарда модель эксперименталдык түрдө ырасталган эмес.
• Изилдөөчүлөр модель 800 kPaга чейин иштеши мүмкүн деп болжолдошот, бирок муну ырастай турган маалымат бербейт.
• Актуаторлордун узак мөөнөттүү эскириши жана өмүр цикли боюнча модель коэффициенттери сакталабы же жокпу текшерилген эмес.
• Толук актуатор–клапан аба агымы динамикасы бул статикалык күч моделинин бөлүгү эмес.
• Гистерезис, термодинамикалык өтмө таасирлер жана жогорку ылдамдыктагы кыймыл динамикасы толук динамикалык модель катары чечилген эмес.
• Моделдин жогорку тактыгы чыныгы робот муунундагы бардык динамикалык момент жүрүм-туруму да ошол эле тактык менен болжолдонот деген кепилдик бербейт.

Изилдөөнүн методу жана табылгалары

Эксперименттик өзгөрмөлөр

Маалымат чогултуу жана модель ылайыктоо методу

Актуаторлор ар кандай туруктуу узундуктарда кармалып, ар түрдүү аба басымдарына чейин үйлөнтүлүп, ар бир басым–жыйрылуу жуптарындагы тартуу күчү катталган. Эс алуу узундугунун таасирин моделдөө үчүн Nonlinear Least Squares ыкмасы колдонулган жана четки маанилерге туруктуураак ылайыктоо үчүн Least Absolute Residual robust ыкмасы колдонулган.

Ушул эле ыкма нормалдаштырылган үч өлчөмдүү күч–жыйрылуу–басым бетин ылайыктоодо да колдонулган.

Максималдуу күч моделинин 10 мм натыйжалары

Эс алуу узундугу жана басымды бирге колдонгон Теңдеме 7нин 10 мм BPA үчүн коэффициенттери:

Булак 1-таблицада бул ылайыктоо үчүн оңдолгон \(R^2=0,9945\), RMSE = 11,61 N жана максималдуу ката = 55,3 N берет.

620 kPa эс алуу узундугу моделдеринин ылайыктуулугу

Ошол эле таблица Festo куралынын эс алуу узундугу өзгөрүшүн чагылдыруудагы айырмасын көрсөтүү үчүн кошумча салыштырма RMSE маанилерин берет. Festo маалыматтарына каршы RMSE 10 мм үчүн 189,9 N, 20 мм үчүн 668,4 N деп билдирилген.

Нормалдаштырылган модель окутуу жана текшерүү натыйжалары

Бул маанилер нормалдаштырылган күч модели үчүн экенин унутпоо керек. Мисалы 0,0245 RMSE мааниси 0,0245 N дегенди билдирбейт.

Төрт конфигурациядагы толук модель салыштыруу

Модель реалдуу убакыттагы башкарууда колдонулушу мүмкүнбү?

Изилдөөчүлөр моделдин математикалык түзүлүшү онлайн эсептөө жагынан аз чыгымдуу экенин белгилешет. Нормалдаштырылган күч бети болгону үч коэффициент колдонот жана эс алуу узундугуна көз каранды \(F_{620}\) масштабдоо функциясы менен бириктирилет. Ошондуктан модель реалдуу убакыттагы момент контроллеринде feedforward компоненти же lookup table катары колдонууга жетишерлик жөнөкөй түзүлүшкө ээ.

Бирок изилдөө реалдуу убакыттагы робот башкаруу экспериментин жүргүзгөн эмес. Моделдин реалдуу убакытта колдонууга ылайыктуулугу тууралуу баалоо математикалык жөнөкөйлүккө жана статикалык күч болжолунун тактыгына негизделген.

Статикалык модель эмне үчүн баары бир маанилүү?

Пневматикалык жасалма булчуңдарда чыныгы динамикалык жүрүм-турум аба агымы, клапан өзгөчөлүктөрү, кысылуучу газ динамикасы, гистерезис жана механикалык басаңдоо сыяктуу кошумча процесстерди камтыйт. Ошого карабастан туура статикалык күч картасы белгилүү узундук жана басымда актуатор кайсы күч деңгээлине жете аларын аныктоочу негиз болуп саналат.

Изилдөөчүлөр жогорку ылдамдыктагы жана жогорку тактыктагы келечектеги башкаруу системаларында статикалык күч картасы менен бирге айрыкча аба агымынын динамикасын кеңири моделдөө пайдалуу болот деп болжолдошот.

Биологиялык булчуңга окшотуу чеги эмне?

BPAлар бир гана тартуу күчүн чыгарышы жана сызыктуу эмес күч–узундук байланыштары себептүү биологиялык булчуңга окшотулушу мүмкүн. Бирок эки системанын күч өндүрүү механизми бирдей эмес.

Биологиялык скелет булчуңунда активдүү күч актин–миозиндин капталышына байланыштуу адатта оптималдуу була узундугунун айланасында максималдуу болот. Ал эми бул изилдөөдөгү BPAларда максималдуу активдүү тартуу күчү актуатордун эс алуу, башкача айтканда максималдуу узундук абалында пайда болот.

Биологиялык булчуңдар структуралык кайра түзүлүү аркылуу оптималдуу иш узундугун убакыттын өтүшү менен өзгөртө алса, BPAнын өрүлгөн геометриясы туруктуу. Робот башка кыймыл аралыгы же момент профили үчүн кайра оптималдаштырылышы керек болсо, башка узундуктагы же башка касиеттеги актуатор колдонулушу мүмкүн.

Узак мөөнөттүү чыдамкайлык жөнүндө эмне белгилүү?

Бул изилдөө BPAлардын өмүр цикли боюнча күч модели өзгөрөр-өзгөрбөсүн эксперименталдык түрдө текшербейт. Авторлор өндүрүүчү документтеринде айрым BPA өлчөмдөрү үчүн цикл өмүрү тууралуу маалымат бар экенин айтат, бирок айрыкча 10 мм жана 20 мм моделдеринин узак мөөнөттүү күч–узундук–басым мүнөздөмөсү рецензияланган өмүр цикли изилдөөлөрү менен азырынча жетиштүү түшүндүрүлө элек экенин белгилешет.

Өндүрүш сериясындагы айырмалар, UV нуруна дуушар болуу, материалдын эскириши жана өрүм геометриясындагы кичине вариациялар айрыкча \(\epsilon_{620}\) сыяктуу касиеттерге таасир этиши мүмкүн. Ошондуктан изилдөөчүлөр ар бир физикалык актуатордун максималдуу жыйрылуу маанисин өзүнчө каттоону сунуштайт.

Жалпы илимий баалоо

Изилдөөнүн эң күчтүү жагы — пневматикалык жасалма булчуңдарда көптөгөн долбоорлоо моделдеринде туруктуу же экинчи даражалуу деп эсептелген эс алуу узундугун эксперименталдык түрдө түздөн-түз негизги өзгөрмөгө айландыруусу. Бул ыкма айрыкча кыска BPAларда өндүрүүчү болжолу менен чыныгы күч ортосундагы чоң айырманы түшүндүрүү жагынан маанилүү.

Экинчи күчтүү жагы — өлчөмсүздөштүрүү. Ар бир ар башка актуатор узундугу үчүн көп сандагы өзүнчө полином коэффициенттерин түзүүнүн ордуна күч, басым жана максималдуу жыйрылуу өз эталондук маанилери менен нормалдаштырылып, коэффициенттеринин саны аз жалпы беттик модель алынган.

Эң маанилүү чектөө болсо модель дагы эле белгилүү Festo 10 мм жана 20 мм BPA үй-бүлөсү менен чектелген эксперименттик калибрлөөгө таянат. Изилдөө бардык пневматикалык булчуң долбоорлору ошол эле нормалдаштырылган функцияга туура келерин көрсөтпөйт. Мындан тышкары динамикалык клапан/агым жүрүм-туруму жана узак мөөнөттүү эскирүү модели бул изилдөөнүн алкагынан тышкары.

Булак жана метод эскертүүсү

Толук түпнуска изилдөө аталышы: Isometric Force Characterization of Braided Pneumatic Actuators

Авторлор жана тартиби: Ben Bolen; Mohammad Elzein; Lawrence Pang; Alexander Hunt.

Тең салым / тең биринчи авторлук: Каралган иште тең салым же тең биринчи авторлук билдирүүсү жок.

Жооптуу автор: Alexander Hunt.

Мекеме: Department of Mechanical and Materials Engineering, Portland State University, Portland, OR 97207, USA.

Булак түрү / рецензия: Рецензиядан өткөн эксперименталдык изилдөө макаласы.

Журнал: Actuators.

Басма: MDPI, Basel, Switzerland.

Библиографиялык маалымат: Actuators 2026, 15(5), 230.

DOI: 10.3390/act15050230.

Жөнөтүү / ревизия / кабыл алуу / жарыя: 2 Март 2026 / 14 Апрель 2026 / 17 Апрель 2026 / 22 Апрель 2026.

Расмий шилтеме:https://doi.org/10.3390/act15050230

Расмий жарыя барагы:https://www.mdpi.com/2076-0825/15/5/230

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY). Макала ачык жеткиликтүү.

Каржылоо: Изилдөө Portland State University Department of Mechanical and Materials Engineering тарабынан; ошондой эле National Science Foundation NeuroNex: Communication, Coordination, and Control in Systems (C3NS), долбоор 2015317 жана NSF долбоор 1943483 тарабынан колдоого алынган.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Маалымат топтомдорун авторлордон негиздүү суроо-талап менен алууга болору белгиленген.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришет. Каржылоочулардын изилдөө дизайнына, маалымат чогултууга, анализге, жоромолго, макала жазууга же жарыя чечимине катышпаганы айтылган.

Этика комитети / маалымдалган макулдук: Эки бөлүм үчүн тең “Not applicable” деп билдирилген.

Автордук салымдар: Концептуалдаштыруу B.B. жана A.H.; метод B.B., A.H., M.E. жана L.P.; программалык камсыздоо B.B., M.E. жана L.P.; текшерүү B.B. жана A.H.; формалдуу анализ B.B.; изилдөө B.B., M.E. жана L.P.; ресурстар B.B. жана A.H.; маалымат курациясы B.B. жана L.P.; биринчи долбоор B.B.; карап чыгуу/түзөтүү B.B., M.E., L.P. жана A.H.; визуалдаштыруу B.B. жана A.H.; көзөмөл жана долбоор башкаруу B.B. жана A.H.; каржылоону табуу A.H. тарабынан аткарылган.

Эксперименттик камтуу: Изилдөө Festo өрүлгөн пневматикалык актуаторлорунун 10 мм жана 20 мм үйлөнтүлбөгөн диаметрлерин баалаган; күч, эс алуу узундугу, ички басым жана жыйрылуу ортосундагы статикалык/изометриялык байланышка көңүл бурган. Нормалдаштырылган күч бети 537 өлчөө чекитине негизделген.

Булак ичиндеги узундук камтуусу шайкешсиздиги: Метод бөлүмүндө 10 мм BPA эс алуу узундуктары 112–518 мм деп көрсөтүлгөнү менен, талкуу бөлүмүндө 54 мм эс алуу узундугу бар BPA үчүн 103 N чыныгы күч өлчөмү колдонулат. Булак бул 54 мм мисал негизги эксперименттик топтомго кантип киргизилгенин түшүндүрбөйт.

Булак ичиндеги Теңдеме 7 офсет белгисиздиги: 10 мм жана 20 мм диаметр үчүн ар башка a1 жана a2 коэффициенттери берилгени менен, Теңдеме 7нин жазылган формасында 0,0075 m узундук офсети бар. 20 мм BPA үчүн Теңдеме 6да болсо 0,013 m офсет колдонулат. 20 мм колдонууда Теңдеме 7 офсети өзгөрөбү же жокпу текстте ачык эмес.

Булак ичиндеги 5-сүрөт бирдик шайкешсиздиги: Сүрөт аталыштары эс алуу узундуктарын 0,257 m, 0,233 m, 0,300 m жана 0,450 m деп берет жана 3-таблица аларга туура келген 257, 233, 300 жана 450 мм маанилерин колдонот. 5-сүрөттүн түшүндүрмөсү болсо ушул эле маанилерди 0,257 mm, 0,233 mm, 0,300 mm жана 0,450 mm деп жазат. Бул Verianla тексти салыштыруу маанилеринде 3-таблицанын ачык узундуктарын негиз алып, булак түшүндүрмөсүндөгү шайкешсиздикти өзүнчө белгилеген.

Булак ичиндеги кайчылаш шилтеме эскертүүсү: Мурунку Hunt модели баяндалган бөлүмдө коэффициенттердеги типографиялык каталар оңдолгону айтылганда “Equation (2)” деген сөз колдонулат; коэффициенттер турган туюнтма болсо дароо мурдагы Equation (1). Бул кайчылаш шилтеме булактын атынан оңдолгон эмес.

Методологиялык чектер: Изилдөө изометриялык/статикалык күч мүнөздөмөсүнө багытталган. Толук аба агымы динамикасы, клапан динамикасы, жогорку ылдамдыктагы жыйрылуу, өмүр цикли боюнча параметр өзгөрүшү жана 620 kPaдан жогорку иш басымдары бул эксперименттер менен ырасталган эмес. Авторлор модель 800 kPaга чейин колдонулушу мүмкүн деп болжолдошот, бирок бул үчүн эксперименттик маалымат жок экенин ачык белгилешет.

Мазмун методу: Бул Verianla макаласындагы илимий табылгалар, эксперименттик түзүлүш, теңдемелер, коэффициенттер, ишеним аралыктары, модель салыштыруулар жана жоромол чектери каралган изилдөөгө гана негизделген. Тышкы текшерүү бир гана аталыш, DOI, басма, журнал жана рецензия сыяктуу библиографиялык идентификация талаалары үчүн колдонулган; сырттан жаңы BPA көрсөткүч маалыматы же роботтук натыйжа кошулган эмес.