Изилдөө аба менен үйлөтүлгөндө кыскарган эки жумшак пневматикалык pouch мотору бири-бирине антагонисттик түрдө туташкан системада так позициялык көзөмөлдү изилдейт. Бир мотордун басымы жогорулаганда экинчисинин басымы азайтылып, эки актуатор карама-каршы багытта күч жаратып, алардын ортосундагы кыймылдуу жүктү оңго же солго жайгаштырат. Pouch моторлорунун механикалык жүрүм-туруму жана алардын ичиндеги кысылуучу абанын басым динамикасы сызыктуу эмес болгондуктан, изилдөөчүлөр позиция менен басымдын ортосундагы статикалык байланышты гана эмес, аба агымынын pouch ичиндеги басымга, ал эми басымдын механикалык күчкө айланышын да башкаруу моделине киргизишкен.

Иштин негизги салымы — басым динамикасын камтыган аналитикалык системалык модель негизинде курулган жаңы сызыктуу эмес көзөмөлдөөчү контроллер. Белгисиз моделдөө каталары, сүрүлүү жана башка бузулуулар бирдиктүү жыйынтык бузулуу \(F\) катары каралып, бул чоңдукту цикл ичинде баалоо үчүн Immersion and Invariance (I&I) ыкмасына негизделген сызыктуу эмес байкоочу иштелип чыккан. Басым динамикасы башкаруу киргизүүсүнүн механикалык жүк теңдемесине түз кирбей калышына алып келгендиктен, башкаруу мыйзамы эки баскычтуу, ичке салынган жылыш өзгөрмөсү аркылуу долбоорлонгон.

Изилдөөчүлөр жаңы контроллерди эки өзүнчө эталондук ыкма менен салыштырышкан. Биринчиси — ошол эле механикалык системаны колдонгону менен pouch ичиндеги басым динамикасын эске албаган жөнөкөйлөтүлгөн модель негизиндеги контроллер. Экинчиси — физикалык эксперименттерде колдонулган классикалык PID контроллери. Ошентип, “модель негизиндеги башкаруу PIDден жакшыбы?” деген суроо гана эмес, пневматикалык басым динамикасын моделге кошуу чындап өлчөөгө боло турган артыкчылык береби? деген суроо да түздөн-түз текшерилген.

Физикалык системада эки pouch мотору сызыктуу рельстеги 60 граммдык блокту кыймылдаткан. Басымдар санарип регуляторлор менен жөнгө салынган, ар бир pouch ичиндеги басым өзүнчө сенсорлор менен өлчөнгөн, позиция сызыктуу энкодер менен көзөмөлдөнгөн жана башкаруу цикли Arduino Uno R4 WiFi платформасында 100 Hz жыштыкта иштеген. Эксперименттерде синусоидалдык жана кубдук эки позиция траекториясы колдонулуп, ар бир контроллер–траектория айкалышы беш жолу кайталанган.

Кубдук траекторияда жаңы толук модель контроллеринин орточо абсолюттук катасы 0,04 mm, RMS катасы да 0,04 mm болгон. Басым динамикасын эске албаган контроллерде бул көрсөткүчтөр тиешелүүлүгүнө жараша 0,05 жана 0,06 mm, PIDде 0,05 жана 0,07 mm болуп өлчөнгөн. Изилдөөчүлөр толук модель контроллери жөнөкөйлөтүлгөн модель контроллерине салыштырмалуу кубдук траекторияда RMSEни %33,3 жана MAEни %20 азайтканын билдиришет.

Синусоидалдык траекторияда жаңы контроллердин MAE мааниси жөнөкөйлөтүлгөн контроллер менен бирдей — 0,04 mm; RMSE болсо тиешелүүлүгүнө жараша 0,05 жана 0,06 mm. Ошондуктан басым динамикасын моделге киргизүүнүн пайдасы бардык ката көрсөткүчтөрүндө жана бардык траекторияларда бирдей чоңдукта эмес. Мындан тышкары, максималдуу бир жолку ката боюнча жөнөкөйлөтүлгөн контроллер эки эксперименттик профилде тең жаңы контроллерден бир аз төмөн маанини көрсөткөн.

Иштин натыйжалары кысылуучу абанын динамикасын башкаруу моделине киргизүү антагонисттик pouch моторлорунун көзөмөл тактыгын жогорулатып, басым сигналдарын жылмакайыраак кыла аларын көрсөтөт. Бирок жаңы контроллер эталон траекториянын үчүнчү туундусун талап кылат, татаалыраак физикалык моделге таянат жана экспериментте колдонулган системадан башка жүктөрдө, кескин бузулууларда, байкаларлык stiction шартында, өзгөрмө агып кетүүдө же көп эркиндик даражалуу жумшак роботтордо азырынча текшерилген эмес.

Кыргызстан үчүн баалоо: Иштеги ыкма Кыргызстанда жана аймакта жумшак робототехника, пневматикалык жасалма булчуңдар, жеңил роботтук механизмдер, медициналык робототехника жана коопсуз адам–робот өз ара аракеттенүүсү боюнча иштеген изилдөө топтору үчүн маанилүү башкаруу үлгүсүн сунуштай алат. Айрыкча арзан жана өндүрүүгө оңой жумшак актуаторлордо механикалык позиция моделин гана эмес, пневматикалык камсыздоо динамикасын да башкаруу долбооруна кошуу тактык талап кылынган колдонмолор үчүн маанилүү ыкма болуп саналат. Бирок иш хирургиялык процедурада, бейтапта же клиникалык тапшырмада текшерилген эмес; “роботтук хирургияга ылайыктуулук” макаланын мотивацияларынын бири, клиникалык ийгилик натыйжасы эмес.

Pouch мотору деген эмне?

Pouch мотору — бири-бирине бириктирилген жука жана ийкемдүү эки катмар аба менен үйлөтүлгөндө огу боюнча кыскарган жумшак пневматикалык актуатор. Изилдөөдөгү моторлор созулбаган термопластикалык катмарларды атайын лазердик ширетүү системасы менен бириктирүү аркылуу жасалган pouch түзүлүштөрүнөн турат.

Үйлөтүү учурунда капчыктын кесилиши кеңейип, эки учу бири-бирине жакындайт. Ошондуктан басым жогорулаган сайын актуатордун жалпы узундугу азайып, механикалык тартуу кыймылы пайда болот.

Антагонисттик жуп эмне үчүн колдонулат?

Бир pouch мотору үйлөтүлгөндө гана кыскарууга умтулат. Эки мотор карама-каршы туташканда бирөө кыскарып, экинчиси узара ала тургандай болуп, эки багыттуу сызыктуу кыймыл пайда болот.

Иштеги түзүлүштө кыймылдуу блок эки мотордун ортосунда жайгашкан. Pouch мотор 2 үйлөтүлүп, pouch мотор 1 бошотулганда блок оң \(x\) багытына; тескерисинче болгондо терс \(x\) багытына жылат.

Бул түзүлүш адамдын булчуңдарындагы антагонисттик жуптарга окшош механикалык функция аткарат: эки актуатор бир эле кыймыл огунда карама-каршы багытта иштейт.

Эксперименттик түзүлүш кандай көрүнөт?

Иштин 1-сүрөтү төрт маанилүү компонентти бирге көрсөтөт: үйлөтүлгөн бир pouchтун геометриялык кесилиши, катар туташкан pouch моторунун профили, эки мотордун ортосундагы кыймылдуу жүктүн схемалык антагонисттик байланышы жана чыныгы лабораториялык прототип.

Чыныгы түзүлүштө pouch моторлору горизонталдык сызыктуу рельстеги 60 граммдык жүктүн эки жагына туташкан. Моторлордун аба линиялары өзүнчө регуляторлорго барат; pouch басымдары сенсорлор менен, жүктүн позициясы сызыктуу энкодер менен өлчөнөт.

Геометриялык модель кантип түзүлгөн?

Изилдөөчүлөр үйлөтүлгөн pouch болжол менен цилиндр сымал профилге ээ деп кабыл алышат. Pouch беттик материалы созулбайт деп эсептелгендиктен, туруктуу pouch узундугу:

\[ L_0=2R\theta \]

жана үйлөтүлгөн абалдагы октук узундук:

\[ L=2R\sin\theta \]

түрүндө жазылат.

Бул экөөнү бириктиргенде:

\[ L=L_0\frac{\sin\theta}{\theta} \]

алынат. Бул жерде \(L_0\) pouchтун туруктуу бет узундугун, \(L\) үйлөтүлгөн pouchтун октук узундугун, \(R\) геометриялык радиусту жана \(\theta\) борбордук бурчту билдирет.

Кыскаруу эмне үчүн Taylor катарында жөнөкөйлөтүлгөн?

Бир pouch моторунда \(n_L\) даана катар pouch болгондо жалпы кыскаруу:

\[ \delta L=n_LL_0 \left( 1-\frac{\sin\theta}{\theta} \right) \]

болот.

Иш муну экинчи даражадагы Taylor жакындатуусу менен:

\[ \delta L \approx n_LL_0\frac{\theta^2}{6} \]

түрүндө жөнөкөйлөштүргөн.

Изилдөөчүлөр pouchтун үйлөшү практикада 45°тан ашпасын жана ушул бурчта жакындатуунун truncation катасы болжол менен %3 экенин белгилешет.

\(\nu\) оңдоо коэффициенти эмне үчүн керек?

Чыныгы pouch мотору идеал геометриядан четтейт. Термопластикалык материалдын ийкемдүүлүгү, ширетүү сызыгынын калыңдыгы жана эки катмарды бириктирүү ыкмасы үйлөөнү чектеши мүмкүн. Изилдөөчүлөр бул таасирлерди өз-өзүнчө моделдөөнүн ордуна эксперимент аркылуу аныкталган \(\nu\) оңдоо коэффициентин колдонушкан.

Эки pouch үчүн бурчтар:

\[ \theta_1= \sqrt{ \frac{6}{n_LL_0} \left( x_M-x_0-\frac{x}{\nu} \right) } \]

жана:

\[ \theta_2= \sqrt{ \frac{6}{n_LL_0} \left( x_0+\frac{x}{\nu} \right) } \]

түрүндө берилет.

Бул жерде \(x\) кыймылдуу блоктун позициясын, \(x_M\) жалпы кыймыл геометриясына байланыштуу аралыкты, \(x_0\) жарым кыймыл аралыкты жана \(\nu\) эксперименттик оңдоо факторун билдирет.

\(\nu\) эксперимент аркылуу кантип аныкталган?

Ачык контур экспериментинде pouch моторлоруна толуктоочу басым кадамы берилген:

• \(P_1=30\) mbar,
• \(P_2=350\) mbar.

Модель менен эксперименттин ортосундагы RMSE \(\nu=1\) ден 5ке чейин 0,1 кадам менен текшерилип, эң төмөнкү ката:

\[ \nu=3.5 \]

үчүн алынган.

Иштин 2-сүрөтүндө \(\nu=3,5\) колдонулган симуляция ийри сызыгы чыныгы ачык контур жообун \(\nu=2\) абалына салыштырмалуу кыйла жакшы көзөмөлдөгөнү көрүнөт.

Изилдөөчүлөрдүн сезгичтик анализине ылайык, \(\nu\) маанисинин ±%10 өзгөрүшү RMSEни болжол менен %20 жогорулаткан, бирок абсолюттук RMSE дагы эле болжол менен \(5\times10^{-3}\) mm чегинде калган.

Pouch көлөмү кантип моделденет?

Геометриялык көлөм теңдемеси тригонометриялык мүчө үчүн Taylor катарында жөнөкөйлөтүлгөндө:

\[ V(\theta)= \frac{n_LL_0^2}{3} \left( D+\frac{2}{3}d \right)\theta \]

жакындатуусу алынат.

\(D\) жана \(d\) — pouch моторунун кесилиш геометриясынын өлчөмдөрү. Изилдөөчүлөр бул көлөм жакындатуусундагы truncation катасы \(\theta=45^\circ\) үчүн болжол менен %13 экенин билдиришет.

Бул ката өзүнчө оңдоо теңдемеси менен жок кылынбайт; башка моделдөө каталары менен бирге жыйынтык белгисиз бузулуу \(F\) ичинде каралат.

Pouch басымы механикалык күчкө кантип айланат?

Иште колдонулган негизги байланыш:

\[ F_{\mathrm{pouch}} = -P_{\mathrm{pouch}} \frac{\partial V}{\partial x} \]

түрүндө.

Бул теңдеме pouch көлөмүнүн октук позицияга карата өзгөрүшү менен ички басымдын көбөйтүндүсү механикалык күч жаратарын билдирет.

Эки pouch моторунун күчтөрү карама-каршы белгилүү болгондуктан, кыймылдуу жүктөгү таза күч pouch 1 жана pouch 2 басымдары менен учурдагы геометриялык позиция бирге аныктаган антагонисттик айырмадан түзүлөт.

Кыймылдуу жүктүн динамикалык теңдемеси

Моделде 60 граммдык жүк үчүн негизги кыймыл теңдемеси:

\[ M\ddot{x} + c\dot{x} + \frac{\kappa_1P_1} {2\nu \sqrt{x_M-x_0-x/\nu}} - \frac{\kappa_2P_2} {2\nu \sqrt{x_0+x/\nu}} + F =0 \]

түрүндө.

Бул жерде \(M\) кыймылдуу массаны, \(c\) эквиваленттүү басаңдатууну, \(P_1\) жана \(P_2\) pouch басымдарын, \(\kappa_1\) жана \(\kappa_2\) геометриялык коэффициенттерди, ал эми \(F\) моделдөө каталары менен бузулуулардын жалпы таасирин билдирет.

Басым динамикасын кошуу эмне үчүн маанилүү?

Басым регуляторуна белгилүү бир басым буйругун берүү pouch ичиндеги басым ошол замат ошол эле мааниге жетет дегенди билдирбейт. Аба кысылат; түтүктөрдүн, туташтыргычтардын жана pouchтун көлөмү бар, ал эми клапан аркылуу өткөн агым чектелүү.

Ошондуктан иш жалпы басым өзгөрүшүн:

\[ \dot{P} = \Gamma \frac{ \dot{m} - \frac{\partial V}{\partial x}\dot{x} }{V} \]

байланышы менен моделдейт.

Изентропиялык идеал газ божомолунда:

\[ \Gamma=\gamma P_{\mathrm{pouch}} \]

колдонулат. \(\dot{m}\) pouchка кирген же андан чыккан таза аба массалык агымын, \(V\) учурдагы pouch көлөмүн жана \(\gamma\) политроптук индексти билдирет.

Контроллер эмне үчүн басымды түз эмес, агымды эсептейт?

Басым динамикасы эске алынганда механикалык системанын табигый башкаруу киргизүүсү pouchка кирген же андан чыккан аба массалык агымы болуп калат. Бирок эксперименттик түзүлүштөгү SMC регуляторлору түз агым буйругун эмес, максаттуу басым буйругун кабыл алат.

Изилдөөчүлөр бул эки чөйрөнүн ортосундагы өтүүнү ISO 6358 пневматикалык orifis модели менен түзүшкөн. Модель subsonic жана choked агым аймактарын өзүнчө карап, идеал эки атомдуу газ үчүн критикалык басым катышын:

\[ b=0.528 \]

деп колдонот.

Башкаруу мыйзамы талап кылган агымдан upstream регулятор басымына өтүү үчүн orifis модели тескери чечилген.

ISO 6358 модели чыныгы регуляторду толук чагылдырабы?

Жок. Булак модель туруктуу курч кырдуу orifis божомолуна негизделерин жана proportional valve жүрүм-турумун бардык деталдары менен чагылдырбасын ачык белгилейт.

Orifis диаметри \(D_c\) жана узундугу \(L_c\) чыныгы регулятордун ички геометриясы катары так белгилүү эмес. Изилдөөчүлөр бул жагдай эксперименттик басым сигналдарындагы одоно өзгөрүүлөрдүн булактарынын бири болушу мүмкүн деп баалашат.

Системадагы белгисиздиктер кантип көрсөтүлгөн?

Моделде сүрүлүү, параметр каталары, Taylor жакындатуу каталары жана башка моделденбеген таасирлер:

\[ F \]

деп аталган бир жыйынтык бузулуунун ичинде бириктирилген.

Негизги божомол:

\[ |\dot{F}|\leq\epsilon \]

түрүндө.

\(\epsilon\) маанисин башкаруу долбоорунда билүү талап кылынбайт; бирок бузулуунун өзгөрүү ылдамдыгы чектүү болушу керек.

Бул бузулуу божомолу эмнелерди камтыбайт?

Иштин өз түшүндүрмөсүнө ылайык, кескин үзгүлтүктөр бул божомолдун чегине кирбейт. Мисалы:

• байкаларлык deadband,
• stiction,
• капысынан катуу тышкы контакт,
• өтө кескин жана үзгүлтүктүү бузулуулар

азыркы теориялык алкак түздөн-түз камтыган шарттар эмес.

Изилдөөчүлөр deadband пайда болуу ыктымалдыгын азайтуу үчүн эксперименттин башында pouch моторлорун алдын ала үйлөтүшкөн.

Immersion and Invariance байкоочусу эмне кылат?

Жыйынтык бузулуунун чыныгы мааниси өлчөнбөгөндүктөн, контроллер \(F\)ти түз колдоно албайт. Изилдөөчүлөр аны баалоо үчүн I&I негизиндеги сызыктуу эмес байкоочуну иштеп чыгышкан.

Баалоо катасы:

\[ \Delta= \hat{F}+\eta(\dot{x})-F \]

жана жардамчы функция:

\[ \eta(\dot{x})=-M\alpha\dot{x} \]

түрүндө аныкталган.

Бул жердеги \(\alpha\) байкоочунун жакындашуу ылдамдыгы менен ызы-чууга сезгичтигинин ортосундагы негизги жөндөө параметри.

Байкоочу үчүн кандай туруктуулук натыйжасы алынган?

Булактагы Lyapunov анализинин жыйынтыгында баалоо катасы:

\[ |\Delta| \rightarrow \frac{\epsilon}{\alpha} \]

тартибиндеги чектүү аймакка жакындай турганы көрсөтүлөт.

Теориялык жактан чоңураак \(\alpha\) кичирээк ката чегин жана тезирээк жакындашууну бере алат. Бирок чыныгы системада жогорку \(\alpha\) позициядан сандык туунду аркылуу алынган ылдамдык сигналындагы ызы-чууну күчөтөт.

Эмне үчүн экспериментте байкоочунун күчөтүүсү азайтылган?

Симуляцияда:

\[ \alpha=40 \]

колдонулса, физикалык эксперименттерде:

\[ \alpha=10 \]

тандалган.

Изилдөөчүлөр эксперименттик системада \(\alpha>10\) болгондо ылдамдык баалоосундагы жогорку жыштыктагы ызы-чуу актуатордун кечигүүсү менен өз ара аракеттенип, туруктуу термелүүлөрдү пайда кылганын байкашкан.

Ошондуктан \(\alpha=10\) каралган жабдык үчүн практикалык колдонууга мүмкүн болгон эң жогорку байкоочу күчөтүүсү катары тандалган.

Ичке салынган жылыш өзгөрмөсү эмне үчүн колдонулат?

Басым динамикасы кошулганда аба агымы механикалык жүктүн ылдамдануу теңдемесине түз кирбейт. Ошондуктан классикалык бир катмарлуу sliding-variable ыкмасы жетишсиз.

Адегенде позиция катасы:

\[ e=x_d-x \]

деп аныкталат.

Биринчи жылыш өзгөрмөсү:

\[ \zeta=\dot{e}+K_1e \]

жана экинчи, ичке салынган өзгөрмө:

\[ \tau=\dot{\zeta}+K_2\zeta \]

деп түзүлөт.

Контроллердин максаты адегенде \(\tau\)ны, андан кийин \(\zeta\)ны жана акырында позиция катасы \(e\)ни нөлгө же убакыт боюнча өзгөргөн бузулуу шартында кичинекей чектелген аймакка жакындатуу.

Антагонисттик ашыкча актуаторлуулук кантип чечилет?

Эки pouch мотору бир эле сызыктуу кыймылды карама-каршы күчтөр менен жасай алгандыктан, система актуатордук жактан redundant түзүлүшкө ээ.

Толук модель контроллеринде изилдөөчүлөр аба агымдарына:

\[ \dot{m}_1+\dot{m}_2=0 \]

чектөөсүн коюшат.

Ошентип, бир мотор аба алганда экинчи мотор ага ылайык аба чыгарып, антагонисттик жүрүм-турум сакталат.

Толук модель контроллеринин теориялык көзөмөл чеги

Убакыт боюнча өзгөргөн бузулууларда көзөмөл катасынын акыркы чеги булакта:

\[ \rho' = \frac{\epsilon}{K_1K_2} \sqrt{ \frac{2}{K_1} \left( \frac{1}{2K_2M^2} + \frac{K_i}{2\alpha} \right) } \]

түрүндө берилген.

Туруктуулук үчүн \(K_2>K_1\) шартынан тышкары, \(\alpha\) үчүн булакта чыгарылган төмөнкү чек аткарылышы керек.

Бузулуу туруктуу болгондо, башкача айтканда:

\[ \dot{F}=0 \]

болгондо изилдөөчүлөр эталон кыймыл экспоненциалдык түрдө стабилдештирилерин көрсөтүшөт.

Басым динамикасын эске албаган контроллер эмнеси менен айырмаланат?

Жөнөкөйлөтүлгөн моделде pouch ичиндеги басымдын убакыт боюнча өнүгүшү өзүнчө абал катары каралбайт. Регуляторго берилген басым түздөн-түз башкаруу киргизүүсү катары кабыл алынат.

Антагонисттик басымдар:

\[ P_2=2P_0+\beta-P_1 \]

байланышы аркылуу бири-бирине туташтырылат.

Ошентип, эки pouch басымынын суммасы болжол менен туруктуу кармалып, системанын катуулугун негизинен сактоо максат кылынат.

Жөнөкөйлөтүлгөн контроллердин артыкчылыгы эмнеде?

Жөнөкөйлөтүлгөн контроллер аз моделдик маалымат талап кылат жана толук контроллерден айырмаланып, эталон траекториянын jerk маанисине, башкача айтканда:

\[ \dddot{x}_d \]

муктаж эмес.

Изилдөөчүлөр ошондуктан капыстан позиция өзгөрүүлөрү талап кылынган же басым динамикасын жетишерлик кичине деп эсептөөгө боло турган колдонмолордо жөнөкөйлөтүлгөн ыкма практикалык альтернатива болушу мүмкүн экенин белгилешет.

Жөнөкөйлөтүүнүн баасы эмнеде?

Басым динамикасы башкаруу моделинен алынып салынганда анын таасири иш жүзүндө моделденбеген бузулууга өткөрүлөт. Натыйжада:

• байкоочу баалашы керек болгон жыйынтык бузулуу чоңоюшу мүмкүн,
• агрессивдүү күчөтүү коэффициенттери басым системасынын моделденбеген динамикасын козгой алат,
• басым сигналдарында көбүрөөк термелүү пайда болушу мүмкүн.

Эксперименттик 6–8-сүрөттөр бул түшүндүрмөгө шайкеш келип, толук модель контроллеринде жайыраак өзгөргөн бузулуу баалоосун жана айрым шарттарда жылмакайыраак басым профилин көрсөтөт.

Симуляция моделинде кандай параметрлер колдонулган?

Симуляцияда бузулуу кантип аныкталган?

Белгисиз тышкы бузулуу:

\[ F= 0.2\log\left[0.1(1+t)\right]\ \mathrm{N} \]

түрүндө берилген.

Өзгөрүү ылдамдыгы:

\[ \dot{F}= \frac{0.2}{1+t} \leq0.2 \]

болгондуктан, башкаруу теориясындагы чектелген-бузулуу-туундусу божомолун канааттандырат.

%10 параметр белгисиздиги тести эмнени көрсөттү?

Изилдөөчүлөр \(c\), \(M\), \(\kappa_1\) жана \(\kappa_2\) параметрлерин симуляцияда ар бир убакыт кадамында номиналдык маанилеринин %90 жана %110 аралыгында өзгөртүп, контроллерге номиналдык маанилерди беришкен.

Бул эксперимент физикалык жүктүн өзгөрүшү эмес, байкоочу менен контроллерлердин тез өзгөргөн моделдик дал келбөөгө реакциясын көрүү үчүн түзүлгөн сандык robustness тести.

Эки контроллер тең акырында эталонду көзөмөлдөгөн; бирок толук модель контроллеринин баштапкы четтөөсү кичирээк болуп, 0,1 mm эталон диапазонуна жөнөкөйлөтүлгөн контроллерден болжол менен 0,1 секунд эрте жеткени билдирилген.

Параметр белгисиздиги жыйынтык бузулуу чоңдугун болжол менен 2 N көбөйтүп, pouch басымдарын чек маанилерге жакындаткан. Жөнөкөйлөтүлгөн контроллерде \(P_2\)нин төмөнкү басым чекке жетиши pouchтун бошошуна алып келиши мүмкүн болгон жагдай катары талкууланган.

Физикалык эксперименттик система кандай жабдууларды колдонгон?

Эксперименттерде басым чектери эмне үчүн колдонулган?

Pouch моторлорунун бузулушун алдын алуу үчүн:

\[ P_{\max}=400\ \text{mbar} \]

жогорку чек колдонулган.

Моторлор жетишсиз басымдан бошоп калбашы үчүн:

\[ P_{\min}=30\ \text{mbar} \]

төмөнкү чек коюлган.

Ар бир эксперименттин башында \(P_1=P_2=150\) mbar абалында орто позиция калибрленген.

Контроллердин күчөтүү коэффициенттери

Күчөтүү коэффициенттери кантип тандалган?

Модель негизиндеги контроллерлердин күчөтүүлөрү толук автоматтык оптималдаштыруу менен табылган эмес. Изилдөөчүлөр \(K_1\) жана \(K_2\)ни теориялык туруктуулук шарттарын сактоо менен көбөйтүп, максималдуу жылышка карата overshoot %10дон ашканга чейин жөндөшкөн.

\(\alpha\) болсо байкоочу баалоосунда туруктуу термелүү пайда болгонго чейин көбөйтүлгөн.

PID параметрлери кубдук көзөмөл тестинде модель негизиндеги контроллерлердин rise time маанисине жакындап, overshootту азайта тургандай тандалган.

Демек, натыйжалар ушул конкреттүү tuning процедурасына тиешелүү; бардык мүмкүн болгон PID же модель негизиндеги башкаруу жөндөөлөрүнүн глобалдык оптимал салыштыруусу эмес.

Эксперименттерде кандай эталондор колдонулган?

Эки типтеги эталон колдонулган:

• жылмакайланган кубдук өтүүлөрдү камтыган ±1 mm позиция профили,
• 0,05 Hz синусоидалдык позиция профили.

Кубдук профиль өтүү аймактарында биринчи туунду акыркы чекиттерде нөл болсун деп тандалган. Бул өзгөчөлүк толук модель контроллерине керек болгон жогорку тартиптеги эталон туундуларынын жылмакай болушун камсыздайт.

Ар бир эксперимент канча жолу кайталанган?

4-таблицадагы максималдуу ката, MAE жана RMSE маанилери ар бир контроллер жана траектория үчүн беш эксперименттин орточо мааниси жана стандарттык четтөөсү болуп саналат.

Каталар позиция энкодеринин 0,01 mm чечилишине чейин тегеректелген.

Синусоидалдык эксперименттин натыйжалары

Синусоидалдык тапшырмада толук жана жөнөкөйлөтүлгөн модель негизиндеги контроллерлердин MAE маанилери бирдей. Толук модель контроллери төмөнүрөөк RMSE берген, бирок максималдуу ката боюнча жөнөкөйлөтүлгөн контроллер төмөнүрөөк маанини көрсөткөн.

Кубдук эксперименттин натыйжалары

Кубдук тапшырма басым динамикасын моделге кошуунун таасири эң ачык көрүнгөн эксперимент. Изилдөөчүлөр толук модель контроллери жөнөкөйлөтүлгөн контроллерге салыштырмалуу RMSEде %33,3 жана MAEде %20 жакшыртуу бергенин билдиришет.

“%33,3 такыраак” дегенди кантип түшүнүү керек?

Бул көрсөткүч бардык ката өлчөмдөрүнө колдонулбашы керек. Булактагы %33,3 жакшыртуу:

\[ 0,06\ \mathrm{mm} \rightarrow 0,04\ \mathrm{mm} \]

кубдук траекториянын RMSE өзгөрүшүнө тиешелүү.

Ошол эле эксперименттеги максималдуу ката:

\[ 0,21\ \mathrm{mm} \rightarrow 0,22\ \mathrm{mm} \]

түрүндө; башкача айтканда, максималдуу бир жолку ката жаңы контроллерде бир аз жогору болгон.

Ошондуктан иштин күчтүү натыйжасы — толук модель контроллери жалпы ката бөлүштүрүүсү боюнча жакшыраак RMSE/MAE көрсөткөнү; ар бир убакытта жана ар бир ката өлчөмүндө кичирээк маанини бергендиги көрсөтүлгөн эмес.

Басым профилдери эмнени көрсөттү?

6 жана 7-сүрөттөрдө модель негизиндеги контроллерлер жалпысынан PIDге караганда бир аз жогору pouch басымын колдонгону көрүнөт. Изилдөөчүлөр муну кичирээк теориялык көзөмөл ката чектери үчүн зарыл болгон жогорку башкаруу күчөтүүлөрү менен байланыштырышат.

Булакка ылайык, контроллерлердин ортосундагы басым айырмасы каалаган учурда 50 mbarдан төмөн.

Pouch мотор 2нин басым профилинде жогору чокулар жана ылдамыраак өзгөрүүлөр байкалган. Авторлор муну кичине аба агып кетүүсүнөн улам регулятор көбүрөөк толтурууга мажбур болушу мүмкүн деп түшүндүрүшөт.

Бузулуу байкоочусу экспериментте кандай иштеди?

8-сүрөт толук жана жөнөкөйлөтүлгөн модель контроллерлери үчүн байкоочу баалаган жыйынтык бузулууну көрсөтөт.

Толук модель контроллеринде бааланган бузулуу төмөн амплитудалуу жана жайыраак өзгөрөт, ал эми жөнөкөйлөтүлгөн башкарууда чоңураак чокулар жана өзгөрүүлөр көрүнөт.

Изилдөөчүлөр муну басым динамикасы жөнөкөйлөтүлгөн моделден чыгарылганда бул динамика байкоочу тарабынан “белгисиз бузулуу” катары компенсацияланышы керектиги менен түшүндүрүшөт.

Басым динамикасын моделге киргизүүнүн негизги инженердик мааниси

Иштин эксперименттери модель татаалыраак болгону үчүн эле жакшыраак натыйжа чыкты дегенди көрсөтүүнү максат кылбайт. Негизги механизм төмөнкүдөй:

Регулятор буйругу → аба агымы → pouch басымы → pouch көлөмү жана геометриясы → механикалык күч → жүктүн позициясы.

Бул чынжырдын ортосундагы басымдын түзүлүшү эске алынбаса, контроллер механикалык системанын буйрукка реалдуу жообундагы кечигүү жана агым таасирлерин жыйынтык ката катары көрүүгө аргасыз болот. Бул иш учурдагы прототипте ушул аралык динамиканы ачык моделдөө көзөмөл RMSEсин азайта аларын көрсөтөт.

Иш колдогон жыйынтыктар

• Эки пневматикалык pouch мотору физикалык антагонисттик жуп катары так эки багыттуу сызыктуу позиция көзөмөлү үчүн колдонулушу мүмкүн болгон.
• Pouch геометриясы, механикалык жүк жана кысылуучу абанын басым динамикасын бириктирген аналитикалык модель эксперименттик системанын башкаруу долбоорунда колдонулушу мүмкүн болгон.
• I&I негизиндеги сызыктуу эмес байкоочу жыйынтык модель белгисиздигин жана бузулууну башкаруу ичинде компенсациялай алган.
• Ичке салынган жылыш өзгөрмөлүү толук модель контроллери үчүн убакыт боюнча өзгөргөн бузулуу шартында акыркы чектелгендик жана туруктуу бузулуу шартында экспоненциалдык жакындашуу шарттары аналитикалык түрдө чыгарылган.
• Басым динамикасын эске албаган жөнөкөйлөтүлгөн модель негизиндеги контроллер да эксперименттерде PIDге салыштырмалуу төмөн жалпы көзөмөл каталарын берген.
• Толук модель контроллери кубдук экспериментте жөнөкөйлөтүлгөн контроллерге салыштырмалуу RMSEни %33,3 жана MAEни %20 азайткан.
• Толук модель контроллери эки эксперименттик профилде тең PIDге караганда төмөн MAE жана RMSE берген.
• Басым динамикасынын моделге кошулушу эксперименттерде жылмакайыраак басым жүрүм-туруму жана кичирээк байкоочу бузулуу баалоосу менен байланышкан.
• Система жылмакайланган болжол менен 2 mm позиция өзгөрүшүн эки секунддан аз убакытта көзөмөлдөй алган.

Иш көрсөтпөгөн жыйынтыктар

• Жаңы контроллер бардык жумшак пневматикалык актуаторлордо %33,3 такыраак экени көрсөтүлгөн эмес.
• %33,3 мааниси бардык ката көрсөткүчтөрү жакшырганын билдирбейт.
• Жаңы контроллер эксперименттерде ар дайым эң төмөн максималдуу көз ирмемдик катаны берген эмес.
• Иш көп эркиндик даражалуу жумшак роботто эксперимент жүргүзгөн эмес.
• Роботтук хирургия тапшырмасы же клиникалык колдонмо аткарылган эмес.
• Адам же жаныбарда эксперимент жүргүзүлгөн эмес.
• Өзгөрмө payload массалары физикалык экспериментте системалуу түрдө текшерилген эмес.
• Сырттан берилген кескин сокку/контакт бузулууларына каршы эксперименттик robustness көрсөтүлгөн эмес.
• State-dependent leakage же pressure-dependent белгисиздиктер өзүнчө динамикалык моделдер катары байкоочуга киргизилген эмес.
• Deadband жана stiction азыркы бузулуу божомолунун алкагында башкаруу теориясы менен камтылбайт.
• ISO 6358 orifis ыкмасы чыныгы санарип регулятордун ички агымын толук чагылдырары көрсөтүлгөн эмес.
• Өтө жогорку контроллер күчөтүүлөрү үчүн дискреттик-убакыт туруктуулук чектери чыгарылган эмес.
• Узак мөөнөттүү pouch мотор өмүрү же жогорку басымдын материалдык туруктуулукка таасири изилденген эмес.

Иштин ыкмасы жана натыйжалары

Моделден чыныгы актуатордук аракетке чейинки башкаруу чынжыры

Эксперименттик башкаруу салыштыруусу

4-таблицанын негизги илимий билдирүүсү

Эксперименттик натыйжалар үч өзүнчө жагдайды бирге көрсөтөт.

1. Эки модель негизиндеги башкаруу ыкмасы тең MAE жана RMSE боюнча PID базалык деңгээлине салыштырмалуу төмөн көзөмөл катасын берген.
2. Басым динамикасын камтыган толук модель, айрыкча кубдук траекторияда, жөнөкөйлөтүлгөн моделге караганда төмөн MAE жана RMSE камсыз кылган.
3. Максималдуу бир жолку ката боюнча тартип MAE/RMSE тартиби менен бирдей эмес; толук модель контроллери максималдуу ката боюнча жөнөкөйлөтүлгөн контроллерден жакшы болгон эмес.

Ошондуктан басым динамикасын кошуунун эксперименттик артыкчылыгы “ар бир ката маанисин азайтты” деп эмес, жалпы көзөмөл ката бөлүштүрүүсүн жана өзгөчө RMSEни жакшыртты деп айтылышы керек.

Симуляция жана эксперимент далилдерин бөлүү

Изилдөөнүн күчтүү жактары

• Башкаруу симуляциясын гана эмес, чыныгы жумшак пневматикалык актуатор эксперименттерин да камтыйт.
• Басым динамикасынын моделде болушунун таасирин түздөн-түз жөнөкөйлөтүлгөн модель менен салыштырат.
• Модель негизиндеги ыкмаларга каршы практикалык PID базалык деңгээлин колдонот.
• Белгисиз бузулуулар үчүн сызыктуу эмес байкоочуну камтыйт.
• Контроллер жана байкоочунун туруктуулук касиеттерин Lyapunov анализи менен карайт.
• Эксперименттик натыйжаларды бир эле сыноо менен эмес, беш кайталоонун орточо мааниси жана стандарттык четтөөсү аркылуу билдирет.
• Модель параметри \(\nu\) үчүн ачык контур эксперименттик калибрлөө жана сезгичтик анализин жүргүзөт.
• Чыныгы жабдыктын басым чектерин жана үлгү алуу жыштыгын ачык көрсөтөт.
• Моделди жөнөкөйлөтүү кайсы шарттарда дагы деле артыкчылыктуу болушу мүмкүн экенин талкуулайт.

Негизги чектөөлөр

• Эксперименттик система бир эркиндик даражалуу сызыктуу механизм.
• Жүк негизинен учурдагы прототиптин 60 g шартында гана кеңири берилген.
• Orifis геометриясы чыныгы proportional regulator ички түзүлүшүн толук чагылдырбайт.
• Orifis диаметри жана эффективдүү узундугунун так мааниси белгисиз жана агым багытына жараша өзгөрүшү мүмкүн.
• Эксперименттик басым сигналдарындагы мүмкүн болгон leakage таасири өзүнчө параметр катары моделденген эмес.
• State-dependent бузулуулар байкоочу долбоорунда өзүнчө ажыратылган эмес.
• Тышкы жүк өзгөрүүлөрү жана сырттан берилген бузулуулар физикалык экспериментте системалуу robustness тести катары колдонулган эмес.
• Deadband, stiction жана кескин контакт азыркы бузулуу божомолунун чегинен тышкары.
• Ылдамдык позиция өлчөөсүнүн дискреттик туундусу менен алынгандыктан, жогорку байкоочу күчөтүүлөрүндө ызы-чуу көйгөйү пайда болгон.
• Үзгүлтүксүз-убакыт туруктуулук анализи өтө жогорку күчөтүү менен дискреттик-санарип ишке ашыруунун бардык чектерин аныктабайт.
• Толук модель контроллери jerk маалыматын талап кылат.
• Иш көп-DoF жумшак манипулятордо жүргүзүлгөн эмес.
• Хирургиялык же биомедициналык колдонмо түздөн-түз текшерилген эмес.

Булак жана ыкма жөнүндө эскертүү

Иштин толук түп нуска аталышы: Model-Based Control of Antagonistic Pair of Pneumatically Actuated Pouch Motors

Авторлор: Syed Arshad Hussain жана Enrico Franco.

Жооптуу автор: Syed Arshad Hussain.

Тең салым/тең биринчи авторлук: Булакта тең салым же тең биринчи авторлук жөнүндө билдирүү жок.

Мекеме: Mechanical Engineering Department, Imperial College London, Exhibition Road, London SW7 2AZ, United Kingdom.

Журнал: Actuators.

Басмакана: MDPI, Basel, Switzerland.

Библиографиялык маалымат: Actuators 2026, 15(6), 332.

DOI:10.3390/act15060332

Расмий жарыя шилтемеси:MDPI – Actuators 15(6), 332

Жарыяланган күнү: 11-июнь 2026. Иш 23-апрель 2026да кабыл алынган, 5-июнь 2026да кайра каралып, 9-июнь 2026да кабыл алынган.

Булак түрү жана рецензия абалы: Actuators журналында жарыяланган рецензияланган изилдөө макаласы. Иш аналитикалык сызыктуу эмес башкаруу долбоорун, MATLAB симуляциясын жана физикалык прототип эксперименттерин бириктирет.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Академиялык редактор: Zhuming Bi.

Каржылоо: Авторлор изилдөө тышкы каржылоо албаганын билдиришкен.

Этика комитети: Колдонулбайт.

Маалымдалган макулдук: Колдонулбайт.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Авторлор маалыматтарды негиздүү суроо-талап боюнча алардан алууга болорун билдиришкен.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.

Ыраазычылык: Авторлор эксперименттерде колдонулган pouch моторлорун бергендиги үчүн Imperial College London Hamlyn Centre борборунан Mark Runcimanга ыраазычылык билдиришет.

Авторлордун салымы: Концептуалдаштыруу жана изилдөө Syed Arshad Hussain жана Enrico Franco; методология жана анализ эки автор; программалык камсыздоо жана алгачкы жазуу Syed Arshad Hussain; кароо жана жетекчилик Enrico Franco тарабынан аткарылган.

Эксперименттин көлөмү: Физикалык эксперименттик түзүлүш эки антагонисттик pouch моторунун сызыктуу рельстеги 60 g жүктү кыймылдатуусунан турат. Башкаруу цикли 100 Hz жыштыкта иштетилип, ар бир эксперименттик ката натыйжасы беш кайталоо боюнча берилген.

Модель божомолу: Иш идеал газ жана изентропиялык кысуу/кеңейүү божомолун колдонот. Үйлөтүлгөн pouch болжол менен цилиндр формасын алат деп кабыл алынат жана идеал геометриядан четтөөлөрдүн бир бөлүгү эксперименттик \(\nu=3,5\) оңдоо коэффициенти менен компенсацияланат.

Геометриялык жакындатуу чеги: Булакта pouch кыскаруу теңдемесиндеги Taylor жакындатуусунун 45°та болжол менен %3, ал эми көлөм теңдемесиндеги жөнөкөйлөтүүнүн болжол менен %13 truncation катасы бар экени айтылат. Көлөм жакындатуу катасы жыйынтык белгисиз бузулуу \(F\) ичинде каралган.

Бузулуу божомолу: Башкаруу теориясы белгисиз жыйынтык бузулуунун өзгөрүү ылдамдыгы чектелүү болушун, \(|\dot F|\leq\epsilon\), талап кылат. Булак deadband, stiction жана кескин тышкы контакт сыяктуу үзгүлтүктүү жүрүм-турум бул божомол менен камтылбасын ачык белгилейт.

Регулятор моделинин чеги: ISO 6358 туруктуу orifis модели proportional digital regulator жүрүм-турумунун өкүлдүк жакындатуусу. Эффективдүү orifis диаметри жана узундугу так белгилүү эмес жана агым багытына жараша өзгөрүшү мүмкүн.

Байкоочу чеги: Чоңураак \(\alpha\) теориялык жактан тезирээк бузулуу баалоосун бергени менен, эксперименттерде ылдамдык позиция сигналынан дискреттик туунду аркылуу эсептелгендиктен ызы-чуу күчөйт. Учурдагы жабдыкта \(\alpha>10\) туруктуу термелүүлөр менен байланышкандыктан, эксперименттерде \(\alpha=10\) тандалган.

Контроллер салыштыруу чеги: PID жана модель негизиндеги контроллерлер белгилүү эвристикалык tuning процедуралары менен жөндөлгөн. Иш бардык мүмкүн болгон gain топтомдорунда глобалдык controller optimization жүргүзбөйт.

%33,3 натыйжасы үчүн чектөө эскертүүсү: Булакта айтылган %33,3 тактык жакшыртуусу кубдук экспериментте толук модель контроллеринин RMSE маанисинин 0,06 mmден 0,04 mmге түшүшүнө негизделет. Максималдуу ката синусоидалдык жана кубдук тесттердин экөөндө тең жөнөкөйлөтүлгөн модель контроллеринде бир аз төмөн. Ошондуктан бул көрсөткүч бардык ката метрикалары же бардык тапшырмалар %33,3 жакшырды дегенди билдирбейт.

RMSE тегеректөө эскертүүсү: 4-таблицада синусоидалдык толук-модель RMSE мааниси энкодердин чечилишине тегеректелип 0,05 mm деп берилген; натыйжалар бөлүмү болсо эки эксперименттик профиль үчүн RMS каталары 0,05 mmден төмөн экенин айтат. Тегеректелбеген маанилер булакта берилбегендиктен, Verianla мазмунунда так сандык салыштыруу үчүн 4-таблицадагы маанилер негиз катары алынган.

Басым колдонуу чеги: Модель негизиндеги контроллерлер эксперименттерде PIDге караганда жалпысынан бир аз жогору pouch басымдарын колдонушкан. Авторлор муну pouch өмүрү жана хирургиялык коопсуздук талаптары үчүн теориялык жактан каалабаган көрүнүш болушу мүмкүн деп белгилешет, бирок учурдагы системада контроллерлердин ортосундагы басым айырмасы 50 mbarдан аз экенин билдиришет.

Чыныгы дүйнөдөгү колдонуу чеги: Изилдөө чыныгы физикалык pouch мотор прототипинде тастыкталган; бирок хирургиялык роботто, адамда, жаныбарда, клиникалык процедурада же көп эркиндик даражалуу жумшак манипулятордо эксперимент жүргүзүлгөн эмес.

Келечектеги иштер: Авторлор моделди көп эркиндик даражалуу түзүлүштөргө кеңейтүүнү, дискреттик-убакыт башкаруу долбоорун изилдөөнү жана state-dependent бузулуулар менен leakage таасирлерин эске ала турган кеңейтилген байкоочуларды иштеп чыгууну сунушташат.

Бул Verianla мазмунундагы механикалык модель, башкаруу теңдемелери, эксперименттик шарттар, ката маанилери жана илимий жыйынтыктар каралган ишке гана негизделет. Тышкы текшерүү расмий библиографиялык жарыянын идентификациясын текшерүү үчүн гана колдонулган; сырттан жаңы эксперименттик же башкаруу натыйжалары кошулган эмес.