Utafiti huu unachunguza kwa majaribio jinsi nguvu ya mvutano ya isometriki ya vitekelezi vya nyumatiki vilivyosukwa (Braided Pneumatic Actuator, BPA), vinavyotumika katika robotiki kama misuli bandia, inavyobadilika kulingana na shinikizo, kiwango cha kusinyaa na hasa urefu wa awali wa kupumzika wa kitekelezi. Watafiti walipima misuli ya nyumatiki ya Festo yenye kipenyo kisichopulizwa cha 10 mm na 20 mm katika kifaa maalumu cha majaribio chini ya masharti tofauti ya urefu, shinikizo la ndani na kusinyaa; kwa kutumia jumla ya data 537 za nguvu waliunda modeli mpya ya nguvu yenye idadi ndogo ya vihesabio. Ugunduzi mkuu ni kwamba nguvu ya juu zaidi ya isometriki ya BPA haitegemei tu kipenyo na shinikizo bali pia inategemea kwa nguvu urefu wa kupumzika, na kwamba katika vitekelezi vifupi zana ya mtengenezaji inaweza kukadiria nguvu kwa kiwango kikubwa kuliko ilivyo. Modeli imethibitishwa tu kwa BPA za Festo za 10 mm na 20 mm zilizojaribiwa na ndani ya safu ya shinikizo/urefu iliyochunguzwa; mtiririko wa hewa wa kidinamiki, histeresi, kuzeeka kwa muda mrefu na utendaji juu ya 620 kPa havijathibitishwa kwa upana kwa majaribio.

Vitekelezi vya nyumatiki vilivyosukwa ni vitekelezi vinavyonyumbulika ambavyo hupanuuka kwa mwelekeo wa radius na kufupika kwa mwelekeo wa mhimili vinapopewa shinikizo. Kwa sababu ya uzito mdogo, uwiano mkubwa wa nguvu kwa uzito na utii wa asili wa kimitambo, vinaweza kutumika kama vipengele vya kuvuta vinavyofanana na misuli katika roboti za biomimetiki. Hata hivyo nguvu vinavyozalisha si ya mstari; shinikizo la ndani, urefu wa sasa, uwiano wa kusinyaa, jiometri ya usuko na ukubwa wa awali wa kitekelezi kwa pamoja huamua pato la nguvu.

Mojawapo ya ubunifu muhimu wa utafiti ni kumodeli moja kwa moja utegemezi wa nguvu ya juu zaidi kwa urefu wa kupumzika. Chini ya shinikizo la 620 kPa, katika BPA zote zenye kipenyo cha 10 mm na 20 mm, ilionekana kuwa kadiri kitekelezi kinavyokuwa kifupi nguvu ya juu zaidi ya majaribio hupungua. Mwelekeo huu ni kinyume na tabia ya zana iliyopo ya utabiri ya Festo katika urefu mfupi: wakati zana ya mtengenezaji inatabiri kuwa nguvu huongezeka katika BPA fupi, matokeo ya majaribio yanaonyesha kuwa nguvu hupungua.

Katika hatua ya pili watafiti walifanya nguvu, shinikizo na kusinyaa kuwa visivyo na kipimo kwa kuvigawanya kwa thamani zao za marejeo. Kwa kutumia nguvu iliyosanifishwa \(F^*\), kusinyaa kulikosawazishwa \(\epsilon^*\) na shinikizo lililosanifishwa \(P^*\), walitengeneza modeli yenye vihesabio vitatu tu. Modeli ya BPA ya 10 mm ilifikia \(R^2=0{,}9994\) iliyorekebishwa katika data ya uthibitishaji, na modeli ya BPA ya 20 mm ilifikia \(R^2=0{,}9943\). Hata hivyo, thamani kubwa za \(R^2\) hazimaanishi usahihi wa ulimwengu wote kwa aina zote za BPA na muda wote wa matumizi.

Kwa mtazamo wa Uturuki, kazi hii inaweza kuwa na thamani ya moja kwa moja ya kihandisi kwa vikundi vya utafiti vinavyotengeneza roboti za biomimetiki, mifumo ya robotiki laini, mikono ya roboti au mifumo inayofanana na mfumo wa misuli na mifupa inayotumia misuli bandia ya nyumatiki. Hasa katika roboti kompakt ambako BPA fupi lazima itumike, kutegemea tu nguvu ya katalogi badala ya kuainisha pamoja urefu halisi wa kupumzika, kusinyaa huru kwa juu zaidi na shinikizo la kazi kunaweza kupunguza makosa ya usanifu. Hata hivyo vihesabio katika makala havipaswi kuhamishiwa kwa misuli ya nyumatiki ya wazalishaji wengine au kwa jiometri tofauti za nyenzo/usuko bila uthibitishaji wa majaribio.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Mojawapo ya matatizo makuu yanayofanya matumizi ya vitekelezi vya nyumatiki vilivyosukwa katika robotiki kuwa magumu ni kwamba nguvu vinayozalisha haiamuliwi na kigezo kimoja rahisi. BPA mbili zenye kipenyo sawa, ikiwa zina urefu tofauti wa kupumzika, mipaka tofauti ya kusinyaa au uvumilivu tofauti wa uzalishaji, zinaweza kutoa nguvu tofauti chini ya shinikizo sawa.

Sehemu kubwa ya modeli za awali inaweza kuonyesha usahihi mkubwa kwa urefu fulani wa BPA, lakini modeli ile ile inapowekwa kwa urefu mwingine wa kupumzika kosa linaweza kuongezeka. Kwa sababu hiyo watafiti walilenga kuingiza katika modeli si tu uhusiano wa shinikizo–kusinyaa bali pia athari ya urefu wa awali kwa nguvu ya juu zaidi.

Nguvu ya isometriki ina maana gani?

Katika utafiti huu nguvu ya isometriki ni nguvu ya mvutano ya mhimili inayotokea BPA inapopewa shinikizo huku urefu wake ukiwekwa thabiti na kifaa cha majaribio. Kwa kuwa kitekelezi hakifupiki kwa uhuru, mwelekeo wa kusinyaa unaozalishwa hupimwa kama nguvu kupitia seli ya mzigo.

Tofauti hii ni muhimu; utafiti haumodeli nguvu inayotokea wakati wa mwendo wa kidinamiki wa kasi kubwa, bali tabia ya nguvu ya tuli au nusu-tuli katika masharti maalumu ya urefu na shinikizo.

Urefu wa kupumzika na kusinyaa vinafafanuliwa vipi?

Urefu wa awali usiopulizwa wa BPA huonyeshwa kwa \(l_{\mathrm{rest}}\). Katika utafiti, urefu huu ulipimwa kama umbali kati ya nyuso za ndani za vibano vya bomba.

Uwiano wa kusinyaa wa kitekelezi hufafanuliwa kama:

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

Hapa \(l\) ni urefu wa sasa wa BPA.

Kwa kusinyaa kwa juu zaidi kwa marejeo, kitekelezi kilifikishwa kwenye shinikizo la 620 kPa bila mzigo wa nje na urefu katika hali hiyo \(l_{620}\) ukapimwa:

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

Kusinyaa kulikosawazishwa hufafanuliwa kama:

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

Kifaa cha majaribio kilijengwaje?

Watafiti walitumia profaili za alumini zilizosukumwa za mfululizo wa 80/20 1515 na sehemu zilizochapishwa kwa 3D kuunda kifaa wima cha kupimia BPA. Vitekelezi viliunganishwa kimoja kimoja kwa wima kwenye kifaa na ncha zake za juu zikafungwa kwenye seli ya mzigo.

Kwa BPA zenye kipenyo cha 10 mm, seli ya mzigo ya aina ya S ya CALT DYLY-103 100 kg ilitumika kupima nguvu; kwa BPA zenye kipenyo cha 20 mm ilitumika Loadstar RAS1-2HKS-S. Seli za mzigo zilisomwa kupitia amplifier ya HX711.

Shinikizo lilipimwa kwa sensa ya Freescale MPX5700 GP 5 V; laini ya hewa iliyobanwa ya jengo ilirekebishwa kwa vidhibiti viwili mfululizo, Parker 20R113GC na Husky HDA72200. Mtiririko wa hewa ulipelekwa kwenye BPA kupitia manifold ya vali ya Festo VTUG.

Data za nguvu na shinikizo zilitumwa kwa Matlab 2021b kupitia mikrokontroller ya Sparkfun BlackBoard C. Katika vipimo, kompyuta zilizoendesha Windows 10 au Windows 11 zilitumika.

Katika Kielelezo 1 kinachoonyesha kifaa cha majaribio cha utafiti, fremu ya majaribio, seli ya mzigo, urefu uliopimwa wa BPA, vifuniko vya ncha, vibano vya bomba, usambazaji wa hewa na laini ya hewa iliyotengwa kwa sensa ya shinikizo vinaonyeshwa kimoja kimoja. Kwa hiyo kifaa cha uainishaji wa isometriki kilijengwa ambacho hupima nguvu moja kwa moja katika mhimili wa kitekelezi.

Ni vipimo gani vya BPA vilijaribiwa?

Katika utafiti, vipenyo viwili vya vitekelezi visivyopulizwa vilitathminiwa:

• 10 mm Festo BPA,
• 20 mm Festo BPA.

Sehemu ya mbinu inaeleza kuwa kwa BPA za 10 mm zilitumika urefu wa kupumzika wa \(l_{\mathrm{rest}}=112–518\) mm, na kwa BPA za 20 mm zilitumika urefu wa kupumzika wa \(l_{\mathrm{rest}}=300–509\) mm.

Dokezo la upeo ndani ya chanzo: katika sehemu ya mjadala pia kuna kipimo cha nguvu halisi kwa BPA yenye kipenyo cha 10 mm na \(l_{\mathrm{rest}}=54\) mm. Thamani hii iko nje ya safu ya 112–518 mm iliyofafanuliwa katika sehemu ya mbinu. Chanzo hakielezi ikiwa mfano wa 54 mm ni sehemu ya mfululizo mkuu wa majaribio au kipimo tofauti/cha ziada.

Kwa nini 620 kPa ilitumika kama marejeo?

Katika utafiti:

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

ulichaguliwa kama shinikizo la marejeo. Thamani hii ni shinikizo la juu zaidi la mfumo wa usambazaji hewa uliotumiwa na watafiti, na hufanya kazi kama marejeo ya pamoja katika kusanifisha nguvu, shinikizo na thamani za kusinyaa kwa juu zaidi.

Watafiti wanasisitiza kuwa 620 kPa si thabiti ya lazima ya kimwili ya modeli. Lengo la kufanya vipimo visiwe na kipimo ni kurahisisha uboreshaji na kupunguza unyeti wa kiwango katika neno la shinikizo.

Nguvu ya juu zaidi hubadilikaje na urefu wa kupumzika?

Matokeo muhimu zaidi ya majaribio ya utafiti ni kwamba nguvu ya juu zaidi katika 620 kPa inategemea urefu wa kupumzika. Katika Kielelezo 2, kwa BPA za 10 mm na 20 mm, nguvu hupungua haraka katika vitekelezi vifupi, na kadiri urefu unavyoongezeka mcurve hukaribia taratibu eneo linalofanana na kushiba.

Kwa kipenyo cha 10 mm, ulinganishaji wa arctan wa watafiti ni:

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

Kwa kipenyo cha 20 mm:

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

uhusiano huo umetolewa.

Offseti za 0,0075 m na 0,013 m zimehusishwa katika modeli ngumu na mipaka ya kijiometri ambako vifuniko vya ncha vya kitekelezi husogeleana hadi kugusana na kitekelezi hakiwezi tena kufupika kwa njia inayozalisha nguvu.

Kwa nini utabiri wa mtengenezaji na jaribio hutofautiana katika BPA fupi?

Tofauti iliyo wazi zaidi kati ya utabiri wa zana ya Festo na vipimo vya majaribio inaonekana katika urefu mfupi wa kupumzika. Wakati zana ya mtengenezaji inatabiri ongezeko la nguvu ya juu zaidi kadiri BPA inavyofupika, vipimo vya watafiti vinaonyesha kuwa nguvu hupungua katika BPA fupi.

Katika mfano mahususi uliotolewa katika utafiti, kwa kipenyo cha 10 mm na urefu wa kupumzika wa 112 mm, zana ya Festo inatabiri katika 620 kPa:

498,6 N

Utabiri wa Equation 5 mpya ni:

335,3 N

na kipimo cha majaribio ni:

350,9 N

Kwa mujibu huo, chanzo kinahesabu kosa la modeli mpya kuwa %4,5 na kosa la utabiri wa Festo kuwa %42,1. Kwa hiyo watafiti wanapendekeza kuwa wabunifu wanaotumia hasa urefu wa kupumzika chini ya 300 mm wazingatie athari ya urefu.

Kwa nini nguvu inaweza kupungua katika vitekelezi vifupi?

Watafiti wanaeleza tabia hii kwa athari za mipaka ya ncha. Katika modeli bora za aktuator za aina ya McKibben, muundo mara nyingi unaweza kuchukuliwa kama chombo cha shinikizo cha silinda kilicho sawia. Katika BPA halisi, hata hivyo, katika ncha zilizobanwa, wakati kipenyo cha ndani na cha nje kimefungwa, masharti ya deformation ya mhimili, radius na mzunguko hutofautiana na sehemu ya kati ya mwili.

Katika maeneo ya ncha, strain ya mhimili, radius na mzunguko hutoka kwenye suluhisho la uchanganuzi la silinda. Kwa kuwa urefu wa kimwili wa eneo hili la athari ya ncha hubaki takribani sawa wakati shinikizo ni thabiti, kadiri urefu wa jumla wa kupumzika wa BPA unavyopungua maeneo ya ncha huchukua sehemu kubwa zaidi ya kitekelezi. Hivyo sehemu hai ya silinda bora hupungua na nguvu halisi ya mhimili inaweza kuwa chini kuliko ilivyotarajiwa.

Utaratibu huu unapendekezwa katika utafiti kama maelezo ya kimwili ya mwelekeo wa nguvu wa majaribio; uwanja wa strain katika eneo la ncha haukuthibitishwa moja kwa moja katika kazi hii kwa kipimo tofauti cha uwanja mzima.

Shinikizo linaongezwaje kwenye nguvu ya juu zaidi?

Watafiti pia waliunda kazi ya nguvu ya juu zaidi inayojumuisha kwa pamoja urefu wa kupumzika na shinikizo:

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

Kwa BPA ya 10 mm:

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

na kwa BPA ya 20 mm katika maandishi:

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

thamani zimetolewa.

Dokezo la equation ndani ya chanzo: Katika formula ya Equation 7, offseti ya \(l_{\mathrm{rest}}-0.0075\) imeandikwa moja kwa moja. Hata hivyo kwa BPA ya 20 mm, offseti ya kijiometri iliyotumika katika Equation 6 ni \(0.013\) m. Chanzo hakielezi wazi ikiwa offseti inapaswa kubadilishwa kuwa 0,013 m wakati vihesabio vya 20 mm vinapotumika kwenye Equation 7; kwa hiyo formula imehifadhiwa hapa kama ilivyochapishwa.

Je, kusinyaa kwa juu zaidi kunaweza kutabiriwa kutokana na urefu wa kupumzika?

Jibu la utafiti ni hapana kwa njia ya kuaminika. Katika Kielelezo 3b, ingawa kuna mwelekeo wa jumla kuelekea kusinyaa cha juu zaidi kidogo katika BPA ndefu kati ya \(\epsilon_{620}\) na urefu wa kupumzika, mtawanyiko wa data ni mkubwa.

Ulinganishaji wa mstari ulitoa:

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

na:

\[ RMSE=0.0083 \]

Watafiti kwa hiyo walihitimisha kuwa kusinyaa kwa juu zaidi hakupaswi kuhesabiwa kwa kutegemea tu urefu wa kupumzika; kwa utabiri sahihi zaidi wa nguvu, ni bora kupima thamani ya \(\epsilon_{620}\) kwa kila BPA itakayotumika kwenye roboti.

Kwa nini modeli ya nguvu iliyosanifishwa ilitengenezwa?

Wakati urefu wa kupumzika hubadilisha nguvu ya juu zaidi, kusinyaa pia hupunguza nguvu ya kitekelezi hicho hicho. Ili kuhamisha data kutoka urefu na vipenyo tofauti kwenda kwenye muundo mmoja wa kihisabati, watafiti walifanya nguvu, shinikizo na kusinyaa kuwa visivyo na kipimo.

Nguvu iliyosanifishwa:

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

shinikizo lililosanifishwa:

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

na kusinyaa kulikosawazishwa:

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

vilitumika.

Kwa njia hii data za majaribio kutoka urefu tofauti wa vitekelezi zilihamishwa kwenye nafasi ya pamoja ya nguvu–shinikizo–kusinyaa kati ya 0 na 1.

Equation ya nguvu iliyosanifishwa ni ipi?

Katika data ya majaribio, uhusiano wa kielelezo ulionekana kati ya nguvu iliyosanifishwa na kusinyaa kulikosawazishwa, na uhusiano takriban wa mstari kati ya shinikizo na nguvu. Kwa kutumia Nonlinear Least Squares na ulinganishaji robust wa Least Absolute Residual, modeli ifuatayo ilipatikana:

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

Kwa BPA ya 10 mm, vihesabio ni:

Kwa BPA ya 20 mm:

Ni pointi ngapi za data zilitumika?

Katika kuunda nyuso za nguvu iliyosanifishwa, jumla ya pointi 537 za data ya majaribio zilitumika:

• pointi 321 za data kwa BPA ya 10 mm,
• pointi 216 za data kwa BPA ya 20 mm.

Asilimia 80 ya data ilitumika kwa kufitisha/kufundisha modeli, na asilimia 20 kwa uthibitishaji. Chanzo hakitoi katika sehemu hii utaratibu wa kina zaidi kuhusu ikiwa mgawanyo ulikuwa wa nasibu au ulifanywa kwa msingi wa aktuator.

Mafanikio ya uthibitishaji wa modeli ni yapi?

RMSE hapa iko katika nafasi ya nguvu iliyosanifishwa \(F^*\) na haipaswi kuchanganywa na RMSE ya nguvu kamili katika Newton.

Utabiri wa nguvu halisi hupatikanaje?

Modeli iliyosanifishwa isiyo na kipimo huskalishwa tena kwa nguvu ya juu zaidi inayotegemea urefu wa kupumzika ili kupata utabiri wa nguvu halisi:

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

Muundo huu hutenganisha matatizo mawili tofauti: \(F_{620}(l_{\mathrm{rest}})\) huwakilisha uwezo wa jumla wa nguvu unaotokana na urefu wa kitekelezi; \(F^*(\epsilon^*,P^*)\) huwakilisha ni kiasi gani cha uwezo huo kinaweza kutumika katika shinikizo na kusinyaa vya sasa.

Mfano wa 54 mm unaonyeshaje tofauti ya modeli?

Katika chanzo, kwa \(l_{\mathrm{rest}}=54\) mm na \(P=300\) kPa, nguvu iliyopimwa ni:

103 N

Zana ya Festo kwa sharti hilohilo inatabiri:

270 N

watafiti wakisema kuwa hii ni %161 juu kuliko nguvu iliyopimwa.

Katika modeli mpya:

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

matokeo yalipatikana na kosa likatolewa kuwa takriban %8.

Hata hivyo, kama ilivyoelezwa juu, urefu wa kupumzika wa 54 mm uko nje ya 112–518 mm iliyotajwa kama safu kuu ya majaribio katika sehemu ya mbinu. Kwa hiyo nafasi ya mfano huu katika protokoli ya ukusanyaji data haijaelezwa kikamilifu kwenye chanzo.

Modeli mpya inalinganishwaje na modeli nyingine zilizochapishwa?

Watafiti walilinganisha modeli yao na mbinu za Sárosi na Martens–Boblan katika usanidi nne za BPA. Ulinganisho ulifanywa kwa RMSE, Fraction of Variance Unexplained (FVU) na kosa la juu zaidi la kabisa.

Modeli mpya ilitoa RMSE ndogo kuliko modeli nyingine mbili zilizolinganishwa katika usanidi zote nne za majaribio. Hasa katika kipenyo cha 20 mm na urefu wa kupumzika wa 450 mm, RMSE ya modeli ya Martens–Boblan ilipanda hadi 862,1 N, ilhali modeli mpya ilitoa RMSE ya 67,6 N.

Ulinganisho huu haumaanishi kwamba modeli nyingine ni modeli mbaya katika masharti yao ya awali ya kalibrasheni. Tafsiri kuu ya makala ni kwamba modeli zilizokalibrishwa kwa jiometri na urefu fulani zinaweza kupoteza usahihi zinapohamishwa kwa urefu mwingine wa awali.

Kwa nini modeli ya Martens–Boblan iliathiriwa hasa na mabadiliko ya urefu?

Modeli ya Martens–Boblan inategemea vigezo vya kijiometri vya kimwili kama pembe ya usuko, unene wa ukuta, urefu wa nyuzi na kipenyo cha awali. Utafiti unaonyesha kuwa mabadiliko madogo ya vigezo hivi yanaweza kubadilisha kwa kiasi kikubwa utabiri wa nguvu, hasa katika shinikizo kubwa.

Katika mfano wa BPA ya 20 mm na urefu wa kupumzika wa 450 mm, modeli ilianza hata kutabiri nguvu hasi katika baadhi ya pointi za kazi. Watafiti wanaeleza kuwa hili linahusiana na mojawapo ya maneno ya kijiometri katika modeli kuwa kubwa kupita kiasi ikilinganishwa na maneno mengine.

Utata wa kipimo katika Kielelezo 5 ni nini?

Katika vichwa vya grafu ndogo nne za Kielelezo 5, urefu wa kupumzika umeonyeshwa kama:

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

Jedwali 3 pia linatoa thamani zinazolingana za 257, 233, 300 na 450 mm.

Kwa upande mwingine, maelezo ya Kielelezo 5 yanaandika thamani hizo kama “0.257 mm”, “0.233 mm”, “0.300 mm” na “0.450 mm”. Ikilinganishwa na grafu na Jedwali 3, maonyesho haya ya vipimo hayalingani ndani ya chanzo. Verianla imetumia katika jedwali la ulinganisho thamani za wazi za 257–450 mm kutoka Jedwali 3.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Nguvu ya juu zaidi ya isometriki ya Festo BPA za 10 mm na 20 mm zilizochunguzwa inategemea urefu wa kupumzika.
• Katika BPA fupi, nguvu ya juu zaidi ya majaribio inaweza kuwa chini kwa kiasi kikubwa kuliko utabiri wa Festo MuscleSIM.
• Athari ya urefu wa kupumzika iliweza kumodeliwa kwa ulinganisho mkubwa kwa kutumia kazi za kimajaribio za umbo la arctan.
• Kwa kutumia nguvu, shinikizo na kusinyaa vilivyosawazishwa, modeli ya nguvu ya daraja la chini yenye vihesabio vitatu iliundwa kwa kila kipenyo.
• Thamani ya R² iliyorekebishwa ya uthibitishaji wa modeli iliyosanifishwa ni 0,9994 kwa BPA ya 10 mm na 0,9943 kwa BPA ya 20 mm.
• Katika usanidi nne za urefu/kipenyo zilizotathminiwa katika Jedwali 3, modeli mpya ilionyesha RMSE ndogo kuliko modeli za Sárosi na Martens–Boblan zilizolinganishwa.
• Kusinyaa huru kwa juu zaidi \(\epsilon_{620}\) hakuweza kutabiriwa kwa kuaminika kutoka urefu wa kupumzika pekee.

Matokeo ambayo utafiti hauyaungi mkono au bado haujayathibitisha

• Modeli haijathibitishwa kuwa ya ulimwengu wote kwa misuli yote bandia ya nyumatiki ya aina ya McKibben au kwa bidhaa za watengenezaji wote.
• Modeli haijathibitishwa kwa majaribio katika shinikizo juu ya 620 kPa.
• Watafiti wanatabiri kuwa modeli inaweza kufanya kazi hadi 800 kPa, lakini hawatoi data ya kuithibitisha.
• Kuzeeka kwa muda mrefu kwa vitekelezi na kama vihesabio vya modeli hubaki vilevile katika mzunguko wa maisha havijajaribiwa.
• Dinamiki kamili ya mtiririko wa hewa wa kitekelezi–vali si sehemu ya modeli hii ya nguvu tuli.
• Histeresi, athari za muda mfupi za termodinamiki na dinamiki za mwendo wa kasi kubwa hazijachambuliwa kama modeli kamili ya kidinamiki.
• Usahihi mkubwa wa modeli hauhakikishi kwamba tabia yote ya momenti ya kidinamiki kwenye kiungo halisi cha roboti itatabiriwa kwa usahihi huo huo.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Vigezo vya majaribio

Mbinu ya kukusanya data na kufitisha modeli

Vitekelezi viliwekwa katika urefu tofauti thabiti, vikapulizwa kwa shinikizo mbalimbali za hewa, na nguvu ya mvutano katika kila jozi ya shinikizo–kusinyaa ikarekodiwa. Ili kumodeli athari ya urefu wa kupumzika, mbinu ya Nonlinear Least Squares ilitumika, na kwa ulinganishaji wenye ustahimilivu zaidi dhidi ya thamani za nje mbinu robust ya Least Absolute Residual ikatumika.

Mbinu hiyo hiyo ilitumika pia katika kufitisha uso wa nguvu–kusinyaa–shinikizo uliosanifishwa wa vipimo vitatu.

Matokeo ya 10 mm ya modeli ya nguvu ya juu zaidi

Vihesabio vya Equation 7, inayotumia pamoja urefu wa kupumzika na shinikizo, kwa BPA ya 10 mm ni:

Chanzo kinatoa katika Jedwali 1 \(R^2=0,9945\) iliyorekebishwa, RMSE = 11,61 N na kosa la juu zaidi = 55,3 N kwa ulinganishaji huu.

Ulinganifu wa modeli za urefu wa kupumzika katika 620 kPa

Jedwali hilo hilo pia linatoa thamani za RMSE za ulinganisho ili kuonyesha tofauti ya zana ya Festo katika kuwakilisha mabadiliko ya urefu wa kupumzika. RMSE dhidi ya data ya Festo iliripotiwa kuwa 189,9 N kwa 10 mm na 668,4 N kwa 20 mm.

Matokeo ya mafunzo na uthibitishaji wa modeli iliyosanifishwa

Ikumbukwe kuwa thamani hizi ni za modeli ya nguvu iliyosanifishwa. Kwa mfano, thamani ya 0,0245 ya RMSE haimaanishi 0,0245 N.

Ulinganisho kamili wa modeli katika usanidi nne

Je, modeli inaweza kutumika katika udhibiti wa wakati halisi?

Watafiti wanasema kuwa muundo wa kihisabati wa modeli una gharama ndogo kwa hesabu za mtandaoni. Uso wa nguvu iliyosanifishwa hutumia vihesabio vitatu tu na huunganishwa na kazi ya kuskalisha \(F_{620}\) inayotegemea urefu wa kupumzika. Kwa hiyo modeli ina muundo rahisi kiasi cha kutumika katika kidhibiti cha momenti cha wakati halisi kama sehemu ya feedforward au kama lookup table.

Hata hivyo utafiti haukufanya jaribio la udhibiti wa roboti wa wakati halisi. Tathmini kwamba modeli inafaa kwa matumizi ya wakati halisi inategemea urahisi wake wa kihisabati na usahihi wa utabiri wa nguvu tuli.

Kwa nini modeli tuli bado ni muhimu?

Katika misuli bandia ya nyumatiki, tabia halisi ya kidinamiki inajumuisha michakato ya ziada kama mtiririko wa hewa, sifa za vali, dinamiki ya gesi inayobonyezwa, histeresi na upunguzaji wa kimitambo. Hata hivyo ramani sahihi ya nguvu tuli ndiyo msingi wa kujua kitekelezi kinaweza kufikia kiwango gani cha nguvu katika urefu na shinikizo fulani.

Watafiti wanatabiri kuwa katika mifumo ya baadaye ya udhibiti yenye kasi kubwa na usahihi mkubwa, pamoja na ramani ya nguvu tuli, itakuwa muhimu hasa kumodeli kwa undani zaidi dinamiki ya mtiririko wa hewa.

Kikomo cha mlinganisho na misuli ya kibayolojia ni nini?

BPA zinaweza kufananishwa na misuli ya kibayolojia kwa sababu zinazalisha nguvu ya kuvuta pekee na zina mahusiano yasiyo ya mstari kati ya nguvu na urefu. Hata hivyo mfumo wa uzalishaji nguvu wa mifumo hiyo miwili si sawa.

Katika misuli ya mifupa ya kibayolojia, nguvu hai kwa kawaida huwa ya juu zaidi karibu na urefu bora wa nyuzi, kulingana na mwingiliano wa actin–myosin. Kinyume chake, katika BPA za utafiti huu nguvu ya juu zaidi ya mvutano hai hutokea katika hali ya kupumzika, yaani hali ya urefu wa juu zaidi wa kitekelezi.

Wakati misuli ya kibayolojia inaweza kubadilisha urefu bora wa kazi kwa muda kupitia upangaji upya wa kimuundo, jiometri ya usuko wa BPA ni thabiti. Ikiwa roboti inahitaji kuboreshwa upya kwa safu nyingine ya mwendo au profaili nyingine ya momenti, inaweza kuhitajika kutumia kitekelezi chenye urefu tofauti au sifa tofauti.

Ni nini kinachojulikana kuhusu uimara wa muda mrefu?

Utafiti huu haujaribu kwa majaribio ikiwa modeli ya nguvu ya BPA hubadilika katika mzunguko wa maisha wa vitekelezi. Waandishi wanasema kuwa nyaraka za mtengenezaji zina taarifa za maisha ya mizunguko kwa baadhi ya ukubwa wa BPA, lakini wanabainisha kuwa hasa tabia ya muda mrefu ya nguvu–urefu–shinikizo ya modeli za 10 mm na 20 mm bado haijaelezwa vya kutosha na tafiti za mzunguko wa maisha zilizopitiwa na rika.

Tofauti za kundi la uzalishaji, kuathiriwa na mwanga wa UV, kuzeeka kwa nyenzo na tofauti ndogo katika jiometri ya usuko zinaweza kuathiri hasa sifa kama \(\epsilon_{620}\). Kwa hiyo watafiti wanapendekeza kurekodi kando thamani ya kusinyaa kwa juu zaidi ya kila kitekelezi halisi.

Tathmini ya jumla ya kisayansi

Upande wenye nguvu zaidi wa utafiti ni kuufanya urefu wa kupumzika, ambao katika modeli nyingi za usanifu wa misuli bandia ya nyumatiki huchukuliwa kuwa thabiti au wa umuhimu wa pili, kuwa kigezo kikuu moja kwa moja kwa majaribio. Mbinu hii ni muhimu hasa katika kueleza tofauti kubwa kati ya utabiri wa mtengenezaji na nguvu halisi katika BPA fupi.

Upande wa pili wenye nguvu ni kufanya vigezo visiwe na kipimo. Badala ya kuunda vihesabio vingi tofauti vya polinomu kwa kila urefu tofauti wa kitekelezi, nguvu, shinikizo na kusinyaa kwa juu zaidi vilisanifishwa kwa thamani zao za marejeo na kupatikana modeli ya uso wa pamoja yenye idadi ndogo ya vihesabio.

Kikomo muhimu zaidi ni kwamba modeli bado inategemea kalibrasheni ya majaribio iliyobanwa kwa familia maalumu ya Festo BPA za 10 mm na 20 mm. Utafiti hauonyeshi kwamba miundo yote ya misuli ya nyumatiki inafuata kazi ile ile iliyosanifishwa. Aidha tabia ya kidinamiki ya vali/mtiririko na modeli ya kuzeeka kwa muda mrefu ziko nje ya upeo wa utafiti huu.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asilia: Isometric Force Characterization of Braided Pneumatic Actuators

Waandishi na mpangilio wao: Ben Bolen; Mohammad Elzein; Lawrence Pang; Alexander Hunt.

Mchango sawa / uandishi wa kwanza sawa: Hakuna tamko la mchango sawa au uandishi wa kwanza sawa katika kazi iliyochunguzwa.

Mwandishi anayewajibika: Alexander Hunt.

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

Aina ya chanzo / mapitio ya rika: Ni makala ya utafiti wa majaribio iliyopitia mapitio ya rika.

Jarida: Actuators.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Taarifa ya bibliografia: Actuators 2026, 15(5), 230.

DOI: 10.3390/act15050230.

Kuwasilishwa / marekebisho / kukubaliwa / kuchapishwa: 2 Machi 2026 / 14 Aprili 2026 / 17 Aprili 2026 / 22 Aprili 2026.

Kiungo rasmi:https://doi.org/10.3390/act15050230

Ukurasa rasmi wa uchapishaji:https://www.mdpi.com/2076-0825/15/5/230

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY). Makala ni ya ufikiaji huria.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na Portland State University Department of Mechanical and Materials Engineering; pia na National Science Foundation NeuroNex: Communication, Coordination, and Control in Systems (C3NS), mradi 2015317 na mradi wa NSF 1943483.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa seti za data zinaweza kupatikana kutoka kwa waandishi kwa ombi linalofaa.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi. Imeelezwa kuwa wafadhili hawakuwa na jukumu katika usanifu wa utafiti, ukusanyaji wa data, uchambuzi, tafsiri, uandishi wa makala au uamuzi wa uchapishaji.

Bodi ya maadili / idhini iliyoarifiwa: Kwa mada zote mbili iliripotiwa “Not applicable”.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana B.B. na A.H.; mbinu B.B., A.H., M.E. na L.P.; programu B.B., M.E. na L.P.; uthibitishaji B.B. na A.H.; uchambuzi rasmi B.B.; utafiti B.B., M.E. na L.P.; rasilimali B.B. na A.H.; uratibu wa data B.B. na L.P.; rasimu ya kwanza B.B.; mapitio/uhariri B.B., M.E., L.P. na A.H.; uonyeshaji B.B. na A.H.; usimamizi na uendeshaji wa mradi B.B. na A.H.; upatikanaji wa ufadhili A.H.

Upeo wa majaribio: Utafiti ulitathmini vipenyo visivyopulizwa vya 10 mm na 20 mm vya vitekelezi vya nyumatiki vilivyosukwa vya Festo; ulilenga uhusiano wa tuli/isometriki kati ya nguvu, urefu wa kupumzika, shinikizo la ndani na kusinyaa. Uso wa nguvu iliyosanifishwa unategemea pointi 537 za kipimo.

Utata wa ndani wa chanzo kuhusu upeo wa urefu: Sehemu ya mbinu inaeleza kuwa urefu wa kupumzika wa 10 mm BPA ulikuwa 112–518 mm, wakati sehemu ya mjadala inatumia kipimo cha nguvu halisi cha 103 N kwa BPA yenye urefu wa kupumzika wa 54 mm. Chanzo hakielezi jinsi mfano huu wa 54 mm ulivyojumuishwa katika seti kuu ya majaribio.

Kutoeleweka kwa offseti ya Equation 7 ndani ya chanzo: Ingawa vihesabio tofauti vya a1 na a2 vinatolewa kwa kipenyo cha 10 mm na 20 mm, namna ilivyoandikwa Equation 7 ina offseti ya urefu ya 0,0075 m. Kwa BPA ya 20 mm, Equation 6 hutumia offseti ya 0,013 m. Haiko wazi katika maandishi ikiwa offseti ya Equation 7 hubadilika katika matumizi ya 20 mm.

Utata wa kipimo wa Kielelezo 5 ndani ya chanzo: Vichwa vya kielelezo vinatoa urefu wa kupumzika kama 0,257 m, 0,233 m, 0,300 m na 0,450 m, na Jedwali 3 hutumia thamani zinazolingana za 257, 233, 300 na 450 mm. Maelezo ya Kielelezo 5, hata hivyo, yanaandika thamani hizo kama 0,257 mm, 0,233 mm, 0,300 mm na 0,450 mm. Maandishi haya ya Verianla yametumia thamani wazi za Jedwali 3 katika ulinganisho na kutaja tofauti ya maelezo ya chanzo kando.

Dokezo la rejea mtambuka ndani ya chanzo: Katika sehemu inayofafanua modeli ya awali ya Hunt, wakati inatajwa kuwa makosa ya typografia katika vihesabio yalisahihishwa, hutumika usemi “Equation (2)”; lakini usemi wenye vihesabio uko katika Equation (1) iliyo kabla yake. Rejea hii mtambuka haijasahihishwa kwa niaba ya chanzo.

Mipaka ya mbinu: Utafiti unalenga uainishaji wa nguvu ya isometriki/tuli. Dinamiki kamili ya mtiririko wa hewa, dinamiki ya vali, kusinyaa kwa kasi kubwa, mabadiliko ya vigezo katika mzunguko wa maisha na shinikizo za kazi juu ya 620 kPa havijathibitishwa na majaribio haya. Waandishi wanatabiri kuwa modeli inaweza kutumika hadi 800 kPa, lakini wanasema wazi kuwa hakuna data ya majaribio kwa hilo.

Mbinu ya maudhui: Ugunduzi wa kisayansi, kifaa cha majaribio, equations, vihesabio, vipindi vya uaminifu, ulinganisho wa modeli na mipaka ya tafsiri katika makala hii ya Verianla vinategemea tu kazi iliyochunguzwa. Uthibitishaji wa nje ulitumika tu kwa maeneo ya utambulisho wa bibliografia kama kichwa, DOI, mchapishaji, jarida na mapitio ya rika; hakuna data mpya ya utendaji wa BPA au matokeo ya robotiki yaliyoongezwa kutoka nje.