Utafiti unachunguza ufuatiliaji sahihi wa nafasi katika mfumo ambao pouch motor mbili laini za nyumatiki, zinazofupika zinapojazwa hewa, zimeunganishwa kwa mpangilio wa kiantagonisti. Shinikizo la motor moja linapoongezwa huku la nyingine likipunguzwa, aktueta hizo mbili huzalisha nguvu katika mwelekeo unaopingana na hivyo kuweka mzigo unaosogea katikati yao upande wa kulia au wa kushoto. Kwa kuwa tabia ya kimekanika ya pouch motor na mienendo ya shinikizo la hewa inayobanika ndani yake si ya mstari, watafiti hawakuingiza katika modeli ya udhibiti tu uhusiano tuli kati ya nafasi na shinikizo, bali pia mchakato wa mtiririko wa hewa kubadilika kuwa shinikizo ndani ya pouch na shinikizo hilo kubadilika kuwa nguvu ya kimekanika.
Mchango mkuu wa kazi ni kidhibiti kipya kisicho cha mstari cha ufuatiliaji, kilichojengwa juu ya modeli ya uchanganuzi ya mfumo inayojumuisha mienendo ya shinikizo. Makosa yasiyojulikana ya modeli, msuguano na usumbufu mwingine yamekusanywa chini ya usumbufu mmoja wa jumla \(F\); ili kukadiria ukubwa huu ndani ya mzunguko wa udhibiti, mwangalizi usio wa mstari unaotegemea mbinu ya Immersion and Invariance (I&I) umetengenezwa. Kwa sababu mienendo ya shinikizo husababisha ingizo la udhibiti lisiingie moja kwa moja katika mlinganyo wa mzigo wa kimekanika, sheria ya udhibiti imeundwa kwa kutumia kigezo cha kuteleza cha hatua mbili kilichopachikwa ndani ya kingine.
Watafiti walilinganisha kidhibiti kipya na mbinu mbili tofauti za marejeo. Ya kwanza ni kidhibiti kinachotegemea modeli iliyopunguzwa ambacho, ingawa kinatumia mfumo huohuo wa kimekanika, hupuuza mienendo ya shinikizo ndani ya pouch. Ya pili ni kidhibiti cha kawaida cha PID kilichotumiwa katika majaribio ya kimwili. Hivyo, si tu swali la “je, udhibiti unaotegemea modeli ni bora kuliko PID?” lililojaribiwa, bali pia swali la je, kuongeza mienendo ya shinikizo la nyumatiki katika modeli kunatoa faida inayoweza kupimwa kweli? lilijaribiwa moja kwa moja.
Katika mfumo wa kimwili, pouch motor mbili zilisogeza kizuizi cha gramu 60 kwenye reli ya mstari. Shinikizo liliwekwa kwa vidhibiti vya kidijitali, shinikizo ndani ya kila pouch lilipimwa kwa sensa tofauti, nafasi ilifuatiliwa kwa enkoda ya mstari, na kitanzi cha udhibiti kiliendeshwa kwa 100 Hz kwenye Arduino Uno R4 WiFi. Katika majaribio, njia mbili za nafasi—sinusoidal na cubic—zilitumiwa, na kila mchanganyiko wa kidhibiti–njia ulirudiwa mara tano.
Katika njia ya cubic, wastani wa kosa kamili wa kidhibiti kipya cha modeli kamili ulikuwa 0,04 mm na kosa la RMS lilikuwa 0,04 mm. Kwa kidhibiti kilichopuuza mienendo ya shinikizo, thamani hizi zilipimwa kuwa 0,05 na 0,06 mm mtawalia, na kwa PID kuwa 0,05 na 0,07 mm. Watafiti wanaripoti kwamba, ikilinganishwa na kidhibiti cha modeli iliyopunguzwa, kidhibiti cha modeli kamili kilipunguza RMSE kwa %33,3 na MAE kwa %20 katika njia ya cubic.
Katika njia ya sinusoidal, MAE ya kidhibiti kipya ilikuwa sawa na ya kidhibiti kilichopunguzwa, yaani 0,04 mm; RMSE ilikuwa 0,05 na 0,06 mm mtawalia. Kwa hiyo, manufaa ya kujumuisha mienendo ya shinikizo katika modeli hayakuwa ya ukubwa sawa katika vipimo vyote vya kosa na katika njia zote. Zaidi ya hayo, kwa kosa la juu zaidi la papo moja, kidhibiti kilichopunguzwa kilitoa thamani ndogo kidogo kuliko kidhibiti kipya katika wasifu wote wawili wa majaribio.
Matokeo yanaonyesha kwamba kujumuisha mienendo ya hewa inayobanika katika modeli ya udhibiti kunaweza kuongeza usahihi wa ufuatiliaji wa pouch motor za kiantagonisti na kufanya ishara za shinikizo ziwe laini zaidi. Hata hivyo, kidhibiti kipya kinahitaji derivative ya tatu ya njia ya marejeo, kinategemea modeli ya kimwili iliyo changamano zaidi, na bado hakijathibitishwa kwa mizigo mingine tofauti na mfumo uliotumika katika majaribio, usumbufu mkali, stiction iliyo dhahiri, uvujaji unaobadilika, au roboti laini zenye viwango vingi vya uhuru.
Tathmini kwa muktadha wa Afrika Mashariki: Mbinu ya utafiti inaweza kutoa mfano muhimu wa udhibiti kwa timu za utafiti zinazofanya kazi katika robotiki laini, misuli bandia ya nyumatiki, mifumo mepesi ya robotiki, robotiki ya matibabu na mwingiliano salama wa binadamu–roboti. Hasa kwa aktueta laini za gharama ndogo na rahisi kutengeneza, kujumuisha si tu modeli ya nafasi ya kimekanika bali pia mienendo ya usambazaji wa nyumatiki katika muundo wa udhibiti ni mbinu inayoweza kuzingatiwa katika matumizi yanayohitaji usahihi. Hata hivyo, utafiti haukujaribiwa katika upasuaji, kwa mgonjwa au katika kazi ya kliniki; “ufaa kwa upasuaji wa robotiki” ni mojawapo ya motisha za makala, si matokeo ya mafanikio ya kliniki.
Pouch motor ni nini?
Pouch motor ni aktueta laini ya nyumatiki inayofupika kwa mhimili baada ya tabaka mbili nyembamba na zinazonyumbulika zilizounganishwa kujazwa hewa. Motor katika utafiti ziliundwa na pouch zilizotengenezwa kwa kuunganisha tabaka za thermoplastic zisizonyooshwa kwa mfumo maalumu wa kulehemu kwa leza.
Wakati wa kujazwa, sehemu ya msalaba ya mfuko hupanuka huku ncha zake mbili zikikaribiana. Kwa hiyo, shinikizo linapoongezeka, urefu wa jumla wa aktueta hupungua na mwendo wa kuvuta wa kimekanika hupatikana.
Kwa nini jozi ya kiantagonisti inatumika?
Pouch motor moja huwa na mwelekeo wa kufupika tu inapojazwa hewa. Motor mbili zinapounganishwa kwa kupingana, moja inaweza kufupika huku nyingine ikirefuka, hivyo kuruhusu mwendo wa mstari katika pande mbili.
Katika mpangilio wa utafiti, kizuizi kinachosogea kiko kati ya motor mbili. Pouch motor 2 inapojazwa na pouch motor 1 kutolewa hewa, kizuizi husogea katika mwelekeo chanya wa \(x\); hali ya kinyume hukiendesha katika mwelekeo hasi wa \(x\).
Mpangilio huu hufanya kazi ya kimekanika inayofanana na jozi za misuli ya kiantagonisti katika mwili wa binadamu: aktueta mbili hufanya kazi katika mwelekeo unaopingana kwenye mhimili mmoja wa mwendo.
Mpangilio wa majaribio unaonekanaje?
Kielelezo 1 cha utafiti kinaonyesha kwa pamoja vipengele vinne muhimu: sehemu ya kijiometri ya pouch moja iliyojazwa, profaili ya pouch motor iliyounganishwa kwa mfululizo, uunganisho wa kiantagonisti wa kimchoro wa mzigo unaosogea kati ya motor mbili, na prototaipu halisi ya maabara.
Katika mpangilio halisi, pouch motor zimeunganishwa pande mbili za mzigo wa gramu 60 kwenye reli ya mstari ya mlalo. Mistari ya hewa ya motor huenda kwenye vidhibiti tofauti; shinikizo za pouch hupimwa kwa sensa na nafasi ya mzigo hupimwa kwa enkoda ya mstari.
Modeli ya kijiometri iliundwaje?
Watafiti walidhani kwamba pouch iliyojazwa ina profaili inayokaribia umbo la silinda. Kwa kuwa nyenzo ya uso wa pouch inachukuliwa kutonyooshwa, urefu usiobadilika wa pouch:
\[ L_0=2R\theta \]
na urefu wa mhimili katika hali iliyojazwa:
\[ L=2R\sin\theta \]
huandikwa hivyo.
Kwa kuziunganisha:
\[ L=L_0\frac{\sin\theta}{\theta} \]
hupatikana. Hapa \(L_0\) ni urefu usiobadilika wa uso wa pouch, \(L\) ni urefu wa mhimili wa pouch iliyojazwa, \(R\) ni radius ya kijiometri, na \(\theta\) ni pembe ya katikati.
Kwa nini kufupika kulirahisishwa kwa mfululizo wa Taylor?
Pouch motor moja ikiwa na pouch \(n_L\) zilizounganishwa kwa mfululizo, kufupika kwa jumla ni:
\[ \delta L=n_LL_0 \left( 1-\frac{\sin\theta}{\theta} \right) \]
hivyo.
Utafiti ulirahisisha kwa makadirio ya Taylor ya daraja la pili:
\[ \delta L \approx n_LL_0\frac{\theta^2}{6} \]
kwa namna hii.
Watafiti wanaeleza kwamba kujazwa kwa pouch kwa kawaida hakuzidi 45°, na katika pembe hii kosa la truncation la makadirio hayo ni takriban %3.
Kwa nini mgawo wa marekebisho \(\nu\) unahitajika?
Pouch motor halisi hutofautiana na jiometri bora. Unyumbufu wa nyenzo ya thermoplastic, unene wa mstari wa kulehemu na namna tabaka mbili zinavyounganishwa vinaweza kuzuia kujazwa. Badala ya kuunda modeli tofauti kwa kila athari, watafiti walitumia mgawo wa marekebisho \(\nu\) uliobainishwa kwa majaribio.
Kwa pouch mbili, pembe ni:
\[ \theta_1= \sqrt{ \frac{6}{n_LL_0} \left( x_M-x_0-\frac{x}{\nu} \right) } \]
na:
\[ \theta_2= \sqrt{ \frac{6}{n_LL_0} \left( x_0+\frac{x}{\nu} \right) } \]
hivyo.
Hapa \(x\) ni nafasi ya kizuizi kinachosogea, \(x_M\) ni umbali unaohusiana na jiometri ya jumla ya mwendo, \(x_0\) ni umbali wa nusu mwendo, na \(\nu\) ni kipengele cha marekebisho cha majaribio.
\(\nu\) ilibainishwaje kwa majaribio?
Katika jaribio la open-loop, hatua za shinikizo zinazokamilishana ziliwekwa kwenye pouch motor:
- \(P_1=30\) mbar,
- \(P_2=350\) mbar.
RMSE kati ya modeli na jaribio ilichunguzwa kwa \(\nu=1\) hadi 5 kwa hatua za 0,1, na kosa la chini zaidi lilipatikana kwa:
\[ \nu=3.5 \]
thamani hiyo.
Katika Kielelezo 2, mkunjo wa simulizi unaotumia \(\nu=3,5\) unaonekana kufuatilia jibu halisi la open-loop kwa usahihi zaidi kuliko hali ya \(\nu=2\).
Kulingana na uchanganuzi wa unyeti wa watafiti, mabadiliko ya ±%10 katika \(\nu\) yaliongeza RMSE kwa takriban %20, lakini RMSE kamili ilibaki ndani ya takriban \(5\times10^{-3}\) mm.
Ujazo wa pouch unafanyiwa modeli vipi?
Mlinganyo wa kijiometri wa ujazo unaporahisishwa kwa mfululizo wa Taylor kwa kipengele cha trigonometria:
\[ V(\theta)= \frac{n_LL_0^2}{3} \left( D+\frac{2}{3}d \right)\theta \]
makadirio haya hupatikana.
\(D\) na \(d\) ni vipimo vya jiometri ya sehemu ya msalaba ya pouch motor. Watafiti wanaeleza kuwa kosa la truncation katika makadirio haya ya ujazo ni takriban %13 kwa \(\theta=45^\circ\).
Kosa hili haliondolewi kwa mlinganyo tofauti wa marekebisho; linajumuishwa pamoja na makosa mengine ya modeli ndani ya usumbufu wa jumla usiojulikana \(F\).
Shinikizo la pouch hubadilika vipi kuwa nguvu ya kimekanika?
Uhusiano wa msingi uliotumiwa katika utafiti ni:
\[ F_{\mathrm{pouch}} = -P_{\mathrm{pouch}} \frac{\partial V}{\partial x} \]
hivyo.
Mlinganyo huu unaonyesha kwamba kuzidishwa kwa shinikizo la ndani na mabadiliko ya ujazo wa pouch kwa heshima ya nafasi ya mhimili huzalisha nguvu ya kimekanika.
Kwa kuwa nguvu za pouch motor mbili zina ishara zinazopingana, nguvu halisi kwenye mzigo unaosogea hutokana na tofauti ya kiantagonisti inayobainishwa kwa pamoja na shinikizo za pouch 1 na pouch 2 pamoja na nafasi ya kijiometri ya wakati huo.
Mlinganyo wa mienendo ya mzigo unaosogea
Katika modeli, mlinganyo mkuu wa mwendo kwa mzigo wa gramu 60 ni:
\[ M\ddot{x} + c\dot{x} + \frac{\kappa_1P_1} {2\nu \sqrt{x_M-x_0-x/\nu}} - \frac{\kappa_2P_2} {2\nu \sqrt{x_0+x/\nu}} + F =0 \]
hivyo.
Hapa \(M\) ni uzito wa sehemu inayosogea, \(c\) ni damping sawia, \(P_1\) na \(P_2\) ni shinikizo za pouch, \(\kappa_1\) na \(\kappa_2\) ni vigawo vya kijiometri, na \(F\) ni athari ya jumla ya makosa ya modeli na usumbufu.
Kwa nini kuongeza mienendo ya shinikizo ni muhimu?
Kutoa amri fulani ya shinikizo kwa regulator hakumaanishi kwamba shinikizo ndani ya pouch litafikia thamani hiyo mara moja. Hewa inaweza kubanika; mabomba, viungio na pouch vina ujazo, na mtiririko kupitia valve una kikomo.
Kwa hiyo, utafiti unafanya modeli ya mabadiliko ya jumla ya shinikizo kwa:
\[ \dot{P} = \Gamma \frac{ \dot{m} - \frac{\partial V}{\partial x}\dot{x} }{V} \]
uhusiano huu.
Kwa dhana ya gesi bora ya isentropiki:
\[ \Gamma=\gamma P_{\mathrm{pouch}} \]
hutumiwa. \(\dot{m}\) ni mtiririko halisi wa wingi wa hewa unaoingia au kutoka kwenye pouch, \(V\) ni ujazo wa pouch kwa wakati huo, na \(\gamma\) ni faharasa ya politropiki.
Kwa nini kidhibiti huhesabu mtiririko badala ya shinikizo moja kwa moja?
Mienendo ya shinikizo inapozingatiwa, ingizo la asili la udhibiti wa mfumo wa kimekanika ni mtiririko wa wingi wa hewa unaoingia au kutoka kwenye pouch. Hata hivyo, regulators za SMC katika mpangilio wa majaribio hazipokei amri ya mtiririko moja kwa moja; hupokea amri ya shinikizo lengwa.
Watafiti walitengeneza uongofu kati ya maeneo haya mawili kwa kutumia modeli ya orifisi ya nyumatiki ya ISO 6358. Modeli inatenganisha maeneo ya mtiririko subsonic na choked na hutumia uwiano wa shinikizo muhimu kwa gesi bora ya atomu mbili kuwa:
\[ b=0.528 \]
thamani hiyo.
Ili kubadili kutoka mtiririko unaohitajika na sheria ya udhibiti kwenda shinikizo la upstream la regulator, modeli ya orifisi iligeuzwa.
Je, modeli ya ISO 6358 inawakilisha kikamilifu regulator halisi?
Hapana. Chanzo kinaeleza wazi kwamba modeli inategemea dhana ya orifisi yenye ukingo mkali usiobadilika na haiwakilishi tabia ya proportional valve kwa maelezo yake yote.
Kipenyo cha orifisi \(D_c\) na urefu \(L_c\) havijulikani kwa usahihi kama jiometri ya ndani ya regulator halisi. Watafiti wanaona kwamba hili linaweza kuwa mojawapo ya vyanzo vya ukwaru katika ishara za shinikizo za majaribio.
Kutokuwa na uhakika katika mfumo kuliwakilishwaje?
Katika modeli, msuguano, makosa ya vigezo, makosa ya makadirio ya Taylor na athari nyingine ambazo hazijafanyiwa modeli zilikusanywa chini ya:
\[ F \]
usumbufu mmoja wa jumla.
Dhana ya msingi ni:
\[ |\dot{F}|\leq\epsilon \]
hivyo.
Si lazima \(\epsilon\) ijulikane katika muundo wa udhibiti; hata hivyo, kiwango cha mabadiliko ya usumbufu lazima kiwe na kikomo.
Dhana hii ya usumbufu haijumuishi hali zipi?
Kulingana na maelezo ya utafiti wenyewe, mabadiliko makali yasiyoendelea hayamo katika wigo wa dhana hii. Kwa mfano:
- deadband iliyo dhahiri,
- stiction,
- mgusano mkali wa ghafla na mazingira,
- usumbufu mkali sana na usioendelea
si hali zinazofunikwa moja kwa moja na mfumo wa sasa wa kinadharia.
Watafiti walijaza pouch motor mapema mwanzoni mwa majaribio ili kupunguza uwezekano wa kutokea kwa deadband.
Mwangalizi wa Immersion and Invariance hufanya nini?
Kwa sababu thamani halisi ya usumbufu wa jumla haipimwi, kidhibiti hakiwezi kutumia \(F\) moja kwa moja. Watafiti walitengeneza mwangalizi usio wa mstari unaotegemea I&I ili kuukadiria.
Kosa la makadirio:
\[ \Delta= \hat{F}+\eta(\dot{x})-F \]
na kazi msaidizi:
\[ \eta(\dot{x})=-M\alpha\dot{x} \]
zimefafanuliwa hivyo.
Hapa \(\alpha\) ni kigezo kikuu cha kurekebisha usawa kati ya kasi ya kuunganika ya mwangalizi na unyeti wake kwa kelele.
Ni matokeo gani ya uthabiti yaliyopatikana kwa mwangalizi?
Kutokana na uchanganuzi wa Lyapunov katika chanzo, inaonyeshwa kwamba kosa la makadirio hukaribia eneo lenye kikomo la ukubwa wa:
\[ |\Delta| \rightarrow \frac{\epsilon}{\alpha} \]
takriban kiwango hicho.
Kinadharia, \(\alpha\) kubwa inaweza kutoa mpaka mdogo wa kosa na kuunganika kwa haraka zaidi. Hata hivyo, katika mfumo halisi, \(\alpha\) kubwa huongeza kelele katika ishara ya kasi inayopatikana kwa derivative ya kidijitali ya nafasi.
Kwa nini gain ya mwangalizi ilipunguzwa katika majaribio?
Katika simulizi:
\[ \alpha=40 \]
ilitumiwa, ilhali katika majaribio ya kimwili:
\[ \alpha=10 \]
ilichaguliwa.
Watafiti waliona kwamba katika mfumo wa majaribio, \(\alpha>10\) ilifanya kelele ya masafa ya juu katika makadirio ya kasi kuingiliana na ucheleweshaji wa aktueta na kusababisha mitetemo endelevu.
Kwa hiyo \(\alpha=10\) ilichaguliwa kama gain ya juu zaidi ya mwangalizi inayoweza kutumika kwa vitendo katika vifaa vilivyochunguzwa.
Kwa nini kigezo cha kuteleza kilichopachikwa kinatumika?
Mienendo ya shinikizo inapojumuishwa, mtiririko wa hewa hauingii moja kwa moja katika mlinganyo wa kuongeza kasi wa mzigo wa kimekanika. Kwa hiyo, mbinu ya kawaida ya sliding-variable ya safu moja haitoshi.
Kwanza, kosa la nafasi hufafanuliwa kama:
\[ e=x_d-x \]
hivyo.
Kigezo cha kwanza cha kuteleza ni:
\[ \zeta=\dot{e}+K_1e \]
na kigezo cha pili kilichopachikwa ni:
\[ \tau=\dot{\zeta}+K_2\zeta \]
hivyo.
Lengo la kidhibiti ni kwanza kusogeza \(\tau\), kisha \(\zeta\), na hatimaye kosa la nafasi \(e\) kuelekea sifuri au kuelekea eneo dogo lenye kikomo chini ya usumbufu unaobadilika kwa muda.
Uziada wa kiantagonisti unatatuliwaje?
Kwa kuwa pouch motor mbili zinaweza kutoa mwendo uleule wa mstari kwa nguvu zinazopingana, mfumo una muundo wa redundant kwa upande wa aktuasheni.
Katika kidhibiti cha modeli kamili, watafiti huweka kizuizi kwenye mitiririko ya hewa:
\[ \dot{m}_1+\dot{m}_2=0 \]
hivyo.
Kwa hiyo, motor moja inapopokea hewa, nyingine hutoa kiasi kinacholingana na tabia ya kiantagonisti huhifadhiwa.
Mpaka wa kinadharia wa ufuatiliaji wa kidhibiti cha modeli kamili
Chini ya usumbufu unaobadilika kwa muda, mpaka wa mwisho wa kosa la ufuatiliaji umetolewa katika chanzo kama:
\[ \rho' = \frac{\epsilon}{K_1K_2} \sqrt{ \frac{2}{K_1} \left( \frac{1}{2K_2M^2} + \frac{K_i}{2\alpha} \right) } \]
hivyo.
Kwa uthabiti, pamoja na sharti \(K_2>K_1\), mpaka wa chini wa \(\alpha\) uliotolewa katika chanzo lazima pia utimizwe.
Usumbufu unapokuwa thabiti, yaani:
\[ \dot{F}=0 \]
watafiti wanaonyesha kwamba mwendo wa marejeo hutulizwa kwa namna ya kielelezo.
Kidhibiti kinachopuuza mienendo ya shinikizo kinatofautianaje?
Katika modeli iliyopunguzwa, maendeleo ya shinikizo ndani ya pouch kwa muda hayachukuliwi kama hali tofauti. Shinikizo linalotumwa kwa regulator huchukuliwa moja kwa moja kuwa ingizo la udhibiti.
Shinikizo za kiantagonisti zinaunganishwa kwa:
\[ P_2=2P_0+\beta-P_1 \]
uhusiano huo.
Kwa hiyo, jumla ya shinikizo za pouch mbili huhifadhiwa takriban kuwa thabiti, kwa lengo la kuhifadhi kwa kiasi kikubwa ugumu wa mfumo.
Faida ya kidhibiti kilichorahisishwa ni nini?
Kidhibiti kilichopunguzwa kinahitaji taarifa ndogo ya modeli na, tofauti na kidhibiti cha modeli kamili, hakihitaji thamani ya jerk ya njia ya marejeo, yaani:
\[ \dddot{x}_d \]
thamani hiyo.
Kwa sababu hii, watafiti wanaeleza kwamba mbinu iliyopunguzwa inaweza kuwa chaguo la vitendo katika matumizi yanayohitaji mabadiliko ya ghafla ya nafasi au pale mienendo ya shinikizo inapoweza kuchukuliwa kuwa ndogo vya kutosha.
Gharama ya kurahisisha ni nini?
Mienendo ya shinikizo inapoondolewa kwenye modeli ya udhibiti, athari yake huhamishiwa kwa vitendo kwenye usumbufu ambao haujafanyiwa modeli. Matokeo yake:
- usumbufu wa jumla ambao mwangalizi lazima aukadirie unaweza kuwa mkubwa,
- gain kali zaidi zinaweza kuchochea mienendo isiyofanyiwa modeli ya mfumo wa shinikizo,
- mitetemo zaidi inaweza kutokea katika ishara za shinikizo.
Vielelezo 6–8 vya majaribio vinaendana na tafsiri hii kwa kuonyesha makadirio ya usumbufu yanayobadilika polepole zaidi na, katika baadhi ya hali, profaili ya shinikizo iliyo laini zaidi kwa kidhibiti cha modeli kamili.
Ni vigezo gani vilitumiwa katika modeli ya simulizi?
| Kigezo | Thamani | Maana |
|---|---|---|
| \(M\) | 60 g | Mzigo unaosogea |
| \(c\) | 100 kg/s | Damping sawia |
| \(L_0\) | 13,5 mm | Urefu wa kijiometri wa pouch |
| \(d\) | 14 mm | Jiometri ya pouch |
| \(D\) | 9 mm | Jiometri ya pouch |
| \(n_L\) | 4 | Idadi ya pouch kwa mfululizo kwa kila motor |
| \(x_M\) | 11 mm | Kigezo cha kijiometri cha mwendo |
| \(x_0\) | 5,5 mm | Kigezo cha nusu mwendo |
| \(V_0\) | 3 × 10−10 m³ | Modeli ya dead volume ya bomba na fitting |
| \(T_0\) | 298 K | Joto la anga |
| \(P_0\) | 101325 Pa | Shinikizo la anga |
| \(\gamma\) | 1,4 | Faharasa ya politropiki |
| \(R_s\) | 287 J/(kg·K) | Konstanti mahususi ya gesi ya hewa kavu |
| \(\nu\) | 3,5 | Mgawo wa majaribio wa marekebisho ya jiometri |
Usumbufu ulifafanuliwaje katika simulizi?
Usumbufu wa nje usiojulikana ulitolewa kama:
\[ F= 0.2\log\left[0.1(1+t)\right]\ \mathrm{N} \]
hivyo.
Kasi yake ya mabadiliko ni:
\[ \dot{F}= \frac{0.2}{1+t} \leq0.2 \]
na kwa hiyo inatimiza dhana ya derivative yenye kikomo ya usumbufu katika nadharia ya udhibiti.
Jaribio la kutokuwa na uhakika wa vigezo kwa %10 lilionyesha nini?
Watafiti walibadilisha vigezo \(c\), \(M\), \(\kappa_1\) na \(\kappa_2\) katika simulizi kati ya %90 na %110 ya thamani zake za kawaida katika kila hatua ya muda huku wakikipa kidhibiti thamani za kawaida.
Jaribio hili halikuwa mabadiliko ya mzigo wa kimwili, bali lilikuwa jaribio la numerical robustness lililoundwa ili kuona mwitikio wa mwangalizi na vidhibiti kwa kutolingana kwa modeli kunakobadilika haraka.
Vidhibiti vyote viwili hatimaye vilifuata marejeo; hata hivyo, kupotoka kwa awali kwa kidhibiti cha modeli kamili kulikuwa kidogo zaidi, na iliripotiwa kwamba kilifikia bendi ya marejeo ya 0,1 mm takriban sekunde 0,1 mapema kuliko kidhibiti kilichopunguzwa.
Kutokuwa na uhakika wa vigezo kuliongeza ukubwa wa usumbufu wa jumla kwa takriban 2 N na kusogeza shinikizo za pouch karibu na mipaka yake. Katika kidhibiti kilichopunguzwa, kufika kwa \(P_2\) kwenye mpaka wa chini wa shinikizo kulijadiliwa kama hali inayoweza kusababisha pouch kulegea.
Mfumo wa majaribio ya kimwili ulitumia vifaa gani?
| Kipengele | Kifaa kilichotumiwa |
|---|---|
| Regulator ya nyumatiki | SMC ITV1030 |
| DAC | MCP4922, 12 bit |
| Sensa ya shinikizo | MS4525DO, 14 bit |
| Enkoda ya mstari | HEDS-9200 |
| Encoder strip | 250 LPI |
| Quadrature counter | LS7366R |
| Bodi ya udhibiti | Arduino Uno R4 WiFi |
| Masafa ya sampuli | 100 Hz |
| Mawasiliano ya serial ya PC | 115200 baud |
| Kizuizi kinachosogea | 60 g |
Kwa nini mipaka ya shinikizo iliwekwa katika majaribio?
Ili kuzuia pouch motor kuharibika:
\[ P_{\max}=400\ \text{mbar} \]
ilitumiwa kama mpaka wa juu.
Ili kuzuia motor kulegea kutokana na shinikizo lisilotosha:
\[ P_{\min}=30\ \text{mbar} \]
ilitumiwa kama mpaka wa chini.
Mwanzoni mwa kila jaribio, nafasi ya kati ilikalibishwa katika hali ya \(P_1=P_2=150\) mbar.
Gain za vidhibiti
| Kidhibiti | Simulizi | Jaribio |
|---|---|---|
| Kidhibiti cha modeli kamili, Mlinganyo (25) | \(K_1=320,\ K_2=360,\ \alpha=40\) | \(K_1=320,\ K_2=360,\ \alpha=10\) |
| Modeli iliyopunguzwa, Mlinganyo (33) | \(K_1=180,\ \alpha=40\) | \(K_1=180,\ \alpha=10\) |
| PID | Si sehemu kuu ya ulinganisho wa majaribio | \(K_p=0,1,\ K_i=0,05,\ K_d=0,01\) |
Gain zilichaguliwaje?
Gain za vidhibiti vinavyotegemea modeli hazikupatikana kwa optimization kamili ya kiotomatiki. Watafiti waliongeza \(K_1\) na \(K_2\) huku wakihifadhi masharti ya uthabiti wa kinadharia na kuzirekebisha hadi overshoot ilipozidi %10 ya displacement ya juu.
\(\alpha\) iliongezwa hadi mitetemo endelevu ilipoonekana katika makadirio ya mwangalizi.
Vigezo vya PID vilichaguliwa ili kukaribia rise time ya vidhibiti vinavyotegemea modeli katika jaribio la ufuatiliaji wa cubic na kupunguza overshoot.
Kwa hiyo, matokeo yanahusu utaratibu huu maalum wa tuning; si ulinganisho wa global optimum wa mipangilio yote inayowezekana ya PID au vidhibiti vinavyotegemea modeli.
Ni marejeo gani yalitumiwa katika majaribio?
Aina mbili za marejeo zilitumiwa:
- profaili ya nafasi ya ±1 mm yenye mpito wa cubic uliolainishwa,
- profaili ya nafasi ya sinusoidal ya 0,05 Hz.
Katika maeneo ya mpito ya profaili ya cubic, derivative ya kwanza ilichaguliwa kuwa sifuri katika ncha. Sifa hii hufanya derivative za viwango vya juu vya marejeo zinazohitajika na kidhibiti cha modeli kamili ziwe laini zaidi.
Kila jaribio lilirudiwa mara ngapi?
Thamani za kosa la juu, MAE na RMSE katika Jedwali 4 ni wastani na mkengeuko wa kawaida wa majaribio matano kwa kila kidhibiti na njia.
Makosa yamezungushwa hadi azimio la 0,01 mm la enkoda ya nafasi.
Matokeo ya jaribio la sinusoidal
| Kidhibiti | Kosa la juu (mm) | MAE (mm) | RMSE (mm) |
|---|---|---|---|
| Modeli kamili, Mlinganyo (25) | 0,19 ± 0,05 | 0,04 ± 0,00 | 0,05 ± 0,00 |
| Modeli iliyopunguzwa, Mlinganyo (33) | 0,16 ± 0,01 | 0,04 ± 0,00 | 0,06 ± 0,00 |
| PID | 0,25 ± 0,01 | 0,07 ± 0,00 | 0,09 ± 0,00 |
Katika kazi ya sinusoidal, MAE za vidhibiti vya modeli kamili na iliyopunguzwa ni sawa. Kidhibiti cha modeli kamili kilitoa RMSE ndogo zaidi, lakini kwa kosa la juu kidhibiti kilichopunguzwa kilitoa thamani ndogo.
Matokeo ya jaribio la cubic
| Kidhibiti | Kosa la juu (mm) | MAE (mm) | RMSE (mm) |
|---|---|---|---|
| Modeli kamili, Mlinganyo (25) | 0,22 ± 0,06 | 0,04 ± 0,00 | 0,04 ± 0,00 |
| Modeli iliyopunguzwa, Mlinganyo (33) | 0,21 ± 0,00 | 0,05 ± 0,01 | 0,06 ± 0,00 |
| PID | 0,24 ± 0,02 | 0,05 ± 0,00 | 0,07 ± 0,01 |
Kazi ya cubic ndiyo jaribio ambalo athari ya kuongeza mienendo ya shinikizo katika modeli inaonekana wazi zaidi. Watafiti wanaripoti kwamba kidhibiti cha modeli kamili kiliboresha RMSE kwa %33,3 na MAE kwa %20 ikilinganishwa na kidhibiti kilichopunguzwa.
Kauli “%33,3 sahihi zaidi” inapaswa kusomwaje?
Uwiano huu haupaswi kutumika kwa vipimo vyote vya kosa. Maboresho ya %33,3 katika chanzo yanahusu mabadiliko ya RMSE ya njia ya cubic:
\[ 0,06\ \mathrm{mm} \rightarrow 0,04\ \mathrm{mm} \]
hayo.
Katika jaribio hilohilo, kosa la juu ni:
\[ 0,21\ \mathrm{mm} \rightarrow 0,22\ \mathrm{mm} \]
hivyo; yaani kosa la juu la papo moja lilikuwa juu kidogo katika kidhibiti kipya.
Kwa hiyo, hitimisho kuu lenye nguvu ni kwamba kidhibiti cha modeli kamili kilitoa RMSE/MAE bora kwa ujumla wa usambazaji wa makosa; haijaonyeshwa kwamba kila wakati na katika kila kipimo cha kosa kinatoa thamani ndogo zaidi.
Profaili za shinikizo zilionyesha nini?
Katika Vielelezo 6 na 7, vidhibiti vinavyotegemea modeli vinaonekana kutumia kwa ujumla shinikizo la pouch lililo juu kidogo kuliko PID. Watafiti wanahusisha hili na gain za juu za udhibiti zinazohitajika kwa mipaka midogo ya kinadharia ya kosa la ufuatiliaji.
Kulingana na chanzo, tofauti ya shinikizo kati ya vidhibiti ni chini ya 50 mbar wakati wowote.
Katika profaili ya shinikizo ya pouch motor 2, vilele vya juu na mabadiliko ya haraka zaidi yalionekana. Waandishi wanaeleza kwamba hii inaweza kutokana na uvujaji mdogo wa hewa unaolazimisha regulator kujaza mara kwa mara zaidi.
Mwangalizi wa usumbufu alifanyaje katika majaribio?
Kielelezo 8 kinaonyesha usumbufu wa jumla uliokadiriwa na mwangalizi kwa vidhibiti vya modeli kamili na iliyopunguzwa.
Kwa kidhibiti cha modeli kamili, usumbufu uliokadiriwa una amplitude ndogo zaidi na hubadilika polepole zaidi; katika udhibiti uliopunguzwa, vilele na mabadiliko makubwa zaidi vinaonekana.
Watafiti wanaeleza hili kwa ukweli kwamba mienendo ya shinikizo inapoondolewa katika modeli iliyopunguzwa, mienendo hiyo lazima ishughulikiwe na mwangalizi kama “usumbufu usiojulikana”.
Ujumbe mkuu wa kihandisi wa kujumuisha mienendo ya shinikizo katika modeli
Majaribio hayakusudii kuonyesha tu kwamba modeli iliyo changamano zaidi hutoa matokeo bora kwa sababu ya uchangamano wake. Mlolongo mkuu ni huu:
Amri ya regulator → mtiririko wa hewa → shinikizo la pouch → ujazo na jiometri ya pouch → nguvu ya kimekanika → nafasi ya mzigo.
Uundaji wa shinikizo katikati ya mlolongo huu unapopuuzwa, kidhibiti hulazimika kutazama ucheleweshaji na athari za mtiririko katika mwitikio halisi wa mfumo wa kimekanika kama kosa la jumla. Utafiti huu unaonyesha kwamba katika prototaipu iliyopo, kufanya modeli ya wazi ya mienendo hii ya kati kunaweza kupunguza RMSE ya ufuatiliaji.
Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti
- Pouch motor mbili za nyumatiki ziliweza kutumiwa kama jozi halisi ya kiantagonisti kwa ufuatiliaji sahihi wa nafasi ya mstari katika pande mbili.
- Modeli ya uchanganuzi inayounganisha jiometri ya pouch, mzigo wa kimekanika na mienendo ya shinikizo ya hewa inayobanika iliweza kutumika katika muundo wa udhibiti wa mfumo wa majaribio.
- Mwangalizi usio wa mstari unaotegemea I&I uliweza kufidia kutokuwa na uhakika wa jumla wa modeli na usumbufu ndani ya udhibiti.
- Kwa kidhibiti cha modeli kamili chenye vigezo vya kuteleza vilivyopachikwa, masharti ya boundedness ya mwisho chini ya usumbufu unaobadilika kwa muda na kuunganika kwa kielelezo chini ya usumbufu thabiti yalitolewa kwa uchanganuzi.
- Kidhibiti kinachotegemea modeli iliyopunguzwa na kinachopuuza mienendo ya shinikizo pia kilitoa makosa ya jumla ya ufuatiliaji yaliyo chini kuliko PID katika majaribio.
- Katika jaribio la cubic, kidhibiti cha modeli kamili kilipunguza RMSE kwa %33,3 na MAE kwa %20 ikilinganishwa na kidhibiti kilichopunguzwa.
- Kidhibiti cha modeli kamili kilitoa MAE na RMSE zilizo chini kuliko PID katika wasifu wote wawili wa majaribio.
- Kujumuisha mienendo ya shinikizo katika modeli kulihusishwa na tabia laini zaidi ya shinikizo na makadirio madogo zaidi ya usumbufu wa mwangalizi katika majaribio.
- Mfumo uliweza kufuatilia mabadiliko ya nafasi yaliyolainishwa ya takriban 2 mm ndani ya chini ya sekunde mbili.
Matokeo ambayo utafiti haukuonyesha
- Haijaonyeshwa kwamba kidhibiti kipya ni sahihi kwa %33,3 katika aktueta zote laini za nyumatiki.
- Thamani ya %33,3 haimaanishi kwamba vipimo vyote vya kosa vimeboreshwa.
- Kidhibiti kipya hakikutoa kila wakati kosa la juu la papo moja lililo chini zaidi katika majaribio.
- Utafiti haukufanya majaribio kwenye roboti laini yenye viwango vingi vya uhuru.
- Hakuna kazi ya upasuaji wa robotiki au matumizi ya kliniki yaliyotekelezwa.
- Hakuna majaribio kwa binadamu au wanyama yaliyofanywa.
- Misa tofauti za payload hazikujaribiwa kwa utaratibu katika jaribio la kimwili.
- Robustness ya majaribio dhidi ya mshtuko/mgusano mkali wa nje haikuonyeshwa.
- State-dependent leakage au pressure-dependent uncertainty hazikuingizwa katika mwangalizi kama modeli tofauti za mienendo.
- Deadband na stiction hazifunikwi na nadharia ya udhibiti chini ya dhana ya sasa ya usumbufu.
- Haijaonyeshwa kwamba mbinu ya orifisi ya ISO 6358 inawakilisha kikamilifu mtiririko wa ndani wa regulator ya kidijitali halisi.
- Mipaka ya uthabiti wa muda-discrete kwa gain kubwa sana za kidhibiti haikutolewa.
- Maisha ya muda mrefu ya pouch motor au athari ya shinikizo la juu kwenye uimara wa nyenzo hayakuchunguzwa.
Mbinu na Matokeo ya Utafiti
Mlolongo wa udhibiti kutoka modeli hadi aktuasheni halisi
Verianla Live: Udhibiti wa ufuatiliaji wa pouch motor unafanyaje kazi?
Mtiririko huu unaonyesha mlolongo mkuu wa kimwili na kihisabati wa kidhibiti cha modeli kamili kilichotumiwa katika utafiti.
| Hatua | Mchakato | Maana ya kisayansi |
|---|---|---|
| 1 | Nafasi ya marejeo \(x_d\) | Mwendo lengwa wa sinusoidal au cubic uliolainishwa hubainishwa. |
| 2 | Kosa la nafasi \(e=x_d-x\) | Tofauti kati ya nafasi halisi ya mzigo na lengo huhesabiwa. |
| 3 | Mwangalizi wa usumbufu wa I&I | Kosa la modeli, msuguano na athari nyingine za usumbufu wa jumla hukadiriwa. |
| 4 | Vigezo vya kuteleza vilivyopachikwa | \(\zeta=\dot e+K_1e\) na \(\tau=\dot\zeta+K_2\zeta\) huundwa. |
| 5 | Mtiririko unaohitajika wa wingi wa hewa | Sheria ya udhibiti ya modeli kamili yenye mienendo ya shinikizo huhesabu hitaji la mtiririko. |
| 6 | Modeli ya mtiririko wa kinyume ya ISO 6358 | Mtiririko unaohitajika hubadilishwa kuwa amri ya shinikizo la upstream la regulator. |
| 7 | Uwekaji shinikizo wa kiantagonisti | Pouch moja hujazwa huku nyingine ikitolewa hewa; nguvu zinazopingana huweka mzigo kwenye nafasi. |
| 8 | Mrejesho wa shinikizo na nafasi | P1, P2 na nafasi ya mzigo hupimwa tena katika kitanzi cha udhibiti cha 100 Hz. |
Ulinganisho wa udhibiti wa majaribio
Verianla Live: Kuongeza mienendo ya shinikizo katika modeli kulibadilishaje kosa la ufuatiliaji?
Data ni matokeo ya Jedwali 4 la utafiti. Kila thamani inaonyesha wastani ± mkengeuko wa kawaida kutoka majaribio matano ya kimwili. MAE na RMSE ndogo humaanisha kosa dogo la jumla la ufuatiliaji; kosa la juu ni kipimo tofauti.
| Njia | Kidhibiti | Kosa la juu (mm) | MAE (mm) | RMSE (mm) | Chanzo |
|---|---|---|---|---|---|
| Sinusoidal | Modeli kamili – Mlinganyo (25) | 0,19 ± 0,05 | 0,04 ± 0,00 | 0,05 ± 0,00 | Jedwali 4 |
| Sinusoidal | Modeli iliyopunguzwa – Mlinganyo (33) | 0,16 ± 0,01 | 0,04 ± 0,00 | 0,06 ± 0,00 | Jedwali 4 |
| Sinusoidal | PID | 0,25 ± 0,01 | 0,07 ± 0,00 | 0,09 ± 0,00 | Jedwali 4 |
| Cubic | Modeli kamili – Mlinganyo (25) | 0,22 ± 0,06 | 0,04 ± 0,00 | 0,04 ± 0,00 | Jedwali 4 |
| Cubic | Modeli iliyopunguzwa – Mlinganyo (33) | 0,21 ± 0,00 | 0,05 ± 0,01 | 0,06 ± 0,00 | Jedwali 4 |
| Cubic | PID | 0,24 ± 0,02 | 0,05 ± 0,00 | 0,07 ± 0,01 | Jedwali 4 |
Ujumbe mkuu wa kisayansi wa Jedwali 4
Matokeo ya majaribio yanaonyesha kwa pamoja mambo matatu tofauti.
- Mbinu zote mbili za udhibiti unaotegemea modeli zilitoa makosa ya ufuatiliaji yaliyo chini ya kiwango cha msingi cha PID kwa MAE na RMSE.
- Modeli kamili yenye mienendo ya shinikizo ilitoa MAE na RMSE ndogo zaidi kuliko modeli iliyopunguzwa, hasa katika njia ya cubic.
- Mpangilio wa kosa la juu la papo moja haukuwa sawa na mpangilio wa MAE/RMSE; kidhibiti cha modeli kamili hakikuzidi kidhibiti kilichopunguzwa kwa kipimo cha kosa la juu.
Kwa hiyo, faida ya majaribio ya kuongeza mienendo ya shinikizo inapaswa kuelezwa si kwamba “ilipunguza kila thamani ya kosa”, bali kwamba iliboresha usambazaji wa jumla wa makosa ya ufuatiliaji na hasa RMSE.
Kutenganisha ushahidi wa simulizi na wa majaribio
| Matokeo | Aina ya ushahidi | Kikomo cha tafsiri |
|---|---|---|
| Vidhibiti viwili kuwa na tabia inayofanana katika modeli ya kawaida | Simulizi ya MATLAB | Modeli na kidhibiti hutumia vigezo sawa vya kawaida |
| Tabia bora ya transient ya modeli kamili chini ya kutokuwa na uhakika wa vigezo wa %10 | Simulizi ya robustness ya MATLAB | Vigezo hubadilishwa kwa bandia kati ya %90–110 |
| RMSE ya sinusoidal 0,05 mm | Prototaipu ya kimwili, marudio 5 | Masharti ya mzigo wa 60 g na vifaa vilivyopo |
| RMSE ya cubic 0,04 mm | Prototaipu ya kimwili, marudio 5 | Masharti ya mzigo wa 60 g na vifaa vilivyopo |
| Uboreshaji wa RMSE wa %33,3 | Ulinganisho wa kimwili wa njia ya cubic | Tofauti ya RMSE kati ya modeli kamili C(25) na iliyopunguzwa C(33) |
| Matokeo ya uthabiti wa Lyapunov | Uthibitisho wa kihisabati wa uchanganuzi | Yanategemea modeli na dhana za usumbufu zilizowekwa katika utafiti |
Nguvu za utafiti
- Unajumuisha si simulizi ya udhibiti tu bali pia majaribio halisi ya aktueta laini za nyumatiki.
- Unalinganisha moja kwa moja athari ya kuwa na mienendo ya shinikizo katika modeli dhidi ya modeli iliyopunguzwa.
- Unatumia kiwango cha msingi cha PID cha vitendo dhidi ya mbinu zinazotegemea modeli.
- Unajumuisha mwangalizi usio wa mstari kwa usumbufu usiojulikana.
- Unachunguza sifa za uthabiti za kidhibiti na mwangalizi kwa uchanganuzi wa Lyapunov.
- Unaripoti matokeo ya majaribio kwa wastani na mkengeuko wa kawaida kutoka marudio matano badala ya jaribio moja.
- Unafanya kalibresheni ya open-loop na uchanganuzi wa unyeti kwa kigezo cha modeli \(\nu\).
- Unaripoti wazi mipaka ya shinikizo na masafa ya sampuli ya vifaa halisi.
- Unajadili hali ambazo kurahisisha modeli bado kunaweza kuwa chaguo linalofaa.
Mapungufu makuu
- Mfumo wa majaribio ni mekanizimu ya mstari yenye kiwango kimoja cha uhuru.
- Mzigo umeripotiwa kwa kina hasa katika hali ya 60 g ya prototaipu iliyopo.
- Jiometri ya orifisi haiwakilishi kikamilifu muundo wa ndani wa proportional regulator halisi.
- Thamani halisi ya kipenyo cha orifisi na urefu wenye ufanisi haijulikani na inaweza kubadilika kulingana na mwelekeo wa mtiririko.
- Athari inayowezekana ya leakage katika ishara za shinikizo za majaribio haikufanyiwa modeli kama kigezo tofauti.
- Usumbufu wa state-dependent haukutenganishwa mahsusi katika muundo wa mwangalizi.
- Mabadiliko ya mizigo ya nje na usumbufu unaotumika kutoka nje havikutumiwa kama jaribio la kimfumo la robustness katika majaribio ya kimwili.
- Deadband, stiction na mgusano mkali viko nje ya wigo wa dhana ya sasa ya usumbufu.
- Kwa kuwa kasi hupatikana kwa derivative ya discrete ya kipimo cha nafasi, tatizo la kelele lilitokea kwa gain kubwa za mwangalizi.
- Uchanganuzi wa uthabiti wa continuous-time haubainishi mipaka yote ya utekelezaji wa discrete-digital wenye gain kubwa sana.
- Kidhibiti cha modeli kamili kinahitaji taarifa ya jerk.
- Utafiti haukufanywa kwenye manipulator laini ya multi-DoF.
- Matumizi ya upasuaji au ya biomedical hayakujaribiwa moja kwa moja.
Dokezo la Chanzo na Mbinu
Jina kamili la awali la kazi: Model-Based Control of Antagonistic Pair of Pneumatically Actuated Pouch Motors
Waandishi: Syed Arshad Hussain na Enrico Franco.
Mwandishi wa mawasiliano: Syed Arshad Hussain.
Mchango sawa/uandishi wa kwanza kwa usawa: Chanzo hakina tamko la mchango sawa au uandishi wa kwanza kwa usawa.
Taasisi: Mechanical Engineering Department, Imperial College London, Exhibition Road, London SW7 2AZ, United Kingdom.
Jarida: Actuators.
Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.
Taarifa za bibliografia: Actuators 2026, 15(6), 332.
Kiungo rasmi cha uchapishaji:MDPI – Actuators 15(6), 332
Tarehe ya uchapishaji: 11 Juni 2026. Kazi ilipokelewa 23 Aprili 2026, ikarekebishwa 5 Juni 2026 na ikakubaliwa 9 Juni 2026.
Aina ya chanzo na hali ya mapitio: Ni makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu na kuchapishwa katika jarida la Actuators. Kazi inajumuisha muundo wa udhibiti usio wa mstari wa uchanganuzi, simulizi ya MATLAB na majaribio ya prototaipu ya kimwili.
Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).
Mhariri wa kitaaluma: Zhuming Bi.
Ufadhili: Waandishi wameripoti kuwa utafiti haukupokea ufadhili wa nje.
Kamati ya maadili: Haitumiki.
Ridhaa iliyoarifiwa: Haitumiki.
Upatikanaji wa data: Waandishi wanasema data inaweza kupatikana kutoka kwao kwa ombi linalofaa.
Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kutokuwepo kwa mgongano wa maslahi.
Shukrani: Waandishi wanamshukuru Mark Runciman wa Imperial College London Hamlyn Centre kwa kutoa pouch motor zilizotumiwa katika majaribio.
Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana na utafiti — Syed Arshad Hussain na Enrico Franco; metodolojia na uchanganuzi — waandishi wote wawili; programu na rasimu ya kwanza — Syed Arshad Hussain; mapitio na usimamizi — Enrico Franco.
Wigo wa majaribio: Mpangilio wa majaribio ya kimwili ulihusisha pouch motor mbili za kiantagonisti zikisogeza mzigo wa 60 g kwenye reli ya mstari. Kitanzi cha udhibiti kiliendeshwa kwa 100 Hz na kila matokeo ya kosa la majaribio yaliripotiwa kwa msingi wa marudio matano.
Dhana ya modeli: Utafiti unatumia dhana ya gesi bora na kubana/kupanuka kwa isentropiki. Inadhaniwa kwamba pouch iliyojazwa huchukua profaili inayokaribia silinda na sehemu ya tofauti kutoka jiometri bora hulipwa kwa mgawo wa marekebisho wa majaribio \(\nu=3,5\).
Kikomo cha makadirio ya kijiometri: Chanzo kinaeleza kwamba makadirio ya Taylor katika mlinganyo wa kufupika wa pouch yana kosa la truncation la takriban %3 katika 45°, huku kurahisisha mlinganyo wa ujazo kukiwa na takriban %13. Kosa la makadirio ya ujazo limejumuishwa katika usumbufu wa jumla usiojulikana \(F\).
Dhana ya usumbufu: Nadharia ya udhibiti inahitaji kiwango cha mabadiliko cha usumbufu wa jumla usiojulikana kiwe na kikomo, \(|\dot F|\leq\epsilon\). Chanzo kinaeleza wazi kwamba tabia zisizoendelea kama deadband, stiction na mgusano mkali wa mazingira hazifunikwi na dhana hii.
Kikomo cha modeli ya regulator: Modeli ya orifisi isiyobadilika ya ISO 6358 ni makadirio ya uwakilishi ya tabia ya proportional digital regulator. Kipenyo na urefu wenye ufanisi wa orifisi havijulikani kwa usahihi na vinaweza kubadilika kulingana na mwelekeo wa mtiririko.
Kikomo cha mwangalizi: Ingawa \(\alpha\) kubwa kinadharia huwezesha makadirio ya haraka ya usumbufu, katika majaribio kelele huongezeka kwa sababu kasi huhesabiwa kwa derivative ya discrete ya ishara ya nafasi. Kwa kuwa \(\alpha>10\) ilihusishwa na mitetemo endelevu katika vifaa vilivyopo, \(\alpha=10\) ilichaguliwa katika majaribio.
Kikomo cha ulinganisho wa vidhibiti: PID na vidhibiti vinavyotegemea modeli vilirekebishwa kwa taratibu maalumu za tuning za heuristic. Utafiti haukufanya global controller optimization juu ya seti zote zinazowezekana za gain.
Dokezo la wigo kuhusu matokeo ya %33,3: Uboreshaji wa usahihi wa %33,3 ulioripotiwa katika chanzo unatokana na kupungua kwa RMSE ya kidhibiti cha modeli kamili kutoka 0,06 mm hadi 0,04 mm katika jaribio la cubic. Kosa la juu lilikuwa chini kidogo kwa kidhibiti cha modeli iliyopunguzwa katika majaribio yote mawili ya sinusoidal na cubic. Kwa hiyo, uwiano huu haumaanishi kwamba vipimo vyote vya kosa au kazi zote ziliboreshwa kwa %33,3.
Dokezo la kuzungusha RMSE: Katika Jedwali 4, RMSE ya sinusoidal ya modeli kamili imetolewa kama 0,05 mm baada ya kuzungushwa kwa azimio la enkoda; sehemu ya matokeo inasema makosa ya RMS kwa wasifu wote wawili wa majaribio yalikuwa chini ya 0,05 mm. Kwa kuwa thamani zisizozungushwa hazijatolewa katika chanzo, thamani za Jedwali 4 zimetumika kwa ulinganisho sahihi wa namba katika maudhui ya Verianla.
Kikomo cha matumizi ya shinikizo: Vidhibiti vinavyotegemea modeli vilitumia kwa ujumla shinikizo la pouch lililo juu kidogo kuliko PID katika majaribio. Waandishi wanaeleza kwamba hili linaweza kuwa lisilohitajika kinadharia kwa maisha ya pouch na mahitaji ya usalama wa upasuaji, lakini wanaripoti kwamba tofauti ya shinikizo kati ya vidhibiti katika mfumo uliopo ilikuwa chini ya 50 mbar.
Wigo wa ulimwengu halisi: Utafiti umethibitishwa kwenye prototaipu halisi ya kimwili ya pouch motor; hata hivyo, hakuna jaribio lililofanywa kwenye roboti ya upasuaji, binadamu, mnyama, utaratibu wa kliniki au manipulator laini yenye viwango vingi vya uhuru.
Kazi za baadaye: Waandishi wanapendekeza kupanua modeli kwa miundo yenye viwango vingi vya uhuru, kuchunguza muundo wa udhibiti wa muda-discrete, na kutengeneza waangalizi waliopanuliwa wanaoweza kuzingatia usumbufu wa state-dependent na athari za leakage.
Modeli ya kimekanika, milinganyo ya udhibiti, masharti ya majaribio, thamani za makosa na matokeo ya kisayansi katika maudhui haya ya Verianla yanategemea tu kazi iliyochunguzwa. Uthibitishaji wa nje umetumiwa tu kuthibitisha utambulisho rasmi wa bibliografia wa uchapishaji; hakuna matokeo mapya ya majaribio au utendaji wa udhibiti yaliyoongezwa kutoka nje.
Acha maoni
Anwani yako ya barua pepe haitachapishwa. Sehemu za lazima zimewekewa alama ya *