Тадқиқот пайгирии дақиқи мавқеъро дар системае меомӯзад, ки дар он ду pouch motor-и нарми пневматикӣ, ки ҳангоми пур шудан кӯтоҳ мешаванд, ба таври антагонистӣ ба ҳам пайваст шудаанд. Вақте фишори як мотор зиёд ва фишори мотори дигар кам карда мешавад, ду актуатор дар самтҳои муқобил қувва ҳосил карда, бори ҳаракаткунандаро байни онҳо ба рост ё чап ҷойгир мекунанд. Азбаски рафтори механикии pouch motor-ҳо ва динамикаи фишори ҳавои фишурдашавандаи дохили онҳо ғайрихаттӣ аст, муҳаққиқон на танҳо муносибати статикӣ байни мавқеъ ва фишор, балки табдили ҷараёни ҳаво ба фишори дохили pouch ва фишор ба қувваи механикиро низ ба модели идоракунӣ дохил кардаанд.

Саҳми асосии кор контроллери нави ғайрихаттии пайгирӣ мебошад, ки бар модели таҳлилии система бо дарназардошти динамикаи фишор асос ёфтааст. Хатоҳои номаълуми модел, соиш ва дигар халалҳо зери як халали ҷамъшудаи \(F\) муттаҳид карда шудаанд; барои баҳодиҳии ин бузургӣ дар дохили даври идоракунӣ мушоҳидагари ғайрихаттӣ бар асоси равиши Immersion and Invariance (I&I) таҳия шудааст. Азбаски динамикаи фишор сабаб мешавад, ки вуруди идоракунӣ ба муодилаи механикии бор бевосита дохил нашавад, қонуни идоракунӣ бо истифода аз тағйирёбандаи лағжиши думарҳилавӣ ва дарунсохт тарҳрезӣ шудааст.

Муҳаққиқон контроллери навро бо ду равиши алоҳидаи истинодӣ муқоиса кардаанд. Якум — контроллери моделӣ бо модели содакардашуда аст, ки ҳарчанд ҳамон системаи механикиро истифода мебарад, динамикаи фишори дохили pouch-ро нодида мегирад. Дуюм — контроллери классикии PID мебошад, ки дар таҷрибаҳои физикӣ истифода шудааст. Ҳамин тавр, на танҳо саволи «оё идоракунии моделӣ аз PID беҳтар аст?», балки саволи оё ворид кардани динамикаи фишори пневматикӣ ба модел воқеан бартарии ченшаванда медиҳад? низ мустақиман санҷида шудааст.

Дар системаи физикӣ ду pouch motor блоки 60-граммаро дар рӯи релси хаттӣ ҳаракат доданд. Фишорҳо бо регуляторҳои рақамӣ танзим шуданд, фишори ҳар pouch бо сенсорҳои алоҳида чен гардид, мавқеъ бо энкодери хаттӣ пайгирӣ шуд ва ҳалқаи идоракунӣ дар Arduino Uno R4 WiFi бо басомади 100 Hz кор кард. Дар таҷрибаҳо ду траекторияи мавқеъ — синусоидалӣ ва кубӣ — истифода шуда, ҳар як комбинатсияи контроллер–траектория панҷ маротиба такрор гардид.

Дар траекторияи кубӣ хатои миёнаи мутлақи контроллери нави модели пурра 0,04 mm ва хатои RMS низ 0,04 mm буд. Барои контроллере, ки динамикаи фишорро нодида мегирифт, ин қиматҳо мутаносибан 0,05 ва 0,06 mm ва барои PID 0,05 ва 0,07 mm чен шуданд. Муҳаққиқон гузориш медиҳанд, ки контроллери модели пурра нисбат ба контроллери модели содакардашуда дар траекторияи кубӣ RMSE-ро %33,3 ва MAE-ро %20 коҳиш додааст.

Дар траекторияи синусоидалӣ MAE-и контроллери нав бо контроллери содакардашуда яксон, яъне 0,04 mm аст; RMSE бошад мутаносибан 0,05 ва 0,06 mm мебошад. Аз ин рӯ, фоидаи ворид кардани динамикаи фишор ба модел дар ҳамаи нишондиҳандаҳои хато ва ҳамаи траекторияҳо яксон нест. Илова бар ин, аз рӯи хатои максималии якка контроллери содакардашуда дар ҳар ду профили таҷрибавӣ нисбат ба контроллери нав қимати каме пасттар нишон додааст.

Натиҷаҳои кор нишон медиҳанд, ки ворид кардани динамикаи ҳавои фишурдашаванда ба модели идоракунӣ метавонад дақиқии пайгирии pouch motor-ҳои антагонистиро беҳтар ва сигналҳои фишорро ҳамвортар кунад. Бо вуҷуди ин, контроллери нав ба ҳосилаи сеюми траекторияи истинодӣ ниёз дорад, ба модели физикии мураккабтар такя мекунад ва ҳанӯз барои борҳои дигар аз системаи таҷрибавӣ, халалҳои шадид, stiction-и назаррас, ихроҷи тағйирёбанда ё роботҳои нарми дорои дараҷаҳои зиёди озодӣ тасдиқ нашудааст.

Арзёбӣ аз нигоҳи Тоҷикистон: Усули пешниҳодшуда барои гурӯҳҳои тадқиқотӣ дар Тоҷикистон ва минтақа, ки дар соҳаҳои робототехникаи нарм, мушакҳои сунъии пневматикӣ, механизмҳои сабуки роботӣ, робототехникаи тиббӣ ва ҳамкории бехатари инсон–робот фаъолият мекунанд, намунаи арзишманди идоракунӣ пешниҳод мекунад. Хусусан барои актуаторҳои нарми арзон ва осонсохт, ворид кардани на танҳо модели механикии мавқеъ, балки динамикаи таъминоти пневматикӣ ба тарҳи идоракунӣ метавонад дар барномаҳои талабкунандаи дақиқӣ аҳамият дошта бошад. Аммо кор дар амалиёти ҷарроҳӣ, бемор ё вазифаи клиникӣ санҷида нашудааст; «мувофиқ будан барои ҷарроҳии роботӣ» яке аз ангезаҳои мақола аст, на натиҷаи муваффақияти клиникӣ.

Pouch motor чист?

Pouch motor актуатори нарми пневматикӣ мебошад, ки аз ду қабати тунук ва чандир, ки ба ҳам пайваст шудаанд, ҳангоми пур шудан бо ҳаво дар самти меҳварӣ кӯтоҳ мешавад. Моторҳои тадқиқот аз pouch-ҳое иборатанд, ки бо пайваст кардани қабатҳои термопластикии кашишнопазир тавассути системаи махсуси кафшери лазерӣ сохта шудаанд.

Ҳангоми пуршавӣ буриши халта васеъ шуда, ду нӯги он ба ҳам наздик мешаванд. Аз ин рӯ, бо афзоиши фишор дарозии умумии актуатор кам шуда, ҳаракати механикии кашиш ба даст меояд.

Чаро ҷуфти антагонистӣ истифода мешавад?

Як pouch motor танҳо ҳангоми пур шудан тамоюли кӯтоҳшавӣ дорад. Вақте ду мотор ба таври муқобил пайваст мешаванд, яке кӯтоҳ шуда ва дигаре дароз шуда метавонад, ки ин ҳаракати хаттии дуҷонибаро имконпазир месозад.

Дар таҷҳизоти таҳқиқот блоки ҳаракаткунанда байни ду мотор ҷойгир аст. Вақте pouch motor 2 пур ва pouch motor 1 холӣ мешавад, блок ба самти мусбати \(x\); дар ҳолати баръакс ба самти манфии \(x\) ҳаракат мекунад.

Ин тарҳ вазифаи механикие монанд ба ҷуфтҳои антагонистии мушакҳои инсонро иҷро мекунад: ду актуатор дар як меҳвари ҳаракат дар самтҳои муқобил кор мекунанд.

Таҷҳизоти таҷрибавӣ чӣ гуна аст?

Расми 1-и кор чор ҷузъи муҳимро якҷо нишон медиҳад: буриши геометрии як pouch-и пуршуда, профили pouch motor-и пайдарпай пайвастшуда, пайвасти антагонистии схемавии бори ҳаракаткунанда байни ду мотор ва прототипи воқеии лабораторӣ.

Дар таҷҳизоти воқеӣ pouch motor-ҳо ба ду тарафи бори 60-грамма дар релси хаттии уфуқӣ пайваст шудаанд. Хатҳои ҳавоии моторҳо ба регуляторҳои ҷудогона мераванд; фишори pouch-ҳо бо сенсорҳо ва мавқеи бор бо энкодери хаттӣ чен мешавад.

Модели геометрӣ чӣ гуна сохта шуд?

Муҳаққиқон фарз мекунанд, ки pouch-и пуршуда тақрибан шакли силиндрӣ дорад. Азбаски маводи сатҳи pouch кашишнопазир ҳисобида мешавад, дарозии доимии pouch:

\[ L_0=2R\theta \]

ва дарозии меҳварӣ дар ҳолати пуршуда:

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

навишта мешавад.

Бо якҷо кардани онҳо:

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

ба даст меояд. Дар ин ҷо \(L_0\) дарозии доимии сатҳи pouch, \(L\) дарозии меҳварии pouch-и пуршуда, \(R\) радиуси геометрӣ ва \(\theta\) кунҷи марказиро ифода мекунад.

Чаро кӯтоҳшавӣ бо тавсеаи Taylor содда карда шуд?

Вақте як pouch motor дорои \(n_L\) pouch-и пайдарпай аст, кӯтоҳшавии умумӣ:

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

мешавад.

Кор онро бо наздиксозии дараҷаи дуюми Taylor:

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

содда кардааст.

Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки дар амал пуршавии pouch аз 45° зиёд намешавад ва дар ин кунҷ хатои truncation-и ин наздиксозӣ тақрибан %3 аст.

Чаро коэффициенти ислоҳи \(\nu\) лозим аст?

Pouch motor-и воқеӣ аз геометрияи идеалӣ фарқ мекунад. Чандирии маводи термопластикӣ, ғафсии хати кафшер ва тарзи пайваст кардани ду қабат метавонад пуршавиро маҳдуд созад. Муҳаққиқон ба ҷойи моделсозии ҷудогонаи ин таъсирҳо коэффициенти ислоҳи таҷрибавии \(\nu\)-ро истифода кардаанд.

Барои ду pouch кунҷҳо:

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

ва:

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

ифода мешаванд.

Дар ин ҷо \(x\) мавқеи блоки ҳаракаткунанда, \(x_M\) масофаи вобаста ба геометрияи умумии ҳаракат, \(x_0\) масофаи нимҳаракат ва \(\nu\) омили ислоҳи таҷрибавиро ифода мекунад.

\(\nu\) чӣ гуна таҷрибавӣ муайян шуд?

Дар таҷрибаи ҳалқаи кушода ба pouch motor-ҳо қадами фишори мукаммалкунанда дода шуд:

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

RMSE байни модел ва таҷриба барои \(\nu=1\) то 5 бо қадами 0,1 санҷида шуд ва хатои камтарин барои:

\[ \nu=3.5 \]

ба даст омад.

Дар Расми 2-и кор дида мешавад, ки хатти симулятсионӣ бо \(\nu=3,5\) ҷавоби воқеии ҳалқаи кушодаро нисбат ба ҳолати \(\nu=2\) ба таври возеҳ беҳтар пайгирӣ мекунад.

Мувофиқи таҳлили ҳассосияти муҳаққиқон, тағйирёбии ±%10 дар \(\nu\) RMSE-ро тақрибан %20 зиёд кард, аммо RMSE-и мутлақ ҳамоно дар ҳудуди тақрибан \(5\times10^{-3}\) mm боқӣ монд.

Ҳаҷми pouch чӣ гуна моделсозӣ мешавад?

Вақте муодилаи геометрии ҳаҷм барои узви тригонометрӣ бо тавсеаи Taylor содда карда мешавад:

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

наздиксозӣ ба даст меояд.

\(D\) ва \(d\) андозаҳои геометрияи буриши pouch motor мебошанд. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки хатои truncation-и ин наздиксозии ҳаҷм барои \(\theta=45^\circ\) тақрибан %13 аст.

Ин хато бо муодилаи алоҳидаи ислоҳ бартараф намешавад; он дар якҷоягӣ бо дигар хатоҳои моделсозӣ дар халали ҷамъшудаи номаълуми \(F\) ба назар гирифта мешавад.

Фишори pouch чӣ гуна ба қувваи механикӣ табдил меёбад?

Муносибати асосии истифодашуда дар кор:

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

аст.

Ин муодила нишон медиҳад, ки ҳосили тағйирёбии ҳаҷми pouch нисбат ба мавқеи меҳварӣ ва фишори дохилӣ қувваи механикӣ ба вуҷуд меорад.

Азбаски қувваҳои ду pouch motor аломатҳои муқобил доранд, қувваи холиси ба бори ҳаракаткунанда таъсиркунанда аз фарқи антагонистие ба вуҷуд меояд, ки фишорҳои pouch 1 ва pouch 2 ва мавқеи геометрии ҷорӣ якҷоя муайян мекунанд.

Муодилаи динамикии бори ҳаракаткунанда

Дар модел муодилаи асосии ҳаракат барои бори 60-грамма:

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

аст.

Дар ин ҷо \(M\) массаи ҳаракаткунанда, \(c\) дампинги эквивалентӣ, \(P_1\) ва \(P_2\) фишорҳои pouch, \(\kappa_1\) ва \(\kappa_2\) коэффициентҳои геометрӣ, ва \(F\) таъсири ҷамъшудаи хатоҳои моделсозӣ ва халалҳоро ифода мекунад.

Чаро илова кардани динамикаи фишор муҳим аст?

Додани фармони муайяни фишор ба регулятор маънои онро надорад, ки фишори дохили pouch фавран ба ҳамон қимат мерасад. Ҳаво фишурдашаванда аст; қубурҳо, пайвастҳо ва pouch ҳаҷм доранд ва ҷараёни гузаранда аз клапан маҳдуд аст.

Аз ин рӯ, кор тағйирёбии умумии фишорро бо:

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

моделсозӣ мекунад.

Дар фарзияи гази идеалии изентропӣ:

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

истифода мешавад. \(\dot{m}\) ҷараёни холиси массаи ҳавои воридшаванда ё хориҷшаванда аз pouch, \(V\) ҳаҷми ҷории pouch ва \(\gamma\) индекси политропиро ифода мекунад.

Чаро контроллер на фишор, балки ҷараёнро ҳисоб мекунад?

Вақте динамикаи фишор ба ҳисоб гирифта мешавад, вуруди табиии идоракунии системаи механикӣ ҷараёни массаи ҳаво ба pouch ё аз он хориҷшаванда мебошад. Аммо регуляторҳои SMC дар таҷҳизоти таҷрибавӣ фармони мустақими ҷараёнро қабул намекунанд, балки фармони фишори ҳадафро қабул мекунанд.

Муҳаққиқон гузариш байни ин ду доменро бо модели пневматикии orifis ISO 6358 сохтаанд. Модел минтақаҳои ҷараёни subsonic ва choked-ро алоҳида баррасӣ карда, барои гази идеалии дуатомӣ таносуби критикии фишорро:

\[ b=0.528 \]

истифода мебарад.

Барои гузариш аз ҷараёни талабкардаи қонуни идоракунӣ ба фишори upstream-и регулятор, модели orifis баръакс ҳал карда шудааст.

Оё модели ISO 6358 регулятори воқеиро пурра ифода мекунад?

Не. Манбаъ рӯирост мегӯяд, ки модел бар фарзияи orifis-и доимии канори тез асос ёфтааст ва рафтори proportional valve-ро бо тамоми ҷузъиёт ифода намекунад.

Диаметри orifis \(D_c\) ва дарозии \(L_c\) ҳамчун геометрияи воқеии дохилии регулятор дақиқ маълум нестанд. Муҳаққиқон арзёбӣ мекунанд, ки ин метавонад яке аз сабабҳои ноҳамвории сигналҳои фишори таҷрибавӣ бошад.

Номуайяниҳои система чӣ гуна ифода шуданд?

Дар модел соиш, хатоҳои параметрӣ, хатоҳои наздиксозии Taylor ва дигар таъсирҳои моделнашуда:

\[ F \]

зери як халали ҷамъшуда муттаҳид шудаанд.

Фарзияи асосӣ:

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

аст.

Дар тарҳи идоракунӣ донистани \(\epsilon\) шарт нест; аммо суръати тағйирёбии халал бояд маҳдуд бошад.

Ин фарзияи халал кадом ҳолатҳоро хориҷ мекунад?

Мувофиқи шарҳи худи кор, номуттасилиҳои шадид ба доираи ин фарзия дохил намешаванд. Масалан:

• deadband-и назаррас,
• stiction,
• тамоси ногаҳонии сахти муҳити беруна,
• халалҳои хеле шадид ва номуттасил

ҳолатҳое нестанд, ки доираи назариявии мавҷуда онҳоро мустақиман фаро гирад.

Муҳаққиқон барои кам кардани эҳтимоли пайдоиши deadband pouch motor-ҳоро дар оғози таҷриба пешакӣ пур карданд.

Мушоҳидагари Immersion and Invariance чӣ кор мекунад?

Азбаски қимати воқеии халали ҷамъшуда чен намешавад, контроллер наметавонад \(F\)-ро мустақиман истифода барад. Муҳаққиқон барои баҳодиҳии он мушоҳидагари ғайрихаттии бар I&I асосёфтаро таҳия карданд.

Хатои баҳодиҳӣ:

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

ва функсияи ёрирасон:

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

муайян шудааст.

Дар ин ҷо \(\alpha\) параметри асосии танзим байни суръати ҳамгароии мушоҳидагар ва ҳассосияти он ба садо мебошад.

Барои мушоҳидагар чӣ гуна натиҷаи устуворӣ ба даст омад?

Дар натиҷаи таҳлили Lyapunov дар манбаъ нишон дода мешавад, ки хатои баҳодиҳӣ ба минтақаи маҳдуд бо тартиби:

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

ҳамгаро мешавад.

Аз ҷиҳати назариявӣ \(\alpha\)-и калонтар метавонад ҳадди хурдтари хато ва ҳамгароии зудтар диҳад. Аммо дар системаи воқеӣ \(\alpha\)-и баланд садои сигнали суръатро, ки аз ҳосилаи ададии мавқеъ гирифта мешавад, зиёд мекунад.

Чаро дар таҷриба gain-и мушоҳидагар кам карда шуд?

Дар симулятсия:

\[ \alpha=40 \]

истифода шуда, дар таҷрибаҳои физикӣ:

\[ \alpha=10 \]

интихоб шудааст.

Муҳаққиқон мушоҳида карданд, ки дар системаи таҷрибавӣ ҳангоми \(\alpha>10\) садои басомади баланди баҳодиҳии суръат бо таъхири актуатор ҳамкорӣ карда, ба ларзишҳои доимӣ оварда мерасонад.

Аз ин рӯ, \(\alpha=10\) ҳамчун баландтарин gain-и амалан истифодашавандаи мушоҳидагар барои таҷҳизоти мавриди омӯзиш интихоб шудааст.

Чаро тағйирёбандаи лағжиши дарунсохт истифода мешавад?

Бо ворид кардани динамикаи фишор, ҷараёни ҳаво ба муодилаи шитоби бори механикӣ бевосита дохил намешавад. Аз ин рӯ, равиши классикии якқабатаи sliding-variable кофӣ нест.

Аввал хатои мавқеъ:

\[ e=x_d-x \]

муайян мешавад.

Тағйирёбандаи якуми лағжиш:

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

ва тағйирёбандаи дуюми дарунсохт:

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

сохта мешавад.

Ҳадафи контроллер аввал \(\tau\), сипас \(\zeta\) ва дар ниҳоят хатои мавқеъ \(e\)-ро ба сифр ё дар шароити халали тағйирёбандаи вақт ба минтақаи хурди маҳдуд наздик кардан аст.

Зиёдатии антагонистӣ чӣ гуна ҳал мешавад?

Азбаски ду pouch motor метавонанд як ҳаракати хаттиро бо қувваҳои муқобил ба вуҷуд оранд, система аз нигоҳи актуатсия сохтори redundant дорад.

Дар контроллери модели пурра муҳаққиқон ба ҷараёнҳои ҳаво маҳдудияти:

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

мегузоранд.

Ҳамин тавр, вақте як мотор ҳаво мегирад, мотори дигар мутаносибан ҳаво мебарорад ва рафтори антагонистӣ нигоҳ дошта мешавад.

Ҳадди назариявии пайгирии контроллери модели пурра

Дар шароити халалҳои тағйирёбандаи вақт ҳадди ниҳоии хатои пайгирӣ дар манбаъ чунин дода шудааст:

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

дода шудааст.

Барои устуворӣ, илова бар шарти \(K_2>K_1\), бояд ҳадди поёнии барои \(\alpha\) дар манбаъ ҳосилшуда низ иҷро шавад.

Ҳангоми доимӣ будани халал, яъне:

\[ \dot{F}=0 \]

муҳаққиқон нишон медиҳанд, ки ҳаракати истинодӣ ба таври экспоненсиалӣ устувор мешавад.

Контроллере, ки динамикаи фишорро нодида мегирад, чӣ гуна фарқ мекунад?

Дар модели содакардашуда рушди фишори дохили pouch вобаста ба вақт ҳамчун ҳолати ҷудогона баррасӣ намешавад. Фишоре, ки ба регулятор дода мешавад, бевосита ҳамчун вуруди идоракунӣ қабул мегардад.

Фишорҳои антагонистӣ бо муносибати:

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

ба ҳам пайваст карда мешаванд.

Ҳамин тавр, ҷамъбасти ду фишори pouch тақрибан доимӣ нигоҳ дошта шуда, ҳадаф нигоҳ доштани сахтии система дар сатҳи асосӣ мебошад.

Бартарии контроллери содакардашуда чист?

Контроллери содакардашуда ба маълумоти камтари модел ниёз дорад ва бар хилофи контроллери пурра ба арзиши jerk-и траекторияи истинодӣ, яъне:

\[ \dddot{x}_d \]

эҳтиёҷ надорад.

Аз ин рӯ муҳаққиқон қайд мекунанд, ки дар барномаҳое, ки тағйироти ногаҳонии мавқеъ талаб мешавад ё динамикаи фишорро метавон ба қадри кофӣ хурд шуморид, равиши содакардашуда метавонад алтернативаи амалӣ бошад.

Нархи содакунӣ чист?

Вақте динамикаи фишор аз модели идоракунӣ хориҷ мешавад, таъсири он амалан ба халали моделнашуда интиқол меёбад. Дар натиҷа:

• халали ҷамъшудае, ки мушоҳидагар бояд баҳогузорӣ кунад, метавонад калон шавад,
• gain-ҳои хашинтар метавонанд динамикаи моделнашудаи системаи фишорро барангезанд,
• дар сигналҳои фишор ларзиши бештар пайдо шавад.

Расмҳои таҷрибавии 6–8 мувофиқи ин тафсир дар контроллери модели пурра баҳодиҳии халали сусттағйирёбанда ва дар баъзе шароит профили ҳамвортари фишорро нишон медиҳанд.

Дар модели симулятсия кадом параметрҳо истифода шуданд?

Халал дар симулятсия чӣ гуна муайян шуд?

Халали берунии номаълум:

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

дода шудааст.

Суръати тағйирёбӣ:

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

аст, бинобар ин фарзияи ҳосилаи маҳдуди халалро дар назарияи идоракунӣ қонеъ мекунад.

Санҷиши %10 номуайянии параметрҳо чӣ нишон дод?

Муҳаққиқон параметрҳои \(c\), \(M\), \(\kappa_1\) ва \(\kappa_2\)-ро дар симулятсия дар ҳар қадами вақт байни %90 ва %110 қиматҳои номиналӣ тағйир дода, ба контроллер қиматҳои номиналиро додаанд.

Ин таҷриба тағйирёбии физикии бор нест, балки санҷиши ададии robustness мебошад, ки барои дидани вокуниши мушоҳидагар ва контроллерҳо ба номувофиқии зудтағйирёбандаи модел ташкил шудааст.

Ҳар ду контроллер дар ниҳоят истинодро пайгирӣ карданд; аммо инҳирофи ибтидоии контроллери модели пурра хурдтар буд ва гузориш шудааст, ки он ба банди 0,1 mm-и истинод тақрибан 0,1 сония пештар аз контроллери содакардашуда расидааст.

Номуайянии параметрҳо бузургии халали ҷамъшударо тақрибан 2 N зиёд карда, фишорҳои pouch-ро ба ҳудудҳо наздик кардааст. Дар контроллери содакардашуда расидани \(P_2\) ба ҳадди поёнии фишор ҳамчун ҳолате баррасӣ шудааст, ки метавонад ба сустшавии pouch оварда расонад.

Системаи таҷрибавии физикӣ кадом таҷҳизотро истифода бурд?

Чаро дар таҷрибаҳо ҳудудҳои фишор истифода шуданд?

Барои пешгирии осеби pouch motor-ҳо:

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

ҳамчун ҳадди боло истифода шуд.

Барои пешгирӣ аз сустшавии моторҳо аз сабаби фишори нокифоя:

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

ҳамчун ҳадди поён истифода шуд.

Дар оғози ҳар таҷриба мавқеи миёна дар ҳолати \(P_1=P_2=150\) mbar калибр карда шуд.

Gain-ҳои контроллер

Gain-ҳо чӣ гуна интихоб шуданд?

Gain-ҳои контроллерҳои моделӣ бо оптимизатсияи пурраи автоматӣ ёфт нашудаанд. Муҳаққиқон \(K_1\) ва \(K_2\)-ро бо нигоҳ доштани шартҳои назариявии устуворӣ зиёд карда, то он даме танзим кардаанд, ки overshoot нисбат ба ҷобаҷогузории максималӣ аз %10 зиёд шавад.

\(\alpha\) то пайдо шудани ларзиши доимӣ дар баҳодиҳии мушоҳидагар зиёд карда шудааст.

Параметрҳои PID ба тавре интихоб шудаанд, ки дар санҷиши пайгирии кубӣ ба rise time-и контроллерҳои моделӣ наздик шуда, overshoot-ро коҳиш диҳанд.

Аз ин рӯ, натиҷаҳо ба ҳамин тартиби мушаххаси tuning тааллуқ доранд; ин муқоисаи глобалии оптималии ҳамаи маҷмӯаҳои имконпазири gain барои PID ё идоракунии моделӣ нест.

Дар таҷрибаҳо кадом истинодҳо истифода шуданд?

Ду навъи истинод истифода шудааст:

• профили мавқеи ±1 mm бо гузаришҳои кубии ҳамворшуда,
• профили мавқеи синусоидалии 0,05 Hz.

Дар минтақаҳои гузариши профили кубӣ ҳосилаи якум дар нуқтаҳои ниҳоӣ сифр интихоб шудааст. Ин хусусият ҳосилаҳои дараҷаи баланди истинодиро, ки контроллери модели пурра талаб мекунад, ҳамвортар мегардонад.

Ҳар таҷриба чанд маротиба такрор шуд?

Қиматҳои хатои максималӣ, MAE ва RMSE дар Ҷадвали 4 барои ҳар контроллер ва траектория миёна ва инҳирофи стандартии панҷ таҷриба мебошанд.

Хатоҳо то ҳалли 0,01 mm-и энкодери мавқеъ гирд карда шудаанд.

Натиҷаҳои таҷрибаи синусоидалӣ

Дар вазифаи синусоидалӣ MAE-и контроллерҳои модели пурра ва содакардашуда яксон аст. Контроллери модели пурра RMSE-и пасттар дод, аммо аз рӯи хатои максималӣ контроллери содакардашуда қимати пасттар нишон дод.

Натиҷаҳои таҷрибаи кубӣ

Вазифаи кубӣ таҷрибаест, ки дар он таъсири ворид кардани динамикаи фишор ба модел аз ҳама равшан дида мешавад. Муҳаққиқон гузориш медиҳанд, ки контроллери модели пурра нисбат ба контроллери содакардашуда RMSE-ро %33,3 ва MAE-ро %20 беҳтар кардааст.

Ибораи «%33,3 дақиқтар» чӣ гуна бояд фаҳмида шавад?

Ин фоиз набояд ба ҳамаи нишондиҳандаҳои хато татбиқ карда шавад. Беҳбудии %33,3 дар манбаъ ба тағйирёбии RMSE дар траекторияи кубӣ:

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

тааллуқ дорад.

Дар ҳамон таҷриба хатои максималӣ:

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

аст; яъне хатои максималии якка дар контроллери нав каме баландтар баромадааст.

Аз ин рӯ, натиҷаи қавии кор дар он аст, ки контроллери модели пурра аз ҷиҳати тақсимоти умумии хато RMSE/MAE-и беҳтар медиҳад; нишон дода нашудааст, ки он дар ҳар лаҳза ва барои ҳар нишондиҳандаи хато ҳамеша қимати хурдтар медиҳад.

Профилҳои фишор чӣ нишон доданд?

Дар Расмҳои 6 ва 7 дида мешавад, ки контроллерҳои моделӣ умуман нисбат ба PID фишори pouch-и каме баландтар истифода мекунанд. Муҳаққиқон инро ба gain-ҳои баландтари идоракунӣ, ки барои ҳудудҳои хурдтари назариявии хатои пайгирӣ лозиманд, вобаста мекунанд.

Мувофиқи манбаъ, фарқи фишор байни контроллерҳо дар ҳар лаҳза аз 50 mbar кам аст.

Дар профили фишори pouch motor 2 қуллаҳои баландтар ва тағйироти тезтар дида шудаанд. Муаллифон қайд мекунанд, ки ин метавонад аз ихроҷи хурди ҳаво бошад, ки регуляторро маҷбур мекунад зуд-зуд пур кунад.

Мушоҳидагари халал дар таҷриба чӣ гуна рафтор кард?

Расми 8 халали ҷамъшударо нишон медиҳад, ки мушоҳидагар барои контроллерҳои модели пурра ва содакардашуда баҳогузорӣ кардааст.

Дар контроллери модели пурра халали баҳогузоришуда амплитудаи камтар ва тағйироти сусттар дорад, дар ҳоле ки дар идоракунии содакардашуда қуллаҳо ва тағйироти калонтар дида мешаванд.

Муҳаққиқон инро чунин шарҳ медиҳанд: вақте динамикаи фишор аз модели содакардашуда хориҷ мешавад, он маҷбур аст аз ҷониби мушоҳидагар ҳамчун «халали номаълум» ҷуброн карда шавад.

Паёми асосии муҳандисии ворид кардани динамикаи фишор ба модел

Таҷрибаҳои кор танҳо нишон додани он нестанд, ки модели мураккабтар худ аз худ натиҷаи беҳтар медиҳад. Механизми асосӣ чунин аст:

Фармони регулятор → ҷараёни ҳаво → фишори pouch → ҳаҷм ва геометрияи pouch → қувваи механикӣ → мавқеи бор.

Агар қисми миёнаи ин занҷир, яъне ташаккули фишор, нодида гирифта шавад, контроллер бояд таъхир ва таъсирҳои ҷараёнро дар ҷавоби воқеии системаи механикӣ ҳамчун хатои ҷамъшуда қабул кунад. Ин кор нишон медиҳад, ки дар прототипи мавҷуда моделсозии возеҳи ин динамикаи миёна метавонад RMSE-и пайгириро коҳиш диҳад.

Натиҷаҳое, ки кор дастгирӣ мекунад

• Ду pouch motor-и пневматикӣ метавонанд ҳамчун ҷуфти физикии антагонистӣ барои пайгирии дақиқи мавқеи хаттии дуҷониба истифода шаванд.
• Модели таҳлилие, ки геометрияи pouch, бори механикӣ ва динамикаи фишори ҳавои фишурдашавандаро якҷо мекунад, барои тарҳи идоракунии системаи таҷрибавӣ истифода шудааст.
• Мушоҳидагари ғайрихаттии бар I&I асосёфта тавонист номуайянии ҷамъшудаи модел ва халалро дар дохили идоракунӣ ҷуброн кунад.
• Барои контроллери модели пурра бо тағйирёбандаи лағжиши дарунсохт шартҳои маҳдудияти ниҳоӣ дар халали тағйирёбандаи вақт ва ҳамгароии экспоненсиалӣ дар халали доимӣ ба таври таҳлилӣ ҳосил шудаанд.
• Контроллери модели содакардашуда, ки динамикаи фишорро нодида мегирад, низ дар таҷрибаҳо нисбат ба PID хатои умумии пайгирии камтар додааст.
• Контроллери модели пурра дар таҷрибаи кубӣ нисбат ба контроллери содакардашуда RMSE-ро %33,3 ва MAE-ро %20 кам кардааст.
• Контроллери модели пурра дар ҳар ду профили таҷрибавӣ нисбат ба PID MAE ва RMSE-и камтар додааст.
• Ворид кардани динамикаи фишор ба модел дар таҷрибаҳо бо рафтори ҳамвортари фишор ва баҳодиҳии хурдтари халал аз ҷониби мушоҳидагар алоқаманд шудааст.
• Система тавонист тағйирёбии ҳамворшудаи тақрибан 2 mm-и мавқеъро дар камтар аз ду сония пайгирӣ кунад.

Натиҷаҳое, ки кор нишон надодааст

• Нишон дода нашудааст, ки контроллери нав дар ҳамаи актуаторҳои нарми пневматикӣ %33,3 дақиқтар аст.
• Қимати %33,3 маънои беҳбудии ҳамаи нишондиҳандаҳои хаторо надорад.
• Контроллери нав дар таҷрибаҳо ҳамеша камтарин хатои максималии лаҳзавиро надодааст.
• Кор дар роботи нарми дорои дараҷаҳои зиёди озодӣ таҷриба нагузаронидааст.
• Вазифаи ҷарроҳии роботӣ ё татбиқи клиникӣ иҷро нашудааст.
• Дар инсон ё ҳайвон таҷриба гузаронида нашудааст.
• Массаҳои тағйирёбандаи payload дар таҷрибаи физикӣ ба таври системавӣ санҷида нашудаанд.
• Robustness-и таҷрибавӣ нисбат ба зарба/тамоси шадиди беруна нишон дода нашудааст.
• State-dependent leakage ё pressure-dependent номуайяниҳо ҳамчун моделҳои динамикии ҷудогона ба мушоҳидагар дохил нашудаанд.
• Deadband ва stiction дар доираи фарзияи мавҷудаи халал аз ҷониби назарияи идоракунӣ фаро гирифта намешаванд.
• Нишон дода нашудааст, ки равиши orifis ISO 6358 ҷараёни дохилии регулятори рақамии воқеиро пурра ифода мекунад.
• Барои gain-ҳои хеле баланди контроллер ҳудудҳои устувории вақти дискретӣ ҳосил нашудаанд.
• Умри дарозмуддати pouch motor ё таъсири фишори баланд ба устувории мавод омӯхта нашудааст.

Усул ва натиҷаҳои кор

Занҷири идоракунӣ аз модел то актуатсияи воқеӣ

Муқоисаи таҷрибавии идоракунӣ

Паёми асосии илмии Ҷадвали 4

Натиҷаҳои таҷрибавӣ се нуктаи алоҳидаро якҷо нишон медиҳанд.

1. Ҳар ду равиши идоракунии моделӣ аз рӯи MAE ва RMSE хатои пайгирии камтар аз хатти асосии PID доданд.
2. Модели пурра бо динамикаи фишор, махсусан дар траекторияи кубӣ, нисбат ба модели содакардашуда MAE ва RMSE-и пасттар фароҳам овард.
3. Тартиби хатои максималии якка бо тартиби MAE/RMSE яксон нест; контроллери модели пурра аз рӯи хатои максималӣ контроллери содакардашударо нагузашт.

Аз ин рӯ, бартарии таҷрибавии ворид кардани динамикаи фишорро бояд на ҳамчун «ҳар як қимати хаторо кам кард», балки ҳамчун беҳтар кардани тақсимоти умумии хатои пайгирӣ ва махсусан RMSE баён кард.

Ҷудо кардани далелҳои симулятсия ва таҷриба

Ҷиҳатҳои қавии тадқиқот

• На танҳо симулятсияи идоракунӣ, балки таҷрибаҳои воқеии актуаторҳои нарми пневматикиро дар бар мегирад.
• Таъсири мавҷуд будани динамикаи фишор дар моделро бевосита бо модели содакардашуда муқоиса мекунад.
• Барои муқоиса бо усулҳои моделӣ хатти асосии амалии PID-ро истифода мебарад.
• Барои халалҳои номаълум мушоҳидагари ғайрихаттӣ дорад.
• Хусусиятҳои устувории контроллер ва мушоҳидагарро бо таҳлили Lyapunov баррасӣ мекунад.
• Натиҷаҳои таҷрибавиро на аз як санҷиш, балки бо миёна ва инҳирофи стандартӣ аз панҷ такрор гузориш медиҳад.
• Барои параметри модели \(\nu\) калибркунии таҷрибавии ҳалқаи кушода ва таҳлили ҳассосият мегузаронад.
• Ҳудудҳои фишор ва басомади намунагирии таҷҳизоти воқеиро равшан гузориш медиҳад.
• Муҳокима мекунад, ки дар кадом шароит содакунӣ ҳанӯз метавонад интихоб шавад.

Маҳдудиятҳои асосӣ

• Системаи таҷрибавӣ механизми хаттии якдараҷаи озодӣ мебошад.
• Бор асосан танҳо дар шароити 60 g-и прототипи мавҷуда муфассал гузориш шудааст.
• Геометрияи orifis сохтори дохилии proportional regulator-и воқеиро пурра ифода намекунад.
• Қимати дақиқи диаметри orifis ва дарозии муассир маълум нест ва метавонад бо самти ҷараён тағйир ёбад.
• Таъсири эҳтимолии leakage дар сигналҳои фишори таҷрибавӣ ҳамчун параметри ҷудогона моделсозӣ нашудааст.
• Халалҳои state-dependent дар тарҳи мушоҳидагар махсус ҷудо карда нашудаанд.
• Тағйироти бори беруна ва халалҳои аз берун воридшуда дар таҷрибаи физикӣ ҳамчун санҷиши системавии robustness истифода нашудаанд.
• Deadband, stiction ва тамоси шадид берун аз доираи фарзияи халали мавҷуда қарор доранд.
• Азбаски суръат аз ҳосилаи дискретии ченкунии мавқеъ ба даст меояд, дар gain-ҳои баланди мушоҳидагар мушкили садо пайдо шудааст.
• Таҳлили устувории вақти пайваста ҳамаи ҳудудҳои татбиқи дискретӣ-рақамии дорои gain-и хеле баландро муайян намекунад.
• Контроллери модели пурра маълумоти jerk талаб мекунад.
• Кор дар манипулятори нарми бисёр-DoF иҷро нашудааст.
• Татбиқи ҷарроҳӣ ё биотиббӣ мустақиман санҷида нашудааст.

Ёддошти манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии кор: Model-Based Control of Antagonistic Pair of Pneumatically Actuated Pouch Motors

Муаллифон: Syed Arshad Hussain ва Enrico Franco.

Муаллифи масъул: Syed Arshad Hussain.

Саҳми баробар/муаллифии аввали баробар: Дар манбаъ изҳороте дар бораи саҳми баробар ё муаллифии аввали баробар вуҷуд надорад.

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

Маҷалла: Actuators.

Нашриёт: MDPI, Basel, Switzerland.

Маълумоти библиографӣ: Actuators 2026, 15(6), 332.

DOI:10.3390/act15060332

Пайванди расмии нашр:MDPI – Actuators 15(6), 332

Санаи нашр: 11 июни 2026. Кор 23 апрели 2026 қабул шуда, 5 июни 2026 бознигарӣ ва 9 июни 2026 пазируфта шудааст.

Навъи манбаъ ва ҳолати рецензия: Мақолаи тадқиқотии рецензияшуда дар маҷаллаи Actuators мебошад. Кор тарҳи таҳлилии идоракунии ғайрихаттӣ, симулятсияи MATLAB ва таҷрибаҳои прототипи физикиро якҷо дар бар мегирад.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY).

Муҳаррири академӣ: Zhuming Bi.

Маблағгузорӣ: Муаллифон хабар додаанд, ки тадқиқот маблағгузории беруна нагирифтааст.

Кумитаи ахлоқ: Татбиқ намешавад.

Ризоияти огоҳона: Татбиқ намешавад.

Дастрасии маълумот: Муаллифон мегӯянд, ки маълумотро бо дархости асоснок аз онҳо гирифтан мумкин аст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон набудани бархӯрди манфиатҳоро эълом кардаанд.

Ташаккур: Муаллифон ба Mark Runciman аз Imperial College London Hamlyn Centre барои пешниҳод кардани pouch motor-ҳои истифодашуда дар таҷрибаҳо ташаккур мегӯянд.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия ва тадқиқот — Syed Arshad Hussain ва Enrico Franco; методология ва таҳлил — ҳар ду муаллиф; нармафзор ва навиштаи аввалия — Syed Arshad Hussain; бозбинӣ ва роҳбарӣ — Enrico Franco.

Доираи таҷриба: Таҷҳизоти таҷрибавии физикӣ аз ду pouch motor-и антагонистӣ иборат буд, ки бори 60 g-ро дар релси хаттӣ ҳаракат медоданд. Ҳалқаи идоракунӣ бо 100 Hz кор кард ва ҳар натиҷаи хатои таҷрибавӣ аз рӯи панҷ такрор гузориш шуд.

Фарзияи модел: Кор фарзияи гази идеалӣ ва фишурдан/васеъшавии изентропиро истифода мекунад. Фарз карда мешавад, ки pouch-и пуршуда тақрибан шакли силиндрӣ мегирад ва қисми фарқ аз геометрияи идеалӣ бо коэффициенти ислоҳи таҷрибавии \(\nu=3,5\) ҷуброн карда мешавад.

Ҳадди наздиксозии геометрӣ: Манбаъ мегӯяд, ки наздиксозии Taylor дар муодилаи кӯтоҳшавии pouch дар 45° тақрибан %3 ва содакунӣ дар муодилаи ҳаҷм тақрибан %13 хатои truncation дорад. Хатои наздиксозии ҳаҷм дар дохили халали ҷамъшудаи номаълуми \(F\) ба назар гирифта шудааст.

Фарзияи халал: Назарияи идоракунӣ талаб мекунад, ки суръати тағйирёбии халали ҷамъшудаи номаълум маҳдуд бошад, \(|\dot F|\leq\epsilon\). Манбаъ рӯирост мегӯяд, ки рафторҳои номуттасил ба монанди deadband, stiction ва тамоси шадиди муҳит ба ин фарзия дохил намешаванд.

Ҳадди модели регулятор: Модели orifis-и доимии ISO 6358 наздиксозии намояндагии рафтори proportional digital regulator мебошад. Диаметри муассири orifis ва дарозии он дақиқ маълум нестанд ва метавонанд бо самти ҷараён тағйир ёбанд.

Ҳадди мушоҳидагар: Гарчанде \(\alpha\)-и калонтар аз ҷиҳати назариявӣ баҳодиҳии тезтари халалро медиҳад, дар таҷрибаҳо аз сабаби ҳисоб кардани суръат аз ҳосилаи дискретии сигнали мавқеъ садо зиёд мешавад. Азбаски дар таҷҳизоти мавҷуда \(\alpha>10\) бо ларзишҳои доимӣ алоқаманд буд, дар таҷрибаҳо \(\alpha=10\) интихоб шуд.

Ҳадди муқоисаи контроллер: PID ва контроллерҳои моделӣ бо тартибҳои мушаххаси эвристикии tuning танзим шудаанд. Кор дар тамоми маҷмӯаҳои имконпазири gain оптимизатсияи глобалии controller анҷом намедиҳад.

Ёддошти доира барои натиҷаи %33,3: Беҳбудии %33,3-и дақиқӣ, ки дар манбаъ гузориш шудааст, ба паст шудани RMSE-и контроллери модели пурра аз 0,06 mm то 0,04 mm дар таҷрибаи кубӣ асос ёфтааст. Хатои максималӣ дар ҳар ду санҷиши синусоидалӣ ва кубӣ дар контроллери модели содакардашуда каме пасттар аст. Аз ин рӯ, ин фоиз маънои онро надорад, ки ҳамаи метрикаҳои хато ё ҳамаи вазифаҳо %33,3 беҳтар шудаанд.

Ёддошти гирдкунии RMSE: Дар Ҷадвали 4 RMSE-и синусоидалии модели пурра ба ҳалли энкодер гирд карда шуда, 0,05 mm дода шудааст; дар бахши натиҷаҳо гуфта мешавад, ки хатои RMS барои ҳар ду профили таҷрибавӣ аз 0,05 mm камтар аст. Азбаски қиматҳои гирднашуда дар манбаъ дода нашудаанд, дар мазмуни Verianla барои муқоисаи дақиқи ададӣ қиматҳои Ҷадвали 4 асос гирифта шудаанд.

Ҳадди истифодаи фишор: Контроллерҳои моделӣ дар таҷрибаҳо умуман нисбат ба PID фишори pouch-и каме баландтар истифода карданд. Муаллифон қайд мекунанд, ки ин метавонад аз ҷиҳати умри pouch ва талаботи бехатарии ҷарроҳӣ назариявӣ номатлуб бошад, аммо фарқи фишор байни контроллерҳо дар системаи мавҷуда аз 50 mbar камтар аст.

Доираи ҷаҳони воқеӣ: Тадқиқот дар прототипи воқеии физикии pouch motor тасдиқ шудааст; аммо дар роботи ҷарроҳӣ, инсон, ҳайвон, амалиёти клиникӣ ё манипулятори нарми дорои дараҷаҳои зиёди озодӣ таҷриба гузаронида нашудааст.

Корҳои оянда: Муаллифон васеъ кардани модел ба сохторҳои бисёрдараҷаи озодӣ, омӯзиши тарҳи идоракунии вақти дискретӣ ва таҳияи мушоҳидагарҳои васеъшударо пешниҳод мекунанд, ки метавонанд халалҳои state-dependent ва таъсири leakage-ро ба назар гиранд.

Модели механикӣ, муодилаҳои идоракунӣ, шартҳои таҷрибавӣ, қиматҳои хато ва натиҷаҳои илмии ин мазмуни Verianla танҳо ба кори баррасишуда асос ёфтаанд. Санҷиши беруна танҳо барои тасдиқи шахсияти расмии библиографии нашр истифода шудааст; ягон натиҷаи нави таҷрибавӣ ё самаранокии идоракунӣ аз берун илова нашудааст.