Pneumatikus mesterséges izmok működésének statikus és dinamikus modellezése, nagypontosságú pozicionálása

Átírás

1 SZENT ISTVÁN EGYETEM Pneumtikus mesterséges izmok működésének sttikus és dinmikus modellezése, ngypontosságú pozicionálás Doktori (PhD) értekezés tézisei Sárosi József Gödöllő 01

2 A doktori iskol megnevezése: tudományág: vezetője: témvezető: társtémvezető: Műszki Tudományi Doktori Iskol Agrárműszki tudományok Dr. Frks István DSc egyetemi tnár SZIE, Gödöllő, Gépészmérnöki Kr Dr. Szendrő Péter DSc egyetemi tnár SZIE, Gödöllő, Gépészmérnöki Kr Dr. Keszthelyi-Szbó Gábor DSc egyetemi tnár SZTE, Szeged, Mérnöki Kr... Az iskolvezető jóváhgyás A témvezető jóváhgyás

3 TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSJEGYZÉK BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK ANYAG ÉS MÓDSZER Kísérleti berendezés Pneumtikus mesterséges izmok sttikus erő modellje Pneumtikus mesterséges izmok dinmikus vizsgált Pneumtikus mesterséges izmok ngypontosságú pozicionálás Pneumtikus mesterséges izmok lineáris pozicionálás Megváltozó hőmérséklet és hiszterézis htásánk vizsgált Pneumtikus mesterséges izmok pozicionálás forgójeldóvl EREDMÉNYEK Sttikus erő közelítése Dinmikus viselkedés Pozicionálás Lineáris pozicionálás Megváltozó hőmérséklet és hiszterézis htás Pozicionálás forgójeldóvl ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK ÖSSZEFOGLALÁS AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ FONTOSABBN PUBLIKÁCIÓK LISTÁJA... 5

4 JELÖLÉSJEGYZÉK Jelölések: 1,,, 4, 5, 6 c [N s m -1 ] c kr [N s m -1 ] F [N] F [N] F f [N] F rugó [N] g [m s - ] k [N m -1 ] l [m] l 0 [m] m [kg] p [P] R [-] U [-] x [m] konstnsok csillpítási tényező kritikus csillpításhoz trtozó csillpítási tényező erő hiszterézis hurok lsó ágként mérhető erő hiszterézis hurok felső ágként mérhető erő PMI, mint rugó áltl kifejtett erő grvitációs gyorsulás merevség PMI felfújt állpotábn mérhető hosszúság PMI nyuglmi állpotábn mérhető (névleges) hosszúság tömeg lklmzott nyomás, túlnyomás korrelációs együtthtó görbe áltl htárolt terület elmozdulás Görög betűk: ζ [-] [%] csillpítási viszonyszám kontrkció Rövidítések: LbVIEW PAM (PMI) Lbortory Virtul Instrumenttion Engineering Workbench Pneumtic Artificil Muscle (pneumtikus mesterséges izom) 4

5 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK Megnőtt npjinkbn z érdeklődés z úgynevezett kontrkciós - dugttyú nélküli - pneumtikus munkhengerek vgy más néven pneumtikus mesterséges izmok (PMI, illetve Pneumtic Artificil Muscle - PAM) iránt. E pneumtikus végrehjtók klsszikus, ipri környezetben fellelhető lklmzásokon (pl. lyuksztógép, ppír- és fólitekercselő, emelőszerkezet, illetve vibrációs tölcsér) túl egyre fontosbb szerepet játsznk z orvostudomány (pl. művégtg mozgtás), vlmint robotik (pl. ugráló és sétáló robotok) területén is. A Doktori értekezés témválsztáskor zt tűztem ki célul, hogy széleskörű és mélyrehtó információkt gyűjtsek pneumtikus mesterséges izmokról ngyszámbn feltárt és feldolgozott szkirodlmk lpján, mjd ezekből kiindulv megfoglmzzm zokt lehetőséget és irányokt, melyek ténylegesen új eredmények felé muttnk, s melyek hsznosíthtók ipri lklmzásoknál. Ennek megfelelően z értekezés fő célkitűzései következők szerint fogllhtók össze: 1. Többfunkciós, univerzális mérőberendezés hrdver és szoftver rendszerének megtervezése és kivitelezése, mely egyetlen készülékként lklms PMI-k működését leíró és meghtározó legfontosbb jellemzők, így z erő, nyomás, pozíció (lineáris elmozdulás és szögelfordulás) vizsgáltán túl z izom felületén és belsejében megváltozó hőmérséklet vizsgáltár, vlmint ngypontosságú pozicionálás kivitelezésére is. A kísérleti berendezésnek lklmsnk kell lennie többek között PMI-k legmeghtározóbb, erő-kontrkció krkterisztikájánk felvételére állndó nyomásokon, mely különösen fontos célok között szereplő. pont meglpozásához. Az áltlánosn lklmzhtó hrdverszoftver rendszer képes legyen új tudományos eredményeket hozó kuttási és okttási feldtokr is.. Közelítő lgoritmus kidolgozás PMI-k áltl kifejtett - sttikus - erőre, mely áltlánosn lklmzhtó tetszőleges átmérőjű és hosszúságú izmokr, tetszőleges nyomáson.. PMI-k viselkedését leíró dinmikus modell kifejlesztése, mellyel vizsgálhtó PMI merevsége és csillpítás is, vlmint képes leírni PMI-t trtlmzó teljes rendszer működését is. 4. A PMI-k 0,01 mm (lineáris elmozdulás) és 0,06 (szögelfordulás) htárértékű - zz vontkozó szkirodlmkbn közölteknél kedvezőbb - pozicionálási pontosság elérése. 5. Olyn htások vizsgált, melyekről feltételezhető, hogy befolyássl vnnk pozicionálás pontosságár (pl. megváltozó hőmérsékleti htások, illetve hiszterézis). 5

6 . ANYAG ÉS MÓDSZER Az Anyg és módszer című fejezetben ismertetésre kerülnek pneumtikus mesterséges izmok vizsgáltár megépített kísérleti berendezés hrdver és szoftver rendszerei, z elvégzett kísérletek és zok mérési elrendezései, PMI áltl kifejtett sttikus erő közelítésére meglkotott új modell, dinmikus viselkedés és pozicionálás vizsgáltánk lehetősége z lklmzott módszerekkel együtt..1. Kísérleti berendezés A pneumtikus mesterséges izmok lpvető tuljdonságink, viselkedésének, prmétereinek és zok függvényszerű kpcsoltink megismeréséhez, vizsgáltához speciális mérőberendezést fejlesztettem ki és építettem meg, melynek hrdver és szoftver rendszereit -1. ábr, -. ábr, -4. ábr, -5. ábr és -6. ábr szemlélteti. A munkámhoz különböző, Festo áltl szbdlmzttott és gyártott Fluidic Muscle került felhsználásr: DMSP-10-50N-RM-RM (10 mm átmérőjű, 50 mm hosszúságú), DMSP-0-00N-RM-RM (0 mm átmérőjű, 00 mm hosszúságú) és DMSP-0-400N-RM-RM (0 mm átmérőjű, 400 mm hosszúságú). -1. ábr: Kísérleti berendezés PMI-k vizsgáltár -. ábr: A LbVIEW progrm előlpj nyomás, z erő és pozíció méréséhez, vlmint pozicionálás hőmérsékletfüggésének vizsgáltához 6

7 Pneumtikus mesterséges izmok erő-kontrkció jelleggörbéjének meghtározásához z izmok vízszintes elrendezésben kerültek beépítésre. Az izom egyik végét rögzítettem z erőmérő cellához, míg másik vége elmozdulhtott. A mozdulni képes oldlhoz egy menetes orsót rögzítettem nnk érdekében, hogy tetszőlegesen tudjm változttni pozíciót, mit LINIMIK MSA 0 típusú inkrementális jeldó segítségével 0,01 mm pontossággl tudtm detektálni. A bementi jel (pozíció) változási irányától függően kimeneti jel (erő) eltérő volt, zz hiszterézis jelenségével tlálkoztm. Vlmennyi erő-kontrkció görbét hrminc mérési pont lpján htároztm meg. A méréseimet szobhőmérsékleten, - vlmint kuttási módszertnokbn elfogdott és áltlánosn lklmzott - ötszöri ismétléssel végeztem, mjd sttisztiki átlgokt képeztem... Pneumtikus mesterséges izmok sttikus erő modellje A pneumtikus mesterséges izmok áltl kifejtett erőt leíró függvénykpcsolt fontos információkkl szolgálht méretezések során, hiszen mérések nélkül megdhtó, hogy például dott nyomás és kontrkció esetén milyen húzóerő kifejtésére lesz lklms z izom. Egy új, sját függvénykpcsoltot dolgoztm ki z F erőre vontkozón: F( p, ) (, (.1) 1 p ) exp 4 p 5 p 6 hol: p lklmzott nyomás (túlnyomás), kontrkció (reltív elmozdulás), 1,,, 4, 5 és 6 ismeretlen konstnsok. A vázolt összefüggésben szereplő ismeretlen konstnsok meghtározás progrmozói ismereteket nem igénylő MS Excel 010 Solver bővítményének segítségével történt. A nyomást br egységben, míg kontrkciót %-bn kell helyettesíteni. Az ismeretlen 1,,, 4, 5 és 6 konstnsok konfidenci intervllumát, zz becsült prméterek lsó és felső korlátját z MS Excel 010 Adtelemzés bővítményével htároztm meg 95 %-os megbízhtósági szint mellett. A mért és számított értékek egyezőségének szorosságát és z eltérés függvényszerű jellegét is vizsgáltm... Pneumtikus mesterséges izmok dinmikus vizsgált A pneumtikus mesterséges izmok dinmikus vizsgáltához tekintsük -. ábrán szemléltetett rendszert. 7

8 8 -. ábr: PMI, mint emelő és modellje A függőleges elrendezésű, egy szbdságfokú lengő rendszerre z lábbi differenciálegyenlet írhtó fel: g m x )] ( )]- c[ ( [ -F x m rugó x x, (.) hol: F rugó rugóként viselkedő PMI áltl kifejtett erő, mely számíthtó z áltlm kidolgozott (.1) összefüggés lpján, x elmozdulás, m tömeg, c csillpítási tényező, g grvitációs gyorsulás. A nemlineáris modell vizsgáltához előzetesen meg kell htározni (.) összefüggésben szereplő c csillpítási tényező függvényt. Ehhez z erő-kontrkció jelleggörbéknél felvett hiszterézis hurkot hsználom fel. Jelölje F f hurok felső ágát, míg F hurok lsó ágát. Ekkor felső görbe ltti U 0 terület kiszámíthtó (.1) összefüggés lklmzásávl (p = áll.): mx min mx min mx min f 0 f 0 0 ]d p p exp ) p [( l )d, ( F l )d ( F l U p. p p exp exp p l - p p exp exp p l min 4 min 5 min mx 4 mx 5 mx min min mx mx (.)

9 A hurok területét hsonló módon számíthtjuk z lábbi összefüggés lpján: mx U U0 - l0 F ( )d. (.4) A ζ csillpítási viszonyszám értelmezhető, mint min ΔU ζ. (.5) U 0 A kritikus csillpításhoz trtozó csillpítási tényező (c kr ) értéke: c kr k m, (.6) hol k rugómerevség számítás (.1) összefüggés felhsználásávl: df( l) df( ) 1 df( ) k k( ), (.7) dl l d l d 0 0 df( ) d df( p,) d[( d ( p 1 1 p ) ) exp exp p d p (p áll.) p 6 ], (.8) k( ( p ) 1 4 ). (.9) l exp p A csillpítási viszonyszám segítségével c csillpítás meghtározhtó: kr 0 c ζ c ζ ckr. (.10) c Mivel dott nyomáson mind z F rugó erő, mind merevség és csillpítás is változik kontrkció függvényében - mi pedig z x elmozdulás függvénye -, ezért olyn modellt fejlesztettem ki, mely ezeket is figyelembe veszi..4. Pneumtikus mesterséges izmok ngypontosságú pozicionálás A PMI felhsználhtó olyn lklmzásokhoz, melyeknél követelmény ngypontosságú pozicionálás. A nemlineritás mitt robusztus szbályozást kell lklmzni. Ebben fejezetben pneumtikus mesterséges izmok pozicionálásához kpcsolódó kísérleteket, zok mérési elrendezéseit, vlmint LbVIEW bázisú csúszómód szbályozót muttom be. 9

10 .4.1. Pneumtikus mesterséges izmok lineáris pozicionálás A pneumtikus mesterséges izmok lineáris pozicionálásához két drb DMSP-0-00N-RM-RM típusú izmot lklmztm, melyeket egy MPYE-5-1/8 HF-010B típusú, szintén Festo gyártmányú 5/-s rányos útváltó szeleppel vezéreltem. Az ntgonisztikus elrendezésű PMI-kkel végrehjtott lineáris pozicionálást megvlósító berendezés blokkvázltát -4. ábr muttj. -4. ábr: Lineáris pozicionálás megvlósítás rányos útváltó szeleppel A -5. ábrán láthtó csúszómód szbályozót trtlmzó LbVIEW progrm előlpj. -5. ábr: A LbVIEW progrm előlpj pozicionálás vizsgáltához A pozicionáláshoz felhsznált rányos útváltó szelep vezérléséhez következő küszöbértékekkel rendelkező bevtkozó jelet állpítottm meg: hátr gyors (4 V), hátr lssú (4,65 V), pozícióbn (5 V), előre lssú (5,5 V) és előre gyors (6 V). 10

11 .4.. Megváltozó hőmérséklet és hiszterézis htásánk vizsgált Olyn htásokt is vizsgáltm, melyekről feltételezhető, hogy befolyásolják pozicionálás pontosságát. Ilyen megváltozó hőmérséklet, illetve hiszterézis. Ahogy -6. ábr is muttj, egyetlen DMSP-0-400N-RM-RM típusú izmot építettem be kísérleti berendezésbe. Ennek periodikus mozgtásához, illetve belső és külső, felületi hőmérsékletek méréséhez -. ábrán ismertetett LbVIEW progrmot hsználtm. -6. ábr: A pozicionálás hőmérsékletfüggésének vizsgált Összehsonlítottm különböző frekvenciávl (0,1 Hz, 0,5 Hz, 0,5 Hz, 0,75 Hz és 1 Hz) működtetett PMI-k felületén és belsejében megváltozó hőmérsékleteket. A kiindulási állpothoz vlmennyi esetben -10 C-r hűtöttem le PMI-t Novsol M5 típusú sűrített levegő spry-vel, míg mozgtott teher tömege 0 kg volt. Szintén ezt kísérleti elrendezést hsználtm nnk vizsgáltához, hogy befolyásolj-e hiszterézis pozicionálás pontosságát. A méréseim szobhőmérsékleten és szintén m = 0 kg terheléssel végeztem..4.. Pneumtikus mesterséges izmok pozicionálás forgójeldóvl Az izmokb táplált levegő nyomásánk eredményeként gykrn nem lineáris elmozdulás, hnem szögelfordulás jön létre, ezért egy másik elrendezést is megépítettem z ntgonisztikus működés ilyen célú vizsgáltár DMSP-10-50N-RM- RM típusú izmokkl. Az elfordulás mértékét egy inkrementális forgójeldó mérte, mellyel 0,06 felbontás érhető el. E vizsgálthoz is -5. ábrán láthtó LbVIEW progrm szükséges. A vizsgáltimt itt is szobhőmérsékleten vlósítottm meg. 11

12 . EREDMÉNYEK Ebben pontbn összefogllom sttikus erő közelítésére, dinmikus viselkedés leírásár, vlmint pozicionálás pontosságár vontkozó eredményeket..1. Sttikus erő közelítése Az itt szereplő mérésekhez DMSP RM-RM típusú Fluidic Muscle-t hsználtm. A -1. ábrán összevetem mért és (.1) összefüggés áltl megállpított értékeket. Az áltlm kidolgozott összefüggés kedvező illeszthetőséget mutt. Az optimlizáció révén kpott konstnsértékeket -1. táblázt trtlmzz. -1. ábr: A mért és (.1) összefüggéssel számított értékek összehsonlítás állndó nyomásokon -1. táblázt: A (.1) összefüggésben szereplő 1,,, 4, 5 és 6 konstnsok értéke, illetve konfidenci intervllum Prméterek Értékek Konfidenci intervllumok 1-4, , , ,798 78, , ,8669-0, , , , , , , , , , ,

13 A (.1) összefüggéssel R = 0,9995-0,9997 értéket kptm 0 mm átmérőjű izom és R = 0,9989-0,9991 értéket 10 mm átmérőjű izom esetén. Következtetésként elmondhtó, hogy (.1) összefüggés átmérőtől és hosszúságtól függetlenül ngy pontossággl illeszthető - tetszőleges ngyságú nyomás (0-500 kp) lklmzás esetén - mérési eredményekre. Ennek gykorlti hsznosíthtóság PMI méretezésénél/kiválsztásánál jelentkezik... Dinmikus viselkedés Az áltlm kidolgozott módszer lpján megépített MATLAB Simulink modell segítségével meghtároztm - (.9) összefüggés lpján mm hosszúságú PMI merevségét kp között 100 kp-onként növelt nyomásértékeken kontrkció függvényében (-. ábr). Az ehhez szükséges 1,, és 4 értékét -1. táblázt trtlmzz. Mint láthtó pneumtikus mesterséges izom változó merevségű és nyomás növelésével merevség is növekszik. A minimális kontrkciónál tpsztlt igen mgs merevség érték meredeken csökken kontrkció növekedésével, mjd állndósul. -. ábr: A 0 mm átmérőjű és 400 mm hosszúságú PMI merevségének változás kontrkció függvényében különböző nyomásokon Ugynezen MATLAB Simulink modell segítségével vizsgálhtó csillpítás változás is (-. ábr, -4. ábr és -5. ábr). 1

14 -. ábr: A csillpítások összevetése állndó elmozdulás (50 mm), de változó terhelés (0 kg, 50 kg, illetve 70 kg) és nyomás (00 kp, 400 kp, illetve 500 kp) esetén -4. ábr: A csillpítás változás kontrkció függvényében állndó nyomáson (400 kp) 0 kg, 50 kg és 70 kg terhelés mellett 14

15 -5. ábr: A csillpítás változás kontrkció függvényében 00 kp, 400 kp és 500 kp nyomáson állndó terhelés (50 kg) mellett A dinmikus viselkedést leíró MATLAB Simulink modell lklms PMI-t trtlmzó teljes lengő rendszer elemzésére is (-6. ábr). -6. ábr: 400 mm hosszúságú PMI-t trtlmzó lengő rendszer dinmikus viselkedése: elmozdulás és F rugó időfüggvények (400 kp túlnyomás, 50 mm elmozdulás és 50 kg terhelés esetén) A lefutttott szimulációvl 49 N F rugó erőt és 49,8 mm elmozdulást kptm, mely eredmények igzolják dinmikus modellre kidolgozott módszer, vlmint sttikus erő modell pontosságát. A bemuttott eredményekből kitűnik, hogy z áltlm kidolgozott módszer lpján megépített MATLAB Simulink modell lklms merevség és csillpítás, vlmint teljes lengő rendszer viselkedésének leírásár is. Tetszőleges működtető nyomás (0-500 kp) mellett PMI-k tetszőleges átmérőjűek és hosszúságúk lehetnek. 15

16 .. Pozicionálás..1. Lineáris pozicionálás A lineáris elmozdulássl kpcsoltosn elvégzett pozicionálási kísérletek során két DMSP-0-00-RM-RM típusú Fluidic Muscle-t építettem be -4. ábr szerinti elrendezésbe. A nyomás értéke 600 kp, mintvételezési idő pedig 10 ms volt. A kísérleti eredmények vlós idejű gyűjtésére -5. ábrán bemuttott LbVIEW progrmot hsználtm. A szbályozás minősége (túllendülés, állndósult állpotbeli hib) csúszóegyenes meredekségével befolyásolhtó. A -5. ábrán láthtó prméterek közül - kuttásim során szerzett tpsztltok lpján - csúszóegyenes meredekségére 0,5-ös értéket, míg z rányos útváltó szelepet vezérlő feszültségre következő értékeket állítottm be: Hátr gyors = 4 V, Hátr lssú = 4,65 V, Pozícióbn = 5 V, Előre lssú = 5,5 V és Előre gyors = 6 V. A -7. ábrán 15 mm-es lpjellel (kívánt pozícióvl) végzett pozicionálás eredményét láthtjuk. Megfigyelhetjük, hogy túllendülés (0,1 mm) és z állndósult állpotbeli hib értéke (0,01 mm) is igen kedvező. A kívánt pozíciót 0,8 s ltt sikerült elérni. -7. ábr: A pozíció időfüggvénye (kívánt pozíció: 15 mm)... Megváltozó hőmérséklet és hiszterézis htás A pozicionálás hőmérsékletfüggésének vizsgáltát DMSP RM-RM típusú Fluidic Muscle lklmzásávl muttom be. Mivel kísérleti berendezésbe csk egyetlen 400 mm hosszúságú izom helyezhető el, ezért -6. ábrán láthtó beállítást lklmztm (m = 0 kg). A kompresszorból érkező (z izomb belépő) levegő hőmérséklete 4 C, nyomás 600 kp, mintvételezési idő 50 ms, míg mérés ideje 100 s volt. A -8. ábrán 0,5 Hz frekvenciájú szinusz jellel végzett periodikus működtetés során tpsztlt hőmérséklet-változást láthtjuk. Megfigyelhető, hogy minél távolbb helyeztem el hőmérséklet-érzékelőt pneumtikus cstlkozástól, zz levegő be-, illetve kieresztésének helyétől, nnál mgsbb felületi hőmérséklet lkult ki, továbbá, míg külső felület hőmérséklete z egyes pontokon állndósult, ddig levegő be-, illetve kijutttásától függően hőmérséklet változott z izom belső terében. 16

17 -8. ábr: A belső és felületi hőmérséklet változás 0,5 Hz-es működtető jel esetén -. táblázt: Különböző frekvenciávl működtetett Fluidic Muscle belsejében és felületén kilkuló állndósult hőmérsékleti értékek Frekvenci [Hz] Hőmérséklet [ C] Belső Felületi - 1. Felületi -. Felületi -. 0, , , , A tábláztból kitűnik, hogy frekvenci növelésével z izom belsejében kilkult állndósult hőmérséklet is növekedett. A pneumtikus cstlkozáshoz legközelebb elhelyezett külső érzékelő vlmennyi frekvencián zonos értéket mért, középső érzékelők közel zonos, míg legtávolbbi érzékelők legmgsbb hőmérsékleti értékeket szolgálttták. Ez utóbbihoz trtozó hőmérsékleti trend 0,5 Hz-nél fordult meg. Megfigyelhető, hogy 0,5 Hz frekvenciávl történő működtetés igen mgs, 70 C-os hőmérsékletet eredményezett, mi z izom élettrtmár negtív kihtássl lehet. A felületi hőmérsékletek tekintetében z lklmzott 0,1 Hz és 1 Hz, vlmint 0,5 Hz és 0,75 Hz frekvenciához trtozó eredmények közel esnek egymáshoz. A különböző hőmérsékleten elvégzett pozicionálási kísérletekhez z előző fejezetben ismertetett nyomás, csúszóegyenes meredekség, vezérlő feszültség és mintvételezési idő beállításokt hsználtm. A hőmérsékleti pontok felvételéhez középső 17

18 érzékelő áltl szolgálttott értékeket vettem figyelembe, így 10 C-os lépésközzel -10 C, 0 C, 10 C, 0 C, 0 C és mximális 9 C esetén végeztem pozicionálást. A -9. ábrán láthtó, hogy -10 C-r lehűtött izomml 40 mm-es kívánt pozíció elérése kb. 1,4 s-ot igényelt, túllendülés ngyság 0,0 mm volt, míg z állndósult állpotbeli hib értéke 0,01 mm-en belül mrdt. -9. ábr: Pozicionálás -10 C-r lehűtött PMI-vel (kívánt pozíció: 40 mm) A -10. ábrán periodikus működtetés révén legmgsbb hőmérsékletű, 9 C-os izom pozicionálásánk idődigrmj láthtó. Jelen esetben 40 mm-es kívánt pozíció elérése kb. 1, s-ot igényelt, z állndósult állpotbeli hib értéke 0,01 mm-en belül mrdt ábr: Pozicionálás 9 C-os PMI-vel (kívánt pozíció: 40 mm) 18

19 Az eredményekből kitűnik, hogy pozicionálás vlmennyi hőmérsékleti értéken 0,01 mm htárértékű hibávl vlósult meg. Az is láthtó, hogy hőmérséklet emelkedésével pozicionálás ideje csökkent. A szkirodlmk tnulmányozáskor nem tlálkoztm olyn szerzővel, ki pozicionálás hőmérsékletfüggését ilyen megközelítésben és részletességgel vizsgált voln. A megváltozó hőmérséklet mellett hiszterézis htását is elemeztem pozicionálás pontosságár vontkozón -6. ábrán láthtó kísérleti elrendezéssel (m = 0 kg). A csúszóegyenes meredeksége, illetve vezérlő feszültség értékei megegyeztek z előző kísérleteknél említettekkel. A szobhőmérsékleten elvégzett vizsgált során 600 kp nyomást és 10 ms mintvételezési időt lklmztm. A következő kívánt pozícióértékeket állítottm be egymás után: 0 mm (kiindulási állpot) 5 mm 10 mm 0 mm 40 mm 0 mm 10 mm 5 mm 0 mm (vissztérés kiindulási állpotb). Ahogy -11. ábr és -1. ábr muttj, z áltlm megtervezett szbályozó megközelítés irányától függetlenül képes kívánt pozíciót 0,01 mm állndósult állpotbeli hibávl trtni. Ezt tpsztltm vlmennyi beállított pozíció esetén is, így kijelenthető, hogy pozícionálás pontosságát nem befolyásolj tpsztlt hiszterézis. A lineáris pozicionálás során elvégzett kísérletek lpján z is kijelenthető, hogy 0,01 mm felbontású jeldó behtárolj pozicionálás pontosságát ábr: Az 5 mm-es pozíció elérése és trtás pozíció növelésével 19

20 -1. ábr: Az 5 mm-es pozíció elérése és trtás pozíció csökkentésével... Pozicionálás forgójeldóvl A pozicionálássl kpcsoltos utolsó kísérletsoroztnál nem lineáris elmozdulássl, hnem z elfordulássl elérhető pontosságot vizsgáltm, mihez DMSP RM-RM típusú Fluidic Muscle-okt hsználtm. A pozicionálás szobhőmérsékleten történt, 600 kp nyomáson, 10 ms mintvételezési idővel. A csúszóegyenes meredekségére 0,-es értéket, míg z rányos útváltó szelepet vezérlő feszültségre korábbn említett értékeket állítottm be. Az 5,004 -os kívánt pozíció elérése kb. 0,8 s ltt megtörtént, túllendülés értéke 0,07 volt, továbbá z állndósult állpotbeli hib értéke 0,06 -on belül mrdt (-1. ábr). Ahogy lineáris pozicionálásnál megállpítottm, úgy itt is elmondhtó, hogy 0,06 felbontású jeldó behtárolj pozicionálási pontosságot. -1. ábr: Pozicionálás szögjeldóvl (kívánt pozíció: 5,004 ) 0

21 4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. Megterveztem és megépítettem egy olyn univerzális mérőberendezést, mely lklms pneumtikus mesterséges izmok működését leíró és meghtározó legfontosbb jellemzők, - z erő, - nyomás, - pozíció (lineáris elmozdulás és szögelfordulás), vlmint - hőmérséklet vizsgáltár. Az áltlm kidolgozott, áltlánosn lklmzhtó mérési és dtgyűjtési lehetőségeket biztosító módszerekkel egyetlen készülékként lklms pneumtikus mesterséges izmok jelleggörbéinek felvételére, illetve PMI-k ngypontosságú pozicionálásánk kivitelezésére. A készülékkel egyetlen izom, illetve két izom viselkedésének tnulmányozás is elvégezhető. A berendezés mind új tudományos eredményeket hozó kuttási, mind okttási feldtokr is felhsználhtó.. Kidolgoztm és bevezettem egy ht prmétert trtlmzó új modellt sttikus erőre, mely áltlánosn lklmzhtó tetszőleges átmérőjű és hosszúságú (10 mm átmérőjű és 50 mm hosszúságú, 0 mm átmérőjű és 00 mm hosszúságú, vlmint 0 mm átmérőjű és 400 mm hosszúságú) izmokr, tetszőleges nyomáson (0-500 kp): 1 p ) exp 4 p 5 p 6 F( p, ) (, hol: 1,,, 4, 5, 6 ismeretlen konstnsok. Igzoltm z illeszthetőség pontosságát (korreláció: R = 0,9989-0,9997).. Kidolgoztm és bevezettem egy módszert PMI-k dinmikus igénybevételének vizsgáltár. A másodrendű differenciálegyenlet megoldásár kifejlesztett modell lklms PMI-k merevségének és csillpításánk meghtározásár, továbbá PMI-t trtlmzó teljes rendszer viselkedésének leírásár. Tetszőleges működtető nyomás (0-500 kp) mellett PMI-k tetszőleges átmérőjűek és hosszúságúk lehetnek (10 mm átmérő/50 mm hosszúság, 0 mm átmérő/00 mm hosszúság, vlmint 0 mm átmérő/400 mm hosszúság). 4. A dinmikus viselkedést leíró modellel futttott szimulációkkl igzoltm, hogy PMI változó merevségű és nyomás növelésével merevség is növekszik kontrkció függvényében. A minimális kontrkciónál tpsztlt merevség érték meredeken csökkent kontrkció növekedésével, mjd állndósult. 1

22 Igzoltm továbbá, hogy állndó kontrkció, állndó nyomás és állndó terhelés esetén csillpítás változik: - állndó kontrkció esetén növekvő terhelés csk növekvő nyomássl volt mozgthtó, melynek függvényében csillpítás is nőtt, - állndó nyomáson terhelés növelésével csillpítás is nőtt kontrkció függvényében, - állndó terhelés esetén nyomás növelésével csillpítás csökkent kontrkció függvényében. 5. Csttogásmentesen megvlósítottm pneumtikus mesterséges izmok ngypontosságú pozíciószbályozását csúszómód szbályozóvl. Az áltlm megtervezett, egyetlen csúszóegyenes mentén történő pozicionálássl lineáris elmozdulás során 0,01 mm, míg szögelfordulás során 0,06 pontossági htárértéket értem el. Ezek z értékek megegyeznek z lklmzott inkrementális jeldók felbontásávl, zz tovább ezekkel z útdókkl nem jvíthtók. A csúszómód szbályozás egyik legngyobb hátrány z előírt pály körüli ngyfrekvenciás lengések okozt csttogás. A csttogás kiküszöbölésére htárréteget (pontossági sávot) lkítottm ki csúszóegyenes mentén. 6. Kísérletileg igzoltm, hogy megtervezett szbályozó képes megváltozó hőmérséklet és hiszterézis htását is kiküszöbölni. Bebizonyítottm, hogy PMI-k pozicionálás rövidebb szbályozási idő ltt és ugynolyn (0,01 mm) pontossággl biztosíthtó működtetés során kilkuló mgsbb hőmérsékleten. 7. Igzoltm, hogy PMI működtetési frekvenciáj befolyásolj z izom felületén és belsejében kilkuló hőmérsékletet. Igzoltm, hogy 0,1-1 Hz trtománybn elvégzett kísérletek során frekvenci növelésével z izom belsejében kilkult állndósult hőmérséklet is növekedett. A pneumtikus cstlkozáshoz legközelebb elhelyezett külső érzékelő vlmennyi frekvencián zonos értéket mért, középső érzékelők közel zonos, míg legtávolbbi érzékelők legmgsbb hőmérsékleti értékeket szolgálttták. Ez utóbbihoz trtozó hőmérsékleti trend 0,5 Hz-nél megfordult. Megfigyeltem, hogy 0,5 Hz frekvenciávl történő működtetés igen mgs, 70 C-os hőmérsékletet eredményezett, mi z izom élettrtmár negtív kihtássl lehet. A felületi hőmérsékletek tekintetében z lklmzott 0,1 Hz és 1 Hz, vlmint 0,5 Hz és 0,75 Hz frekvenciához trtozó eredmények közel estek egymáshoz.

23 5. KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK Lbortóriumi kísérletekkel igzoltm, hogy z áltlm tervezett és megépített többfunkciós tesztberendezés megfelel kitűzött céloknk és elvárásoknk, zz PMI-k működését leíró legfontosbb prméterek meghtározhtók kifejlesztett készülékkel. A LbVIEW környezetben elkészített progrmok áltlánosn lklmzhtó mérési és dtgyűjtési lehetőségeket biztosítnk z erő, nyomás, pozíció és hőmérséklet mérésére, vlmint ngypontosságú pozicionálásr mind lineáris elmozdulás, mind szögelfordulás esetén. Kísérleti eredményekkel igzoltm egy lényeges eltérést dugttyús munkhengerekhez képest: míg ez utóbbinál z erő csk nyomástól és dugttyú felületétől függ, zz állndó nyomáson z erő nem változik z elmozdulássl, ddig PMI esetében z erő ngyságát nyomás mellett z elmozdulás is befolyásolj. Az új függvénykpcsolt pneumtikus mesterséges izmok áltl kifejtett sttikus erőre vontkozón lklms rr, hogy mérések nélkül megdhssuk pl. tetszőleges nyomás és kontrkció esetén mekkor húzóerő kifejtésére lesz lklms z izom, míg kifejlesztett, dinmikus viselkedést leíró modellel PMI-t trtlmzó rendszereket vizsgálhtunk. Sikerült megvlósítni precíz pozíciószbályozást is - PMI nemlineritás, időben változó tuljdonság ellenére -, így PMI olyn lklmzásoknál is felhsználhtó végrehjtóként, hol lpvető elvárásként muttkozik ngypontosságú pozicionálás (pl. robotok megfogó szerkezetei). Az elvégzett kísérletek lpján elmondhtó, hogy PMI hsználhtó egyirányú végrehjtónk, illetve pneumtikus rugónk is. Kétirányú működésre pl. z izom belsejébe épített rugó segítségével lehet képes. Erre vontkozó kuttásim jelenleg is folynk. A pozicionálásr vontkozó vizsgáltim egy Blluff gyártmányú, 0,001 mm felbontású útdóvl, vlmint egy Ntionl Instruments gyártmányú, ngyteljesítményű, grfikus rendszertervezéssel támogtott beágyzott dtgyűjtő és vezérlőfelületet jelentő CompctRIO-vl tervezem folyttni. Így egy ngyságrenddel kisebb trtománybn is végezhetek méréseket. Vizsgáltim kiterjesztem 40 mm belső átmérőjű Fluidic Muscle-okr is, melyekkel mind függvényközelítési, mind pozicionálási kísérleteim megismétlem.

24 6. ÖSSZEFOGLALÁS Doktori értekezésemben pneumtikus mesterséges izmok (PMI-k) vizsgáltávl fogllkoztm. A vizsgáltokt Szegedi Tudományegyetem Mérnöki Kr Műszki Intézetében, illetve nnk jogelőd, Gépészeti és Folymtmérnöki Intézetében végeztem. Kísérleteim Festo áltl szbdlmzttott és forglmzott, Fluidic Muscle elnevezésű pneumtikus mesterséges izmokkl végeztem, melyek három különböző átmérővel (10, 0 és 40 mm) és kár 9000 mm hosszúsággl is megvásárolhtók. Előretörésük nnk tudhtó be, hogy sokszínű tuljdonságot muttnk. Az erő és dinmizmus mellett durv környezetben történő lklmzhtóság, vibrációmentes működés és z egyszerűség jellemzi, de kiemelendő zon tuljdonsági is, melyek z emberi izomml muttnk nlógiát, így lineáris és egyirányú mozgás, monoton csökkenő erő-kontrkció függvénykpcsolt és kétirányú mozgtáshoz szükséges ntgonisztikus kpcsolt. A felsorolt tuljdonságokkl legtöbb PMI is rendelkezik. A Bevezetés, célkitűzések c. fejezetben összefoglltm z értekezés fő célkitűzéseit, megfoglmztm tém ktulitását. Az Anyg és módszer c. fejezetben bemutttm z áltlm tervezett és megépített kísérleti berendezést. A hozzá kpcsolódó szoftveres környezet LbVIEW-bn került kilkításr. Ismertettem sttikus és dinmikus modelleket, melyeket PMI viselkedésének leírásár dolgoztm ki. Megdtm továbbá PMI-k csúszómód szbályozóvl történő precíz pozicionálásánk lehetőségeit is. Az Eredmények c. fejezetben bemuttásr került függvényközelítés eredménye, külön hngsúlyt fektetve z illeszthetőség pontosságánk igzolásár. A dinmikus modellel megvizsgáltm PMI merevségét, csillpítását és egy PMI-t trtlmzó lengő rendszert. Ezt követően ngypontosságú pozicionálás eredményeit ismertettem mind lineáris elmozdulás, mind elfordulás esetén. Megvizsgáltm hiszterézis és változó hőmérséklet htását pozicionálás pontosságár vontkozón. Az Új tudományos eredmények c. fejezetben tézisszerűen összefoglltm kuttómunkám során elért új tudományos eredményeket. A Következtetések és jvsltok c. fejezetben kivontot készítettem Doktori értekezésben elvégzett munkámról, munkám révén levonhtó következtetésekről és jvsltot tettem kuttás folyttásánk irányir. 4

25 7. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ FONTO- SABB PUBLIKÁCIÓK LISTÁJA Lektorált cikk világnyelven: 1. Tomn P., Gyeviki J., Endrődy T., Sárosi J., Véh A. (009): Design nd Fbriction of Test-bed Aimed for Experiment with Pneumtic Artificil Muscle. Interntionl Journl of Engineering, Annls of Fculty of Engineering Hunedor, 7 (4), pp Sárosi J., Gyeviki J., Szbó G., Szendrő P. (010): Lbortory Investigtions of Fluid Muscles. Interntionl Journl of Engineering, Annls of Fculty of Engineering Hunedor, 8 (1), pp Sárosi J., Szbó G., Gyeviki J. (010): Investigtion nd Appliction of Pneumtic Artificil Muscles. Biomechnic Hungric, (1), pp Sárosi J., Gyeviki J. (010): Experimentl Setup for the Positioning of Humnoid Upper Arm. Anlect Technic Szegedinensi, Review of Fculty of Engineering, 010/-, pp Sárosi J. (011): Accurte Positioning of Humnoid Upper Arm. Interntionl Journl of Engineering, Annls of Fculty of Engineering Hunedor, 9 (Extr), pp Sárosi J. (011): Investigtion of Positioning of Fluid Muscle Actutor Under Vrible Temperture. Act Technic Corviniensis, Bulletin of Engineering, 4 (), pp Sárosi J. (01): Newest Approch to Modeling Hysteresis in the Force- Contrction Cycle of Pneumtic Artificil Muscle. Act Technic Corviniensis, Bulletin of Engineering, 5 (4), pp Sárosi J., Keszthelyi-Szbó G., Szendrő P. (01): The Influence of Temperture Conditions on Position Control of Fluidic Muscle. Progress in Agriculturl Engineering Sciences, 8, pp Sárosi J. (01): New Force Functions for the Force Generted by Different Fluidic Muscles. Trnsctions on Automtic Control nd Computer Science, Scientific Bulletin of the POLITEHNICA University of Timisor, 57 (71) (), pp Lektorált cikk mgyr nyelven: 10. Sárosi J., Gyeviki J., Szbó G., Szendrő P. (009): Pneumtikus izmok pozícionálás csúszómód szbályozássl. Gép, 60 (8), o. 11. Sárosi J., Gyeviki J., Csikós S. (010): Mesterséges pneumtikus izomelemek modellezése és prmétereinek szimulációj MATLAB környezetben. Jelenkori Társdlmi és Gzdsági Folymtok, 5 (1-), o. 1. Sárosi J., Fbuly Z. (01): A Fluidic Muscle áltl kifejtett erő közelítésének vizsgált MS Excel környezetben. Jelenkori Társdlmi és Gzdsági Folymtok, 8 (1-), o. 5