Introducere privind acționarea conformă: acționare elastică în serie, rigiditate variabilă și acționare pneumatică
În ultimele două decenii, progresele tehnologice au contribuit la inovații remarcabile, iar umanul în buclă a devenit unul dintre criteriile de proiectare pentru mai multe aplicații, de la dispozitive medicale și robotică industrială, unde coexistența dintre roboți și om este adesea evitată din motive de siguranță. Formularea unei noi abordări în controlul robotic, bazată pe o interacțiune fizică blândă, determină multe grupuri să propună diferite soluții în tehnologia de acționare care includ elemente conforme în transmisie. Există câteva exemple de structuri conforme utilizate în proiectarea de noi actuatoare sau studii axate pe controlul roboților cu legături flexibile (De Luca și Book 2008; De Luca și Lucibello 1998; Albu-Schaffer et al. 2007). A fost propusă o soluție cu introducerea unor actuatoare elastice în serie (Pratt și Williamson 1995). Într-adevăr, reducerea rigidității interfeței prin inserarea elasticității în serie la portul de interacțiune dintre actuatorul electromecanic și sarcină poate scădea substanțial forța de vârf de ieșire și acționează ca un filtru trece-jos (Hurst et al. 2004), crescând astfel siguranța sistemului. Cu o astfel de arhitectură, problema controlului forței poate fi abordată printr-un control fin al poziției deoarece forța de ieșire este direct legată de distanța reciprocă dintre sarcină și efectorul final de-a lungul elasticității seriei (Fig. 11).
Fig. 11 Controlul unui actuator elastic în serie bazat pe detectarea forței la efectorul final
la interacțiunea cu sarcina
Astfel de tipuri de actuatoare sunt probabil mai puțin potrivite pentru aplicațiile clasice controlate de poziție, dar oferă avantaje valoroase, acolo unde interfața sigură om-robot, protezele acționate și ortezele necesită o interacțiune la efectorul final care trebuie modulată cu acuratețe (Migliore et al. 2005). Gama de conformitate necesară depinde de aplicație și de limitele de cuplu ale actuatorului. Majoritatea arhitecturii care înglobează rigiditatea controlabilă constă din actuatoare rigide clasice care pot fi dimensionate cu ușurință pentru cuplul necesar la arborele de ieșire și un element conform. De obicei, motoarele fără perii sunt utilizate din cauza densității mai mari de putere și a frecării reduse la nivelul transmisiei. Structura conformă este realizată de un element elastic pasiv, adică, un arc care poate stoca energie si transmisia globală va permite abateri de la propria poziție de echilibru, în funcție de forța externă aplicată. Poziția de echilibru a unui actuator conform este definită ca poziția în care actuatorul generează forță zero sau cuplu zero.
În așa-numitele aplicații controlate de echilibru, un arc elastic liniar/rotațional este adăugat în serie la ieșirea principală a actuatorului primar, iar poziția de echilibru a arcului este controlată pentru a exercita o forță dorită sau o rigiditate dorită (English și Russell 1999). Conformitatea este modificată în mod activ utilizând un algoritm de control și prin convertirea problemei de control al forței într-o problemă de control al poziției. Poziția motorului este reglată în funcție de deflecția arcului pentru a modifica tensiunea sau compresia arcului în sine și, prin urmare, interacțiunea la efectorul final.
O altă arhitectură care este utilizată pe scară largă în interacțiunea om-robot se bazează pe conceptul de rigiditate variabilă (VSA). Un astfel de tip de tehnologie se inspiră din natură, unde rigiditatea musculară este ajustată continuu de sistemul nervos central pentru a interacționa cu mediul extern și a manipula obiectele. Proprietatea particulară a modulării rigidității poate fi implementată în actuator prin varierea mecanică a configurației mecanismului cu arc intern, așa cum este demonstrat de lucrările lui Tonietti și colab. (2005): variația geometrică a mecanismului conform intern asigură o rigiditate mecanică mai mică sau mai mare la ieșirea actuatorului cu posibilitatea de a modula comportamentul dinamic în ceea ce privește lățimea de bandă și deci având o rejectare variabilă a perturbației în funcție de sarcina aplicată și de natura forțelor de interactiune.
Bazat pe un principiu de lucru diferit, dar folosit în același domeniu ca SEA sau VSA pentru a modula „ușor” interacțiunea cu sarcina sau cu un utilizator uman, mușchii artificiali pneumatici generează deplasare liniară prin utilizarea presiunii aerului. Compresibilitatea aerului oferă sistemului o complianță intrinsecă și un comportament de tip arc (Brunell 1979). Arhitectura implică piston antrenat de gaz sub presiune sau, de asemenea, tuburi elastice gonflabile sau bășică înconjurată de plasă împletită capabilă să se scurteze atunci când se aplică o presiune mai mare în cameră și sunt cunoscuți ca mușchi McKibben (Hannaford și Winters 1990; Chou și Hannaford 1996). Există câteva avantaje legate de absența pieselor mobile și a mecanismului angrenat care conferă unui astfel de actuator un raport mare putere-greutate (Hollander și Sugar 2004) și o simplitate intrinsecă. Pe de altă parte, neliniaritatea relației dintre forță și presiune face ca implementarea controlului să fie solicitantă și datorită prezenței de histerezis și a efectelor vâscoase (Tabata et al. 2000). Un exemplu de aplicare robotică este mâna abilă Utah/MIT (Jacobsen și colab. 1984) controlată de o supapă de suspensie cu o singură treaptă într-un cilindru de sticlă și piston din grafit, utilizată în principal în robotica antropomorfă. Sistemul are versiunea comercială pneumatică dezvoltată de Sarcos Inc. (Salt Lake City, Utah). Alte lucrări anterioare care merită menționate sunt mai mult legate de implementarea controlului de înaltă performanță pentru articulațiile robotice (Liu și Bobrow 1988) sau controlerului cu feedback ierarhic cu supape de înaltă performanță (Kawamura et al. 1989).
Un astfel de tip de acţionare prezintă o neliniaritate ridicată pe curba caracteristică forţă/presiune sau presiune/poziţie: Fig. 12 prezintă schema bloc a unui sistem de control al poziţiei care cuprinde un control al presiunii în buclă interioară şi un control al poziţiei în buclă exterioară. În controlul presiunii, o supapă proporțională transformă un semnal electric analogic de intrare într-o deschidere secțională adecvată pentru a permite fluidului să curgă în interiorul cilindrului. Presiunea diferențială în cilindru este controlată direct de debitul prin supapă, iar debitul este legat de tensiunea de intrare într-un mod complex. Prezența frecării necesită un bloc suplimentar bazat pe model în bucla interioară pentru a estima frecarea.
Fig. 12 Diagrama schematică a unui sistem tipic de control al poziţiei pentru acţionarea pneumatică. Este în principal un controler PID mărit cu compensarea frecării
Un controler PID cu liniarizare prin feedback este utilizat în bucla de control a presiunii pentru a compensa neliniaritatea rezultată din compresibilitatea aerului. Controlerul de poziție este în principal un controler PID mărit cu compensarea frecării.