Experimental Validation of McKibben Pneumatic Artificial Muscle Model
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Experimental validation of McKibben pneumatic artificial muscle model using ActiveLink's and FESTO's products. This slides was used at SICE Control Devision: Multi-Symposium 2014 (domestic control ...

Experimental validation of McKibben pneumatic artificial muscle model using ActiveLink's and FESTO's products. This slides was used at SICE Control Devision: Multi-Symposium 2014 (domestic control conference).

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Experimental Validation of McKibben Pneumatic Artificial Muscle Model Experimental Validation of McKibben Pneumatic Artificial Muscle Model Presentation Transcript

  • 2014.3.5@電気通信大学 第1回 SICE制御部門マルチシンポジウム McKibben型空気圧人工筋モデルの 妥当性に関する実験的考察 ⃝浦邊 研太郎 石原 弘二 藤田 貴大 内藤 諒 小木曽 公尚(電気通信大学) 杉本 謙二 奈良先端科学技術大学院大学
  • 発表の流れ 1. はじめに 2. 人工筋システムの数理モデル 3. モデルの妥当性考察 L0 l L proportional directional control valve θ air compressor M M contraction ratio 4. おわりに 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] 2
  • 背景 社会的背景 高齢化に伴う医療や介護サービスの需要 福祉機器の開発 [1] McKibben型空気圧人工筋 中心にゴムチューブ, 外側に化学繊維のメッシュ 圧縮空気により収縮, 収縮力を発生 軽量かつ柔軟, 単位重量あたりの出力が大きい 応用例 リハビリテーション機器[2], 医用機器[3] 収縮力 パワーアシスト機器[4] [1] “マッスルスーツ”, 小林研究室 [2] S. Hussain et al., 2012. [3] H. Li, K. Kawashima et al., 2013. [4] Zhen Yang et al., 2012. 3
  • 動機 空気圧人工筋の制御系設計に関する従来研究 多項式近似モデルに対するヒステリシス補償器の設計[5] 動作点まわりで線形化した伝達関数モデルに対する位置決め制御[6] 圧力帯域を中圧域から高圧域に制限されたモデル 低圧域から高圧域で制御仕様を満たすことは難しい 制御系設計には圧力制限のないモデルが必要 異なるアプローチ:区分線形化したモデルに対する制御系設計[7] [5] T. V. Minh et al., 2010. [6] A. P-Arrese et al., 2010. [7] Andrikopoulos et al., 2014. 4
  • 動機 圧力制限のない非線形モデルの提案 摩擦によるヒステリシス, 構造上の非線形性を陽に含むモデル[8] 同定対象 アクティブリンク社製人工筋 TAA10 TAA10 他社製の人工筋に対するモデルの表現能力は未検証 提案モデルを用いて他社製の人工筋を同定する [8] T. Itto et al., 2011. 5
  • 目的と方針 本発表の目的 提案モデルを用いて複数の人工筋を同定する 方針 ① モデル・パラメータ推定方法 従来提案してきたものを使用 ② 同定対象 アクティブリンク社 TAA10 FESTO社 DMSP-10-250N, DMSP-20-200N ③ モデルの妥当性検証 数値計算結果と実験結果の応答の面積誤差を比較 パラメータ推定に用いていないテストデータでの検証 6
  • 人工筋システムの数理モデル 非線形切り替え系[8] L0 l L proportional directional control valve 状態変数 θ air compressor 入力変数 M M 出力変数 サブシステムの指標 入出力の関係 入力:比例流量制御弁の開度を調整する指令電圧値 出力:人工筋の収縮率 および内圧 [8] T. Itto et al., 2011. 7
  • 人工筋システムの数理モデル モデルを構成する物理式 ① 人工筋の収縮力 ② 外部負荷の運動方程式 ③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9] ④ 人工筋の体積 ⑤ 人工筋の圧力変化 ⑥ 流量制御弁を通過する質量流量 [9] 内藤ら, 2014. 8
  • 人工筋システムの数理モデル モデルを構成する物理式 ① 人工筋の収縮力 ② 外部負荷の運動方程式 ③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9] ④ 人工筋の体積 後半で説明 ⑤ 人工筋の圧力変化 ⑥ 流量制御弁を通過する質量流量 [9] 内藤ら, 2014. 9
  • 人工筋システムの数理モデル モデルを構成する物理式 ① 人工筋の収縮力 ② 外部負荷の運動方程式 ③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9] 詳細は次の発表 ④ 人工筋の体積 ⑤ 人工筋の圧力変化 ⑥ 流量制御弁を通過する質量流量 [9] 内藤ら, 2014. 10
  • 人工筋システムの数理モデル モデルを構成する物理式 9つのパラメータが存在 ① 人工筋の収縮力 ② 外部負荷の運動方程式 ③ 圧力に依存するクーロン摩擦[9] ④ 人工筋の体積 ⑤ 人工筋の圧力変化 ⑥ 流量制御弁を通過する質量流量 [9] 内藤ら, 2014. 11
  • 推定するパラメータ 9つのパラメータ 弾性係数 流量制御弁の断面積 メッシュ角度 空気の比熱比 収縮率の補正係数 粘性摩擦係数 クーロン摩擦力の
 補正係数 定常特性にのみ影響 過渡特性にのみ影響 定常特性と過渡特性で別々にパラメータを推定[10,11] [10] 小木曽ら, 2013. [11] K. Kogiso et al., 2013. 12
  • 同定対象 アクティブリンク社 TAA10 黒色の非伸縮性メッシュが
 内部のゴムチューブを覆う構造 TAA10(Φ10 0.25 m) FESTO社製 DMSP-10-250N, DMSP-20-200N ラバーが表面を覆う構造. 耐久性, 防塵性に優れる DMSP-10-250N(Φ10 0.25 m) DMSP-20-200N(Φ20 0.20 m) 13
  • 人工筋の体積 体積の近似式の導出 解析的に表現することは難しい load cell LDM pressure sensor 水中で収縮, 水面の増分を計測 PAM 体積を収縮率の2次多項式で表現 control valve pressure tank air compressor -5 PAM volume [m3] PAM volume [m3] 6 6 5 4 3 2 0 0.1 0.2 contraction ratio TAA10 0.3 -4 x10 1.5 PAM volume [m3] -5 7 x10 5 4 3 2 1 0 flow meter 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 contraction ratio DMSP-10-250N x10 1.3 1.1 0.9 0.7 0.5 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 contraction ratio DMSP-20-200N 14
  • モデルの妥当性の検証方法 妥当性の検証事項 pressure [kPa] 実験で測定するデータ パラメータ推定に用いるデータ 定常応答, 3気圧から6気圧の過渡応答 contraction ratio 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] 定常応答 500 450 400 350 300 250 contraction ratio 3種類の人工筋のモデルが求まること 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time [s] 過渡応答 テストデータ 3種類(4気圧から5気圧, 5気圧から6気圧, 3気圧から6気圧)の過渡応答 定常応答・過渡応答の測定 収縮率 内圧 収縮過程と膨張過程でそれぞれ31区間に区切り, 収束値を測定 時間応答を40秒間測定 15
  • パラメータの推定結果:推定値 TAA10 DMSP-10-250 DMSP-20-200 16
  • パラメータの推定結果:面積誤差 0.15 0.10 0.05 0.20 0.15 0.10 0.05 0 0.15 0.10 0.05 10 15 20 25 30 35 40 time [s] TAA10 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0 0 5 5 10 15 20 25 30 35 40 10 15 20 25 30 35 40 time [s] DMSP-10-250N pressure [kPa] 5 10 15 20 25 30 35 40 500 450 400 350 300 250 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] 500 450 400 350 300 250 contraction ratio 0 5 pressure [kPa] 0 0 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] contraction ratio pressure [kPa] contraction ratio 0.20 0 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 contraction ratio 0.20 500 450 400 350 300 250 0.25 0.25 contraction ratio contraction ratio 0.25 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 time [s] DMSP-20-200N 17
  • パラメータの推定結果:面積誤差 0.15 0.10 0.05 0.20 0.15 0.10 0.05 0 0.15 0.10 0.05 10 15 20 25 30 35 40 time [s] TAA10 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0 0 5 5 10 15 20 25 30 35 40 10 15 20 25 30 35 40 time [s] DMSP-10-250N pressure [kPa] 5 10 15 20 25 30 35 40 500 450 400 350 300 250 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] 500 450 400 350 300 250 contraction ratio 0 5 pressure [kPa] 0 0 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] contraction ratio pressure [kPa] contraction ratio 0.20 0 100 200 300 400 500 600 700 pressure [kPa] 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 contraction ratio 0.20 500 450 400 350 300 250 0.25 0.25 contraction ratio contraction ratio 0.25 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 time [s] DMSP-20-200N TAA10:定常応答・過渡応答ともによく一致 DMSP-10-250N :過渡応答で差, 定常応答ではよく一致 DMSP-20-200N 18
  • テストデータによる比較 700 650 600 550 500 450 400 350 300 pressure [KPa] pressure [KPa] パラメータ推定に用いていない過渡応答での比較 experimental result simulation result 0 5 10 15 20 25 30 35 40 contraction ratio contraction ratio 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0 5 10 15 20 25 time [s] 30 35 40 pressure [kPa] TAA10 contraction ratio experimental result simulation result 0 5 10 15 0 5 10 15 20 25 30 35 40 20 25 time [s] 30 35 40 0.20 0.28 700 650 600 550 500 450 400 350 300 700 650 600 550 500 450 400 350 300 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 DMSP-20-200N 3気圧から6気圧の10秒付近で差 4気圧から5気圧, 5気圧から6気圧ではよく一致 experimental result simulation result 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.22 0.20 提案モデルは3種類の人工筋を表現 0.16 0.12 0.08 0 5 10 15 20 25 time [s] DMSP-10-250N 30 35 40 19
  • まとめ & 今後の課題 まとめ 目的 提案モデルを用いて複数の人工筋を同定する 結果 異なる3種類の人工筋のパラメータを推定 提案モデルは3種類の人工筋を表現 結論 提案モデルを用いて3種類の人工筋を同定できた 今後の課題 提案モデルの妥当性検証が進むことで, 要素設計に応用できる より多くの種類の人工筋のパラメータ推定を行うこと 制御仕様を満たす精度のパラメータを推定すること 20