Systém na spresnenie dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov

Číslo patentu: U 7423

Dátum: 02.05.2016

Autori: Piteľ Ján, Židek Kamil, Hošovský Alexander

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

m) SK ÚŽITKOVÝ VZOR 74(22) Dátum podania prihlášky 30. 6. 2015 (13) Druh dokumentu Yl(32) Dátum podania prioritnej prihlášky (51) ĺľlľ C 1- (20160 ĺ)ľ(33) Krajina alebo regionálna organizácia priority BZSJ 13/00(43) Dátum zverejnenia prihlášky 3. 12. 2015 1325- 7/00 Vestník UPV SR č. 12/2015 F 16 H 21/00ÚRAD úžitkového vzoru 2. 5. 2016PRIEMYSELNÉHO Vestník UPV SR č. 05/2016SLOVENSKEJ REPUBLIKY úžitkového vzoru verejnosti 29. 3. 2016(62) Číslo pôvodnej prihlášky V prípade vylúčenej prihlášky(67) Číslo pôvodnej patentovej prihlášky v prípade odbočenia(86) Číslo podania medzinárodnej prihlášky podľa PCT(87) Číslo zverejnenia medzinárodnej prihlášky podľa PCT(96) Číslo podania európskej pátentovej prihlášky(73) Majiteľ Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií so sídlom V Prešove, Prešov, SK(74) Zástupca Piteľ Ján, doc. Ing., PhD., Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove, Prešov, SK(54) Názov Systém na spresnenie dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalovSystém na spresnenie dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov pozostávajúci z bloku (l) zdroja budiaceho signálu, bloku (2) vstupno/výstupnej komunikácie, bloku (3) spracovania signálu, bloku (4) analytického modelu aktuátora, bloku (5) diferenčného člena, bloku (6) rekurentnej neurónovej siete, bloku (7) aktuátora na báze pneumatických umelých svalov, bloku (8) snímača uhlovej výchylky, blokov (9) a (10) snímačov sily svalov a blokov (1 l) a (12) snímačov tlaku v svaloch. Blok(2) vstupno/výstupnej komunikácie zabezpečuje interakciu medzi PC a aktuátorom, pričom jeho výstup je vstupom do bloku (7) aktuátora na báze pneumatických umelých svalov a do bloku (3) spracovania signálu, ktorého výstup je porovnaný s výstupom z bloku (4) analytického modelu aktuátora v bloku (5) diferenčného člena. Výstup tohto bloku je vstupom do bloku (6) rekurentnej neurónovej siete umožňujúcej získat odhad poruchových veličín na základe vstupných dát získaných vybudením aktuátora blokom (l) budiaceho signálu.Technické riešenie sa týka tvorby dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov s jednou rotačnou osou využívajúceho pár antagonisticky zapojených pneumatických umelých svalov na priemyselné a biomedicínske robotické aplikácie.Využívanie dynamických modelov je v súčasnej technickej praxi veľmi rozšírené vďaka dostupnosti výkonnej výpočtovej techniky a veľkým výhodám, ktoré simulácia (teda experimentovanie s takýmito modelmi) poskytuje. Súčasné prístupy na odvodenie (matematických) modelov systémov (označovanej ako identifikácia) je možné rozdeliť do dvoch hlavných kategórií analytická identifikácia a experimentálna identifikácia (Balátě, J. Automatické řízení, 2003). V prípade analytickej identifikácie má dynamický model obvykle podobu diferenciálnych (alebo diferenčných) rovníc opisujúcich fyzikálne javy prebiehajúce v systéme. Tento prístup má veľkú výhodu v poskytnutí fyzikálnej interpretácie vytvoreného modelu, čo umožňuje získať predstavu o podstate spomínaných fyzikálnych javov z hľadiska ich dynamiky. Určitou nevýhodou je samozrejme nutná znalosť fyzikálnych procesov systému, čo môže byť v prípade veľmi zložitých systémov veľmi obmedzujúce. Pre tvorbu dynamických modelov zložitých systémov sa môže javiť vhodnejší prístup experimentálnej identifikácie, ktorý vychádza predovšetkým z experimentálne získaných dát. Výsledný model v tomto prípade môže dostatočne opisovať dynamiku predmetného systému, ale bez fyzikálnej interpretácie a vo všeobecnosti len pre rozsah dát, ktoré boli použité pri jeho tvorbe (extrapolačné vlastnosti takýchto modelov bývajú nedostatočné). Veľmi častou býva kombinácia uvedených prístupov, kedy je časť modelu analytická (zostavená na základe znalostí niektorých fyzikálnych javov) a časť experimentálna (na základe nameraných dát - môže ísť o zisťovanie hodnôt niektorých parametrov alebo modelovanie niektorých závislostí).Vo všeobecnosti je tendencia preferovať analytické modely, keďže zachovávajú fyzikálnu interpretáciu,pri správnom zostavení majú dobré extrapolačné vlastnosti a sú do istej miery univerzálne (napr. pri výmene komponentu, ktorý je charakterizovaný určitými parametrami V modeli, stačí zmeniť hodnoty týchto parametrov, zatiaľ čo v prípade plne experimentálneho modelu by bola potrebná nová séria dát). V prípade nelineámych systémov, ktoré sú charakterizované zložitými fyzikálnymi procesmi, je však v súlade s uvedeným potrebné počítať s nižšou presnosťou modelu, ktorá vyplýva z väčšieho počtu zjednodušení opisu týchto procesov. Uvedená skutočnosť v značnej miere platí pre systémy na báze pneumatických umelých svalov, kedy je získanie presného analytického modelu veľmi náročné (nelineárne charakteristiky pneumatických systémov, nelineárne statické a dynamické charakteristiky pneumatických umelých svalov, hysteréza a pod.).Podstatou navrhovaného technického riešenia je využitie vlastností neurónovej siete ako univerzálneho aproximátora, umožňujúcej pri konečnom počte neurónov V skrytej vrstve aproximovať akúkoľvek spojitú funkciu na kompaktných podmnožinách s ľubovoľnou presnosťou (Gupta, M. M., Jin, L., Homma, N. Static and Dynamic Neural Nehd/OFÍCS, 2003) s ohľadom na zachovanie analytického charakteru vytváraného dynarnického modelu. Riešenie počíta s existenciou analytického dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov s jedným stupňom voľnosti. Uvedený model pozostáva z dvoch častí odlišnej fyzikálnej povahy pneumatickej časti a mechanickej časti (Hošovský, A., Havran, M. Dynamic Modeling of One Degree of Freedom Pneumatic Actuator for Industrial Applications, 2012). Pneumatická časť opisuje dynamiku prietoku stlačeného vzduchu ventilmi, ako aj dynamiku zmeny tlaku v jednotlivých svaloch odvodenej na základe Boyle-Marriottovho zákona ideálneho plynu. Táto závislosť okrem iného obsahuje aj objem svalu a jeho časovú deriváciu (teda rýchlosť zmeny objemu svalu), ktoré závisia od geometrických parametrov pneumatického umelého svalu (tento vzťah je možné aj aproximovať polynómom vyššieho stupňa ako funkciu kontrakcie svalu). Mechanická časť modelu opisuje pneumatický umelý sval ako paralelné spojenie nelineárnej pružiny a nelineárneho tlmiča, a potom celú sústavu ako spojenie dvoch paralelných párov týchto prvkov pôsobiacich proti sebe (antagonistické zapojenie). Uvedený model zachytáva význačné body dynamiky systému, ale jeho presnosť je znížená z dôvodu veľkého počtu zjednodušení opisov predmetných fyzikálnych javov, ako aj akumulácie chýb pri používaní aproximácií niektorých závislostí. Zvýšenie presnosti na úrovni analytického modelu by si vyžadovalo značné úsilie v oblasti matematického opisu týchto javov. Navrhované riešenie ponecháva zostavený model bez zmeny a dopĺňa ho rekurentnou neurónovou sieťou(v tomto návrhu Elmanového typu - Nelles, O. Nonlínear System Idenrzficazon, 2001), ktorá slúži ako identifikátor nemodelovanej dynamiky. Keďže najdôležitejším prejavom efektov nezahrnutých V pôvodnom analy l 0tickom dynamickom modeli sú odchýlky priebehov jednotlivých veličín modelu od priebehov týchto veličín na reálnom aktuátore, je možné využiť informáciu obsiahnutú V týchto odchýlkach na tréning neurónovej siete, ktorá potom bude simulovať priebeh konkrétnej veličiny (teda priebeh získaný z výstupu pôvodného analytického modelu) korigovať. Týmto spôsobom je možné korigovať ľubovoľný počet veličín, pričom obmedzenie je dané jedine dostupnosťou snímačov pre tieto veličiny.Návrh počíta s offline tréningom neurónovej siete, na čo je potrebné Získať tréningovú a testovaciu množinu (v závislosti od typu tréningu môže byť potrebná aj validačná množina). Ide o učenie s učiteľom (supervised learning - Karray, O. F., De Silva, C. Soft Computing and Intelligent System Design, 2004), čo znamená, že množiny tvoria páry vstup-žiadaný Výstup. V navrhovanom riešení budú vstupnú neurónovej siete príslušné veličiny z výstupu analytického modelu a výstupom bude potrebná korekcia korigovanej veličiny. Príslušné množiny (tréningová aj testovacia) sa získajú ako rozdiel nameraných veličín na reálnom aktuátore a tých istých veličín z výstupu analytického modelu pre to isté budenie, ktorým bude náhodná postupnosť riadiacich logických impulzov pre ventily aktuátora. Z tohto merania je potrebné získať väčší počet vzoriek,aby boli dáta obsiahnuté V meraniach dostatočne reprezentatívne vo vzťahu k dynamike sústavy. Naučená sieť by mala potom poskytovať výsmpný signál predstavujúci potrebnú mieru korekcie danej veličiny pri ľubovoľných kombináciách riadiacich logických impulzov (generalizačná schopnosť neurónovej siete - poskytovať presné Výstupy aj pre vstupy, ktoré neboli súčasťou tréningovej množiny). Navrhuje sa použitie rekurentnej neurónovej siete (siete s vnútornou pamäťou), ktorá má Vo všeobecnosti lepšie vlastnosti na simuláciu(predikcia pre veľmi dlhé časové úseky) ako dopredné siete bez spätnej väzby.Pri navrhovanom riešení je potrebné riešiť problém zabezpečenia dostatočnej reprezentatívnosti získaných dát, ktorá predstavuje kritický faktor pri identifikácii systémov. Toto je možné zabezpečiť vybudením systému v čo najširšom spektre pracovných podmienok voľbou vhodného budiaceho signálu. Pre lineárne systémy je Vhodnou voľbou signál vo forme pseudonáhodnej binárnej sekvencie (PRBS - Pseudorandom Binary Sequence), ktorý je tvorený impulzmi s hodnotou 0 a l s náhodným časom trvania V rámci zvoleného rozsahu. Vzhľadom na to, že odozva nelineárnych systémov vo všeobecnosti závisí od Veľkosti budiaceho signálu, V navrhovanom riešení predpokladáme Využitie modifikácie PRBS signálu označovanej APRBS(Amplitude Pseudorandom Binary Sequence), ktorá pozostáva z postupnosti impulzov s náhodným trvaním a náhodnou amplitúdou V rámci zvoleného rozsahu (Nelles, O. Nanlinear System Identífcaton, 2001). Ak sú ako akčný člen použité jednoduché ON/OFF ventily, má signál podobu binámych impulzov s náhodnou dobou trvania (PRBS), ktoré sú spárované a navzájom negované (napustenie prvého svalu - logická 1 a vypustenie druhého svalu - logická l, vypustenie prvého svalu - logická 0 a napustenie druhého svalu - logická 0 a naopak), čo zabezpečuje plynulý prechod kĺbu cez referenčnú polohu.Z hľadiska komponentov je možné navrhovaný systém rozdeliť na dve časti - časť modelovaného systému (aktuátor na báze pneumatických umelých svalov so všetkými snímačmi) a časť bloku modelovania a spracovania signálov (PC s meracou kartou zabezpečujúcou interakciu so systémom). V samotnom riešení sa predpokladá korekcia uhlovej výchylky kĺbu, tlaku V prvom svale, tlaku V druhom svale, sily prvého svalu a sily druhého svalu, pričom Všetky veličiny (okrem prvej) sú privedené do analógových vstupov meracej karty (pre výstup inkrementálneho snímača je využitý osobitný vstup na spracovanie signálov z tohto typu snímačov). Signály privedené do analógových vstupov je vo všeobecnosti potrebné frltrovať, čo je možné zabezpečiť softvérovo V PC ľubovoľným vhodným spôsobom.Prehľad obrázkov na výkresochTechnické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou výkresu, obrázok l znázorňuje celkové blokové usporiadanie funkčných častí riešenia.Na obrázku l je znázornený príklad technickej realizácie navrhovaného riešenia V podobe blokoVej schémy, kde význam blokov je nasledujúci blok l zdroja budiaceho signálu je zdrojom impulzov vo forme binárneho logického signálu na riadenie ventilov (O - zatvorený ventil, l - otvorený ventil). Výstup z tohto bloku je spojom Q privedený do bloku z vstupno/Výstupnej komunikácie a zároveň do bloku A analytického modelu aktuátora. Blok g vstupno/Výstupnej komunikácie je blokom zabezpečujúcim interakciu medzi aktuátorom a PC, pričom výstup z tohto bloku V podobe TTL logiky (OV pre logickú nulu a 5 V pre logickú jednotku) je spojom Q vedený do bloku 1 aktuátora na báze pneumatických umelých svalov. Výstup z bloku Z aktuátora na báze pneumatických umelých svalov je spojom 2 l vedený do bloku § snímača uhlovej výchylky, bloku 2 snímača sily prvého svalu, bloku Q snímača sily druhého svalu, bloku snímača tlaku V prvom svale a bloku Q snímača tlaku V druhom svale. Výstupy z bloku § snímača uhlovej výchylky, z bloku 2 sní 10mača sily prvého svalu, bloku Q snímača sily druhého svalu, bloku Q snímača tlaku V prvom svale a bloku Q snímača tlaku V druhom svale sú spojmi Q, Q, a, ě a Ä (v tomto poradi) vedené do bloku g vstupno/výstupnej komunikácie. Výstup z bloku g vsmpno/výstupnej komunikácie (ktorákoľvek z veličín snímaných snímačmi V číslicovej podobe V PC) je vedený spojom M do bloku i spracovania signálu, kde dochádza k úpravám signálov privedených zo snímačov (normalizácia, filtrovanie, prípadne prevzorkovanie a iné). Výstup bloku 3 spracovania signálu je vedený spojom Q do bloku Q diferenčného člena, kde je spojom É privedený aj výstup z bloku i analytického modelu aktuátora. Po získaní rozdielu týchto signálov (odozvy modelu a aktuátora na ten istý budiaci signál) získavame odhad poruchových veličín spôsobujúcich odchýlku dynamiky modelu od dynamiky aktuátora (napr. nemodelovaná dynamika). Tento rozdiel je z výstupu bloku Q diferenčného člena vedený spojom Q do bloku Q rekurentnej neurónovej siete, kde je zároveň spojom Q privedený Vektor vstupných hodnôt siete z výstupu bloku 4 analytického modelu aktuátora. Výstup z bloku Q rekurentnej siete je spojom Q vedený späť do toho istého bloku, čo naznačuje proces tréningu siete (úpravy hodnôt synaptických váh a prahov).Blok 1 zdroja budiaceho signálu, blok Q diferenčného člena, blok 4 analytického modelu aktuátora a blok Q rekurentnej neurónovej siete sú bloky realizované v počítači, pričom blok z vstupno/výstupnej komunikácie predstavuje rozhranie medzi PC a vonkajším prostredím (resp. systémom) so zabezpečením interakcie prostredníctvom analógových vstupov (pre snímače tlakov, snímače síl), vstupu pre inkrementálny snímač (uhlová výchylka klbového spojenia) a číslicových výstupov na riadenie ventilov. Blok § snímača uhlovej výchylky, blok 2 snímača sily prvého svalu, blok m snímača sily druhého svalu, blok Q snímača tlaku V prvom svale a blok Q snímača tlaku V druhom svale predstavujú snímače jednotlivých veličín pre príklad navrhovaného riešenia a môžu sa líšiť V konkrétnej aplikácii podľa dostupnosti jednotlivých snímačov resp. typu systému.Systém na spresnenie dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov je možné použit na získanie presnejšieho dynamického modelu aktuátora s pneumatickými umelými svalmi použiteľného napr. pre návrh riadiaceho systému alebo jeho veriñkáciu. Samotný prístup je univerzálny z hľadiska jeho použiteľnosti a je rozšíriteľný na zariadenia s pneumatickými umelými svalmi, ktoré majú viac stupňov voľnosti alebo vo všeobecnosti na ľubovoľné mechatronické systémy za predpokladu dostupnosti snímačov príslušných veličín.Systém na spresnenie dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov, V y z n a č u j ú ci s a tý m , že je tvorený blokom (1) zdroja budiaceho signálu, blokom (2) vstupno/výstupnej komunikácie, blokom (3) spracovania signálu, blokom (4) analytického modelu aktuátora, blokom (5) diferenčného člena a blokom (6) rekurentnej neurónovej siete, pričom výstup z bloku (1) zdroja budiaceho signálu je spojom (13) pripojený k bloku (2) vstupno/výstupnej komunikácie a zároveň k bloku (4) analytického modelu aktuátora, výstup z bloku (2) vstupno/výstupnej komunikácie je spojom (14) pripojený k bloku (3) spracovania signálu, ktorého výstup je spojom (15) vedený do bloku (S) diferenčného člena,kde je zároveň spojom (16) privedený výstup z bloku (4) analytického modelu aktuátora a vektorový výstup z bloku (4) analytického modelu aktuátora je spojom (17) privedený do bloku (6) rekurentnej neurónovej siete, kde je zároveň spojom (18) privedený aj výstup z bloku (5) diferenčného člena, pričom Výstup z bloku (6) rekurentnej neurónovej siete je privedený spojom (19) späť do bloku (6) rekurentnej neurónovej siete, ďalej je tvorený aj blokom (7) aktuátora na báze pneumatických umelých svalov, blokom (8) snímača uhlovej výchylky, blokom (9) snímača sily prvého svalu, blokom (10) snímača sily druhého svalu, blokom (11) snímača tlaku v prvom svale a blokom (12) snímača tlaku V druhom svale, pričom výstup z bloku (2) vstupno/výstupnej komunikácie je spojom (20) vedený do bloku (7) aktuátora na báze pneumatických umelých svalov, ktorého výstup je spojom (21) súčasne vedený do bloku (8) snímača uhlovej výchylky, bloku (9) snímača sily prvého svalu, bloku (10) snímača sily druhého svalu, bloku (11) snímača tlaku V prvom svale a bloku (12) snímača tlaku V druhom svale, pričom výstup bloku (8) snímača uhlovej výchylky, bloku (9) snímača sily prvého svalu, bloku (10) snímača sily druhého svalu, bloku (11) snímača tlaku V prvom svale a bloku (12) snímača tlaku V druhom svale sú spojmi (22), (23), (24), (25) a (26) vedené do bloku (2) vstupno/výstupnej komunikácie.

MPK / Značky

MPK: F16H 21/00, B25J 13/00, B25J 7/00

Značky: modelů, spresnenie, pneumatických, systém, umělých, svalov, aktuátora, báze, dynamického

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/5-u7423-system-na-spresnenie-dynamickeho-modelu-aktuatora-na-baze-pneumatickych-umelych-svalov.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Systém na spresnenie dynamického modelu aktuátora na báze pneumatických umelých svalov</a>

Podobne patenty