Pneumatiska artificiella muskler

Rapport för Högskoleingenjörsexamen
IDE 1276, December 2012
Mekatronik
Pneumatiska artificiella muskler
Sektionen för informationsvetenskap, data- och elektroteknik
Högskoleingenjörsexamen
med hjälp av en robotarm
Albert Hoxha & Zejnulla Ibraimi
I
Pneumatiska artificiella muskler
med hjälp av en robotarm
Högskoleingenjörsuppsats
2012 December
Författare: Albert Hoxha, Zejnulla Ibraimi
Handledare: Tommy Salomonsson
Examinator: Kenneth Nilsson
II
© Copyright Albert Hoxha, Zejnulla Ibriami, 2012. All rights reserved
Högskoleingenjörsuppsats
Rapport, IDE1276
Sektionen för informationsvetenskap, data- och elektroteknik
Högskolan i Halmstad
III
Abstract
According to the study [1] several firefighters are killed in action each year. This happens
naturally in various ways. One of the major factors is that firefighters often do not know how
the environment looks like, for example that a building in an industrial area contains
hazardous gas cylinders. Without a solution, fire-fighters will continue to die in duty. It is
therefore important to solve this problem so that we can minimize the risks and save lives.
The goal of this project was a control system for pneumatic artificial muscles. To demonstrate
that the desired functions of pneumatic artificial muscles worked properly, we created a
simple arm with three degrees of freedom, with two muscles at each degree of freedom. The
work consists mainly of pneumatic muscle, valves, programming and wireless
communications. The focus was on controlling the robot arm using pneumatic artificial
muscles.
In order to achieve the arm to move to the desired position, we used wireless communication,
the transmitter and receiver, and the pneumatic artificial muscles. This includes also
programming, which was created on the programming language Spin.
IV
V
Sammanfattning
Enligt en undersökning[1] omkommer ett flertal brandmän varje år av olika anledningar. En
orsak till dödsfallen är att brandmän oftast inte vet hur omgivningen ser ut t.ex. att en
byggnad i ett industriområde innehåller farliga gastuber. För att minimera riskerna vore det
önskvärt att brandmän fick tillgång till utrustning som bidrar till att skapa en tydlig bild av
insidan i en industrilokal. Detta hjälper dem med att kartlägga området innan de beger sig in i
farliga miljöer. Denna utrustning kan vara en robot.
Målet med detta projekt var ett reglersystem för pneumatiska muskler. För att visa att de
önskade funktionerna för pneumatiska muskler fungerade korrekt skapades en enkel robotarm
med tre frihetsgrader, där två muskler vid varje frihetsgrad användes. Arbetet består främst av
pneumatiska muskler, proportionalventiler, programmering och trådlös kommunikation.
Fokus låg på att styra robotarmen med hjälp av pneumatiska muskler.
För att få armen att röra sig till det önskvärda positionen användes trådlös kommunikation,
sändare och mottagare, samt pneumatiska artificiella muskler. Till detta hör även
programmering till, vilket skapades under programmeringsspråket Spin.
VI
VII
Förord
Denna rapport är en högskoleingenjörsuppsats och är resultatet av ett examensarbete på 15 hp,
som är en del i utbildningen för mekatronikingenjörsprogrammet 180 hp, vid sektionen för
informationsvetenskap, Data- och Elektroteknik (IDE) på Högskolan i Halmstad.
Examensarbetet är utfört under våren 2011 i samarbete med Leif Ahlman och Drones
Networking.
Albert Hoxha, Zejnulla Ibraimi
VIII
IX
Innehåll
ABSTRACT ...........................................................................................IV
SAMMANFATTNING .............................................................................VI
FÖRORD .............................................................................................VIII
1 INTRODUKTION ................................................................................ 1
1.1 BAKGRUND ........................................................................................................... 1
1.2 SYFTE .................................................................................................................. 2
1.3 KRAVSPECIFIKATION.............................................................................................. 2
1.3.1
1.3.2
1.4
KONSTRUKTIONS KRAV ................................................................................................................ 2
FUNKTIONELLA KRAV ................................................................................................................... 2
AVGRÄNSNINGAR .................................................................................................. 2
2 BAKGRUND ....................................................................................... 3
2.1
2.2
2.3
2.4
PNEUMATISKA MUSKLER ........................................................................................ 3
PROPORTIONALVENTIL ........................................................................................... 7
TRÅDLÖS KOMMUNIKATION .................................................................................... 7
CAMPER TROLLEY ................................................................................................. 7
3 METOD............................................................................................... 9
3.1 PNEUMATISKA MUSKLER ........................................................................................ 9
3.2 UTVECKLINGSMILJÖ............................................................................................. 11
3.3 INFORMATIONSÖVERFÖRING ................................................................................. 11
3.3.1
3.3.2
PWM TILL UTVECKLINGSKORTET ............................................................................................... 11
PWM FRÅN UTVECKLINGSKORTET.............................................................................................. 11
3.4 STYRSYSTEM ...................................................................................................... 12
3.5 FUNKTIONEN MELLAN PROCESSORER .................................................................... 13
3.6 FÖRUTSÄTTNINGAR INFÖR VAL AV UTVECKLINGSKORT ........................................... 14
3.7 UTVECKLINGSKORT ............................................................................................. 15
3.7.1
PROPELLER DEMO BOARD......................................................................................................... 15
3.7.2
PROPELLER PROTO BOARD ....................................................................................................... 16
3.8 KOMPRESSOR ..................................................................................................... 16
3.9 STRÖMFÖRBRUKNING .......................................................................................... 16
4 RESULTAT....................................................................................... 17
4.1
4.2
4.3
4.4
PNEUMATISKA LUFT MUSKLER .............................................................................. 17
UTVECKLING AV MJUKVARA.................................................................................. 21
TEST AV PROPORTIONALVENTIL ............................................................................ 21
TEST AV TRÅDLÖS KOMMUNIKATION ...................................................................... 22
X
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
TEST AV FÖRSTÄRKARE ....................................................................................... 22
DIMENSIONERING AV LP-FILTER ........................................................................... 23
TEST AV FÖRSTÄRKARE MED LP-FILTER................................................................ 23
TEST AV ANALOG TILL DIGITAL(A/D) KONVERTERING .............................................. 24
ROBOTARMENS UTFORMNING ............................................................................... 25
5 DISKUSSION ................................................................................... 27
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
PNEUMATISKA MUSKLER ...................................................................................... 27
PROPORTIONALVENTIL ......................................................................................... 27
TRÅDLÖS KOMMUNIKATION .................................................................................. 27
DC/DC ............................................................................................................... 28
OPERATIONS FÖRSTÄRKARE OCH LP-FILTER ......................................................... 28
6 REFERENSER ................................................................................. 29
7 KOSTNADSKALKYL ....................................................................... 31
8 BILAGOR ......................................................................................... 33
XI
Pneumatiska artificiella muskler
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Drones Networking[2] är ett företag beläget i Kungsbacka.
Företaget säljer och utvecklar autonoma och fjärrstyrda robotar för den civila och militära
marknaden. Ägaren Leif Ahlman har länge haft en vision om att kunna ersätta och skydda
människan från att bege sig in i farliga utrymmen, där dolda risker kan finnas, som gör att
någon kan komma till skada och i värsta fall mista sitt liv. De som, enligt Leif, ska ersätta
människan och utföra jobbet är robotar.
I dagsläget finns redan liknande produkter[3] ute på marknaden. Nackdelen med de
existerande robotarna är priset, som är högt. Kommunen har därför inte råd att sätta in en
robot vid varje brand. Robotarna kostar ett par miljoner och den höga kostnaden uppstår
genom att de byggs från grunden.
En ide som Drones Networking har är att använda sig av produkter som redan finns ute på
marknaden. Idag finns det bra kameror till ett bra pris, enligt Drones Networking, en
bärare(Camper trolley)[4] som passar bra till en robotarm och ger en god rörelseförmåga.
Aktuatorer som valdes till projektet var PAMs(Pneumatiska Artificiella Muskler).
Varför just dessa produkter valdes är för att Camper trolley är väldigt stark och har 360
graders rörlighet på en plan yta[5]. PAM kan operera i olika vinklar, det vill säga att det är
möjligt att komma runt kanter[6] samtidigt är de robusta och billiga[7].
1
Pneumatiska artificiella muskler
1.2 Syfte
Syftet med detta examensarbete är att finna en lösning för att reglera pneumatiska muskler,
även kända som Pneumatic Artificial Muscles (PAMs). Robot armen ska också styras trådlöst.
1.3 Kravspecifikation
Projektets kravspecifikationen har delats upp i två olika kategorier.
1.3.1

Konstruktions krav
Camper Trolleys manövrering får inte modifieras.
1.3.2



Funktionella krav
Kunna styra en muskel, dvs skapa rörelser till roboten.
För styrningen av muskler används mikrokontroller Propeller från Parallax Inc.
Vid rörelse av armen skall den inte ha funktionen ON/OFF, dvs full kraft och ingen
kraft.
1.4 Avgränsningar



Fokus ligger på att musklerna ska styras och inte på att skapa en robotarm.
Robotarmen ska fungera som en bekräftelse till att det går att kontrollera musklerna.
Examensarbetet går endast ut på att ta fram en fungerande prototyp.
Det ingår ingen marknadsföring i examensarbetet.
2
Pneumatiska artificiella muskler
2 Bakgrund
2.1 Pneumatiska muskler
Pneumatiska artificiella muskler(PAM), började användas under 50-talet för medicinskt
syfte[8]. En stor faktor som bidrog till att pneumatiska muskler började användas mer, var att
de är lätta. En annan bra egenskap som musklerna har är att de styrs med hjälp av luft. PAMs
kärna består av en gummislang som är insvept i ett hårt plastnät, se figur 2-2.
Pneumatisk muskel är en enkel enhet som är till för att skapa dragkraft. När muskeln är i ett
avslappnat läge innehåller den inte någon luft. Då muskeln förses med luft i det avslappnade
läget, drar den ihop sig. Kraften hos en pneumatisk muskel fås då den drar ihop sig till ett
indraget läge. [9]
I figur 2-1 nedan är punkt 1 en rörlig del(frihetsgrad) medan punkt 2 är en fix del. Muskeln
drar ihop sig med endast ena änden, punkt 1. Vid sammandragning, se figur 2-1, börjar armen
röra sig uppåt och vid avslappnat läge nedåt.
Figur 2-1 Positionering med hjälp av PAM.
Figur 2-2 Silikonet omsluts av ett slitstartkt nät.
3
Pneumatiska artificiella muskler
För att ta reda på pneumatiska muskelns beteende, utförde Frank Daerden och Dirk Lefeber
två olika tester[9].
Test 1: genomfördes genom att ena änden på muskeln var fixerad och den andra änden var
belastad med belastning , se figur 2-3. I figur 2-3 är muskeln till vänster i avslappnat läge.
Om inte luft tillfördes till
resulterade det till en minimal sammandragning och muskelns
längd är
. Om luft tillfördes i muskeln med ett tryck , bidrog det till dragningskraft.
Belastning
kommer dras tills jämvikt uppstår. Med jämvikt menas att de förändrande
processer som finns (krafter) förhåller sig till varandra på ett sådant sätt att systemet förblir
oförändrat med tiden. Längden på muskeln drar ihop sig till längden
. Efter testets
utförande framkommer 2 regler.
1. Om PAMs volym ökar bidrar det till minskad längd och ökad kraft, se figur 2-5.
2. Ökas trycket, dras PAMs ihop sig mot en konstant belastning M.
Figur 2-3 Muskelns karakteristik med konstant belastning M och varierande tryck.
Test 2: genomfördes för att komma fram till andra regler. I figur 2-4 finns två belastningar M.
Testet utfördes på näst intill samma sätt, förutom att tillförseln av luft hade ett konstant tryck
, medan belastning minskade i efterhand. När belastnig helt försvann, fick muskeln sin
maximala volym
och dess längd var minimal
, se figur 2-4, då den är helt
sammandragen. Efter testets utförande framkommer ytterligare två regler, regel 3 och 4.
3. PAM längd minskar vid ett konstant tryck om belastning minskar.
4. Muskeln har en maximal sammandragning. Vid maximal sammandragning har den ingen
dragkraft.
Figur 2-4 Karakteristik med minskad belastning och konstant tryck.
4
Pneumatiska artificiella muskler
Karakteristiken av ett statiskt förhållande fås fram genom att faställa trycknivån, yttre
belastning och volym med avseende till längdskillnader på PAM. Anta att tryck tillförs en
PAM under ett tidsintervall. När ett tryck tillförs kommer muskelns volym
att öka och
bidra till
, under samma tid dt kommer muskelns längd dL att förändras. Förändringen
bidrar till en last blir förflyttad under samma längd, det kräver ett arbete
. Fås en
formel enligt nedan:
ekvation (1)[9]
Slutligen fås formeln efter förenkling:
ekvation (2)[9]
Figur 2-5 visar en längdförändring i förhållande till maximal värde
. En minskning på 10
procent anger en förkortning till 9/10 av den maximala längden. Alla kurvor är likadana och
trycket är en skalfaktor som kan dras från regel 1, ökad tryck medför ökad kraft och samtidigt
minskar muskelns längd. Oavsett den muskel typ som övervägs kommer kraften alltid från sitt
högsta värde vid full muskel längd, till noll vid full sammandragning.
Figur 2-5 Test resultat av Frank och Dirk.
5
Pneumatiska artificiella muskler
En muskel visar ett elastiskt beteende på grund av luftens kompressibilitet. Även om trycket
hålls på en fast nivå, kommer muskeln att agera som ett elastiskt band, då den alltid tillför sitt
jämviktsläge på grund av ändrad kraft med avseende till längden.
Resultatet i de båda testerna resulterar till en femte regel
5. För varje par av muskler och vid ett visst tryck hamnar de i ett jämviktsläge.
Vid användning av två muskler är den genererande kraft som varje muskel får, proportionell
mot det verkande trycket. Jämvikt läge fås genom att bestämma förhållandet mellan
musklernas tryckskillnad[9].
I figur 2-6 arbetar musklerna mot varandra, då muskel 2 får in en viss mängd luft släpps
samma mängd ut från muskel 1. Detta medför ett jämviktsläge mellan musklerna.
Figur 2-6 Jämviktsläge råder vid olika tryck.
6
Pneumatiska artificiella muskler
2.2 Proportionalventil
Proportionalventilen är en ventil som reglerar tryck proportionellt mot en elektrisk signal
(analog eller digital). Proportionalventilen används till att styra lufttillförseln till musklerna.
Den integrerade tryckgivaren och elektroniken övervakar kontinuerligt att är- och börvärde
stämmer överens och kompenserar för eventuella förändringar. Den inbyggda förstärkningen
gör att det blir en hög stabilitet i systemet.[10]
2.3 Trådlös kommunikation
Trådlös kommunikation är en teknik, 2.4GHz frekvens, där en sändare skickar information
via radio signal. Sedan upptas denna signal med hjälp av en mottagare. Det är mottagaren som
omvandlar informationen till pulser. Kontrollen som användes för att styra musklerna är
egentligen till för att styra radio styrda flygplan. Då kontrollen sänder data behövs en
mottagare som ska läsa av dessa.
2.4 Camper Trolley
Camper Trolley[4] användas som bas för armen, då den möjliggör att armen styrs till en
önskad plats. Camper Trolley är avsedd för att flytta på husvagnar med en total last på 1500
kg. Trolleyn fästs på vagnens framfäste och förflyttas sedan till önskad plats. Den drivs med
hjälp av en enkel fjärrkontroll med fyra stycken knappar; upp-, ned-, höger- och
vänsterknapp.
7
Pneumatiska artificiella muskler
8
Pneumatiska artificiella muskler
3 Metod
3.1 Pneumatiska muskler
I valet av teknik för hur armen ska styras föreslog företaget, Drones Networking, pneumatiska
muskler. Musklerna valdes på grund av deras egenskaper[3]:
 Låg vikt.
 Flexibilitet.
 God reaktion.
 Enkel installation.
 Förmånligt pris.
Då två motkopplade muskler används som varandras motsatser, den ena dras ut då den andra
dras in. I en frihetsgrad som kan röra sig upp och ned är det lämpligt att ha pneumatiska
muskler grupperande i par, en på vardera sida, se figur 3-1.
Figur 3-1 Par av muskler.
Luft är grunden till styrning av pneumatiska muskler. För att kunna utföra maximal dragkraft,
måste muskeln vara i ett helt utdraget läge. Det finns två fästpunkter på musklerna, den ena
delen fästes på en fix del, punkt 3, och den andra mot en rörlig del enligt punkt 1 eller punkt
2, se figur 3-1.
 För att utvinna största möjliga rörligheten på armen med minsta sammandragning på
muskeln är punkterna 1,2 och 4 det bästa alternativet, se figur 3-2. Det innebär att
kombinationen 1, 3 och 4, enligt figur 3-2, inte är relevant för projektet.
9
Pneumatiska artificiella muskler
Figur 3-2 Två olika fästpunkter för muskler.
10
Pneumatiska artificiella muskler
3.2 Utvecklingsmiljö
Mjukvaran till robotarmen är skriven i Propeller tools. Språket som använts är av namnet
Spin.[11]
3.3 Informationsöverföring
3.3.1
PWM till utvecklingskortet
Pulsbreddsmodulering[12], även kallad för PWM, är en metod för överföring av information.
Den information som överförs är kodad med hjälp av bredden på dessa pulser.
Pulsbreddsmodulering är alltså en modulerings teknik, se figur 3-3, för att med variabelt
breda pulser representera amplituden av en analog signal. En periodtid T, gäller från att en
puls blir hög tills den blir hög igen. Periodtiden är alltid densamma vare sig pulsbredden
varierar eller inte. Pulsbredden som kommer att användas i detta projekt varierar mellan 1 - 2
ms, se figur 8-1 till 8-3 under bilagor.
Figure 3-3 Pulsbredden är 1 ms.
Trådlösa kommunikationens sändare skickar data med hjälp av pulser vars längd symboliserar
vilken position varje spak har. De processorer som används för att läsa dessa pulser ligger i en
oändlig loop och använder timers för att beräkna pulsernas längd, vilket sedan läggs på det
gemensamma minnet.
3.3.2
PWM från utvecklingskortet
På robot armen finns det tre frihetsgrader. Varje frihetsgrad har två muskler. Trycket till
musklerna regleras med en proportionalventil per muskel. Ventilerna styrs av en analog
spänning som skapas med PWM och ett lågpassfilter, PWM signalen skickas från
utvcklingskortet. Utvecklingskortet skapar dessa pulser och hämtar information om lägena på
trådlösa kommunikationens joystick, som finns i det gemensamma minnet. De använder
sedan informationen för att bestämma om vilken frihetsgrad som ska regleras, som var och en
har kontroll över. Om armen ska röra på sig kommer två värden som anger pulslängder att
förändras, den ena kommer minska och den andra öka, beroende på vilket håll frihetsgraden
ska vrida sig. Dessa två värden används sedan för att skapa pulser med angivna längder, men
med konstant frekvens, vilket med lågpassfiltret kommer att styra ventilerna.
11
Pneumatiska artificiella muskler
3.4 Styrsystem
I figur 3-4 ses en enkel presentation av hur styrsystemet är uppbyggd. Genom fjärrkontrollen
styrs de tre frihetsgrader som finns på robotarmen, se enligt figur 3-4. I figuren ses även
vilken joystick, från fjärrkontrollen, som styr de olika frihetsgrader.
Fjärrkontrollen skickar signaler till utvecklingskortet(mottagaren), se figur 3-4.
Utvecklingskortet skickar i sin tur den beräknade signalen vidare till
movern(proportionalventiler). Med hjälp av signalen fås ett läge på armen. Då signalen i
movern redan är beräknad så vet den även vilken muskel som ska påverkas på robotarmen, i
figur 3-4 till höger.
Figur 3-4 Styrsystem för robotarmen.
12
Pneumatiska artificiella muskler
3.5 Funktionen mellan processorer
Varje processor(även kallad för cog) har ett eget minne(CM), se figur 3-5, där endast coggen
har förfogande till. I systemet finns även det gemensamma minnet, RAM(Random Access
Memory), där alla coggar har möjlighet att nyttja.
Varje frihetsgrad regleras av två coggar(R och M), en(R) för läsning av data som skickas från
den trådlösa kommunikationen och en(M) som hämtar upp datan för att påverka den specifika
frihetsgraden.
I RAM hamnar data för den muskel som användaren vill påverka. Det är till exempel R1 som
får in data från den trådlösa kontrollen, datan skickas vidare till det gemensamma RAMminnet där datan kan hämtas upp från den tillhörande coggen, i detta fall M1.
Proportionalventilen utgör sedan ett läge på armen med hjälp av denna information.
Figur 3-5 Hur Coggar kommunicerar med varandra med hjälp av RAM.
13
Pneumatiska artificiella muskler
3.6 Förutsättningar inför val av utvecklingskort
Då Drones Networking hade egna önskemål om att själva kunna arbeta med och förstå
utvecklingskortet samt mjukvaran, föreslog de det kort som kunde användas. Dock gick det
inte att uppfylla alla krav, detta utifrån de tester som utfördes. En lista med krav och önskemål
på det utvecklingskort som skulle användas skapades. De krav som ställdes är följande:
 Att kortet ska ha alla 32 portar fria.
Det första kortet, som Drones Networking föreslog, hade endast 8 portar fria och det räckte
inte.
 Att kortet inte ska vara för stort.
Allt ska fästas på trolleyn och platsen där är begränsad.
 Att kortet har flera processorer. Då flera funktioner löper parallellt är det enklare att skriva
koden med flera processorer. Då kan varje processor ha sin egen funktion.
 Att kortet har lysdioder. Dessa behövs för att testa mjukvaran, då inte alla ventiler har
kopplats ihop och inte heller armen monterats etc.
 Någon typ av reset knapp för att rensa minnet snabbt.
Enkel USB koppling.
14
Pneumatiska artificiella muskler
3.7 Utvecklingskort
3.7.1
Propeller Demo Board
Propeller Demo Board[13] av typen P8X32A-Q44 är det kort som föreslogs av företaget, se
figur 3-6.
Fördelar
 8 processorer oberoende av varandra.
 EEPROM för program lagring.
 8 st. LED.
 Reset knapp.
 USB-anslutning.
 Ingen lödning för åtkomst av portar.
Nackdelar
 8 st. lediga portar.
Sammanfattning: kortet med sina 8 processorer är väldigt kraftfullt, men mycket begränsat för
detta projekt.
Figur 3-6 Propeller Demo Board.
15
Pneumatiska artificiella muskler
3.7.2
Propeller Proto Board
Propeller Proto Board[14] av samma typ som ovan, alltså, P8X32A-Q44, se figur 3-7.
Fördel:
 8 processorer oberoende av varandra.
 32 lediga portar.
 EEPROM för lagring av program.
 Reset knapp.
 USB-anslutning.
Nackdel:
 Ömtålig USB-anslutning.
 Anslutningarna måste lödas.
Sammanfattning: Kortet är perfekt för projektet, då den har 32 portar lediga. Även denna har
8 processorer vilket gör det möjligt att skriva koden ännu enklare.
Figur 3-7 Propeller Proto Board
3.8 Kompressor
Pneumatik styrs med hjälp av lufttryck, därför används en kompressor. Kompressorn ska
fästas ihop med trolleyn och måste därför vara relativt liten. Robotarmen kommer att styras
med sex pneumatiska muskler och kompressorn ska kunna förse alla sex muskler med luft.
Musklerna ska förses med maximalt fem Bars tryck.
3.9 Strömförbrukning
I projektet används ett spänningsaggregat som matning, då det förelåg platsbrist och för hög
kostnad med batterier. Syftet med examensarbetet är att ta fram en demoprodukt som inte ska
vara helt optimerad. Tanken är att produkten i framtiden helt ska drivas med hjälp av batterier.
16
Pneumatiska artificiella muskler
4 Resultat
4.1 Pneumatiska luft muskler
För att veta vilken kraft musklerna klarade av gjordes tester. En våg(dynamometer) mätt i
newton, se figur 4-1, fästes på en monteringsvägg tillsammans med musklerna. Med hjälp av
dynamometern uppskattas en kapacitet för varje muskel vad gäller kraft. Under testet
användes inte proportionalventiler, se figur 4-1, istället användes en tryckregulator som
befinner sig i figuren till vänster. Muskelns längd förkortades när kraften hos dynamometer
reducedrades vid ett konstant tryck. Testet gav en inblick i hur en luftmuskel fungerar vid ett
visst tryck. Vid en undersökning av fem muskler där olika tryck användes, framkom att de har
likartad karakteristik. Genom att sammanfatta alla värden med hjälp av MatLab, skapades en
3D graf, se figur 4-2.
Figure 4-1 Test av luftmuskel vid ett visst tryck.
Figur 4-2 Karakteristiken för 5 stycken muskler vid samma storlek.
17
Pneumatiska artificiella muskler
Första testet genomfördes genom att dra ut muskeln till sin maximala längd, se figur 4-3, för
att sedan påföra luft tills muskeln drar ihop sig till sin minimala längd, se figur 4-4. Från regel
ett som Frank och Dirk kommit fram till, om PAMs volym ökar så bidrar det till en minskad
längd, stämmer överens med det utförda testet. Samtidigt kan regel fyra ur avsnit 2.1
bekräftas, muskeln har en maximal sammandragning. Vid maximal sammandragning har den
ingen dragkraft, se figur 4-4.
Figur 4-3 Muskel i ett utdraget läge.
Figur 4-4 Muskel i sitt indragna läge(max).
Andra testet, med varierande tryck(1-4bar) och konstant massa 6Kg, utfördes genom att fixera
ena änden av muskeln samt en hängande massa i den andra änden. I sin maximala längd har
muskeln inget tryck(noll bar). Vid en konstant massa och varierande tryck drar muskeln ihop
sig tills det att den når sin minimala längd, se figur 4-5.
Figur 4-5 Konstant last med varierande tryck.
18
Pneumatiska artificiella muskler
Tredje testet, med konstant tryck(4bar) och varierande massa, utfördes genom att fixera ena
änden av muskeln medan den andra belastades. Då massan minskade, drog muskeln ihop sig
till sin minimala längd, se figur 4-6.
Figur 4-6 Konstant tryck med varierande last.
19
Pneumatiska artificiella muskler
Vid test fyra användes två muskler, med varierande tryck, som motarbetar varandra, se figur
2-6. En muskel börjar med noll bar tryck(maximal längd, från höger i figur 4-7 med noll
procent i tryck) och den andra muskeln börjar med 4bar(minimal längd, från vänster i figur 47 med 100 procent tryck). Då trycket successivt minskades respektive ökades, skapades en
jämn rörelse mellan musklerna. Då trycket inte förändrades hamnade musklerna i
jämviktsläge. Eftersom musklerna har varierande tryck är de alltid inversen av varandra , dvs
då en muskel innehar maximal tryck har den andra muskeln noll i tryck.
Detta innebär då en muskel utvidgas med en centimeter, dras den andra muskeln ihop sig en
centimeter. För bättre förståelse finns figurerna 8-4 till 8-6 under bilagor, dessa bilder togs
under tester som utfördes till syfte av detta projekt. Varför två stycken muskler användes är
för att skapa en jämn och stabil rörelse. Eftersom trycket ökade respektive minskade
successivt, skapades en mjuk och jämn rörelse. Detta är bra för att skapa good precision vid
rörelse.
Figure 4-7 Karakteristiken av två muskler som motarbetar varandra vid olika tryck.
Med hjälp av Daerden och Lefebers undersökning kunde dessa tester bekräftas. Slutsatsen är
att pneumatiska muskler (PAMs) kännetecknas av 5 regler som beskriver hur musklerna
fungerar. De 5 reglerna består av:
 Om PAMs volym ökar bidrar det till minskad längd.
 Ökas det pneumatiska trycket dras PAMs ihop sig mot en konstant belastning.
 PAMs längd minskar vid ett konstant tryck om belastning minskar.
 Muskeln har en maximal sammandragning. Vid maximal sammandragning har den ingen
dragkraft.
 För varje par av muskler och vid ett visst tryck hamnar de i jämnviktsläge.
20
Pneumatiska artificiella muskler
4.2 Utveckling av mjukvara
Processorn som används, över vilka arbetsuppgifterna fördelas, är 8-kärnig. Tre av kärnorna
läser kontinuerligt av tre axlar(joystick) på fjärrkontrollen. Dessa tre värden läggs på det
delade minnet, där andra kärnor kan nå dem. Tre andra kärnor hämtar sedan dessa värden från
det delade minnet och använder dem för att styra frihetsgraderna på armen. Resterande två
kärnor används huvudsakligen inte.
4.3 Test av proportionalventil
Då testerna utfördes med proportionalventiler gav det en uppfattning om hur systemet
egentligen fungerar. Ventilen fick in en viss spänning från ett spänningsaggregat. Vid en
spänning fås ett tryck, se figur 4-8.
Figure 4-8 Karakteristiken för en proportionalventil
21
Pneumatiska artificiella muskler
4.4 Test av trådlös kommunikation
Mottagaren har 6 kanaler.
Testet visade att varje kanal hade en periodtid på 65 Hz och att den låg på 0.15V.
 Delta T på varje kanal.
 Stillastående (utan att röra kontrollen) 1.520 ms, se figur 8-1.
 Max höger (kontrollen flyttas till max position höger) 1.920 ms, se figur 8-2.
 Max vänster (kontrollen flyttas till max position vänster) 1.100 ms, se figur 8-3.
4.5 Test av förstärkare
Proportionalventilen har ett arbetsområde mellan 0-10V. Utvecklingskortet kunde endast
skicka ut en analog signal 3.16V och för att kunna försörja proportionalventilen så behövde
signalen förstärkas. För att uppfylla de kraven för proportionalventilen så användes en
förstärkare, se figur 4-9.
Figur 4-9 Dimensionering av förstärkare.
Den formel som användes för att beräkna den förstärkning som krävdes för ventilen, enligt
ekvation 3:
ekvation (3)
När den analoga signalen ligger på max 3.16V förstärks signalen till 9.852V. En förstärkning
på 3.04 gånger, teoretiskt ligger den på 3.2 gånger förstärkning.
22
Pneumatiska artificiella muskler
4.6 Dimensionering av LP-filter
För projektet valdes ett passivt LP-filter av första ordningen. LP-filtret användes för att
omvandla pulsbreddsmodulerad signal till en analog signal. Filtret dimensionerades efter en
pulsbreddsmodulerad signal som skickades från utvecklingskortet och hade en frekvens om
700Hz. Gränsfrekvensen (F) valdes till 72Hz. Formel för dimensionering enligt ekvation 4.
Kondensatorn (C) valdes till 10 nF, det som återstod var att beräkna R enligt ekvation 5 som
blev 220kΩ. Ur figur 4-10 fås 72.3Hz.
ekvation (4)
ekvation (5)
Figur 4-10 Dimensionering av ett LP-filter.
4.7 Test av förstärkare med LP-filter
Utförande: test med signal från utvecklingskort och LP-filter.
Resistansen ligger på 220K och Kondensatorn ligger på 10nF.
Den analoga signalen från LP-filtret ligger mellan 0.024-3.16V beroende på pulsbreddens
längd då vi styr fjärrkontrollen, se figurerna 8-1 till 8-3 under bilagor. Den minsta längden på
pulsbredden var 1ms som motsvarar 0.024V och den maximala motsvarar 3.16V.
Signalen från LP-filter skickades in på ben 3 på AD8032.
AD8032 var kopplad som testet innan.
Resultat: den analoga signalen som låg på 3.16 från LP-filtret Förstärktes till 9.73V.
Minimum ligger på 0.024V.
En förstärkning på 3.073 ggr.
23
Pneumatiska artificiella muskler
4.8 Test av analog till digital(A/D) konvertering
Utförande: portarna från Adc kopplades enligt figur 4.11.
Beräkning: enligt ekvation 6 och max 8 bitars(255byte) Adc.
Resultat: Adc referens spänning ligger på 5 volt vilket medför att varje byte är
0.0196 volt, enligt ekvation 6. I ekvationen nedan är
den spänning som Adc
matas med och byte är upp till 255.
ekvation (6)
Figur 4-11 Koppling av ADC.
24
Pneumatiska artificiella muskler
4.9 Robotarmens utformning
För att se hur musklerna fungerar i praktiken fästes de på respektive plats. Den mest krävande
delen för musklerna ligger mellan muskel 1 och 2, se figur 4-12. Frihetsgraden där muskel 1
och 2 är krävdes större muskler än resterande frihetsgrader, eftersom musklerna måste
prestera mer än övriga. Denna frihetsgrad påverkas mest då hela tyngden på armen vilar på
den. När önskad position valdes så motarbetades musklerna för att hålla respektive frihetsgrad
i ett jämviktsläge. I figuren nedan så är muskel 1, 2 och 4 av samma storlek, 21 cm i utsträckt
läge, medan muskel 3, 5 och 6 är mindre, 15 cm i utsträckt läge. Muskel 3 är mindre än
muskel 4 på grund av gravitationen utgjorde nästan hela arbetet tillbaka. I kamera ledet
används också mindre muskler då det inte krävs lika stor kraft som för muskel 1, 2 och 4.
Figur 4-12 Robotarmen med penumatiska muskler.
25
Pneumatiska artificiella muskler
26
Pneumatiska artificiella muskler
5 Diskussion
5.1 Pneumatiska muskler
De muskler som vi i början hade var 6 mm i diameter och 15 cm i utsträckt läge. Totalt kunde
de utföra en kraft om 7 kg. Detta var givetvist inte tillräckligt för alla frihetsgrader. I detta
skede utförde vi tester och valde rätt muskler till frihetsgraderna. Testen utfördes med hjälp
av en dynamometer, som kopplades fast vid respektive frihetsgrad. Genom att dra i
dynamometern tills frihetsgradens vinkel förändrades, utvisades den minsta kraft som
behövdes. De utvalda musklerna var klart mycket starkare än de som vi först hade, då
omkring 20 kg kraft kunde utföras. I utdraget läge är de 21 cm långa och det underlättar
utförandet av arbetet, då musklerna är starkare och mer robusta.
Under ut-expo blev flera muskler förstörda genom att de hade fått hål i gummislangen vilket
ledde till att luft läckte ut ur slangen. Därför var musklerna inte av den bästa kvaliteten och
kan inte jämföras med de som Daerden och Lefeber använde. Reparationsförsök gjordes men
dessvärre kunde inte hålen täckas till 100 procent. Angående de PAMs som valdes, instämmer
vi i att relativt hög precision i rörelse kan fås med lufttryck. Musklerna som användes i vårt
projekt var mycket ömtåliga och alla sex kunde inte leverera som de skulle. De gick lätt
sönder vid det maximala trycket. Den faktor som bidrog till att musklerna inte höll var att
kärnan, som bestod av en gummislang, var helt utsliten och såg ut att vara gammal. Om
musklerna hade varit av en bättre kvalitet hade de tester som gjordes för projektet fått ett
bättre testresultat.
5.2 Proportionalventil
Då en proportionalventil har bra precision rådde det inte några tvivel om att just dessa ventiler
skulle användas i detta examensarbete. För de utvalda ventilerna var priset en avgörande
faktor, de kostade ca 6500 kr per styck. Budgeten räckte inte till för denna kostnadsnivån.
Sponsorer fick därför sökas och examensarbetet blev sponsrat med sex stycken ventiler. I
gengäld ville företaget, Norgren, att en skylt skulle sättas upp med företagets logo under
utexpo dagarna. De främsta faktorerna som bidrog till att dessa proportionalventiler valdes
var att felmarginalen var mindre än 1 procent och samt att de hade en låg energiförbrukning.
5.3 Trådlös kommunikation
Fjärrkontrollen som valdes av företaget är optimerad för modellflygning. Den har tillgång till
sex kanaler och sänder signaler i form av radiovågor. Då projektet minst skulle ha tre
frihetsgrader, är valet av kontrollen gynnande. Armen kommer i framtiden att användas i
olika miljöer, där den oftast kommer att styras med hjälp av en monitor, därför är kontrollen
bra med sin 2.4 Ghz signal. Mottagaren som samspelar med kontrollen är väldigt liten och
lätt, den väger endast 9 gram. Att arbeta med mottagaren, koppla den samman med
fjärrkontrollen samt att komma åt pinnarna, var okomplicerat.
27
Pneumatiska artificiella muskler
5.4 DC/DC
Det framgick vid projektets start att systemet skulle matas med hjälp av batterier. I ett senare
skede upptäcktes att proportionalventilerna skulle matas med 24 volt. Detta medförde att
batteriet skulle vara minst 24 volt. Det behövdes därför DC/DC omvandlare för att resterande
komponeneter kunde spänningsmatas.
5.5 Operations förstärkare och LP-filter
Utvecklingskortet skickar ut pulsmodulerad signal från utgångsportarna. Det krävdes därför
lågpass filtrering för att få ut en analog signal. Den analoga signalen från lågpass filtret låg
mellan 0.024 till 3.16 volt. Proportionalventilerna krävde 0 till 10 volt. Den analoga signalen
förstärktes med tillräcklig spänning för att proportionalventilerna skulle kunna styras inom
deras arbetsområde.
28
Pneumatiska artificiella muskler
6 Referenser
[1] http://www.brandfacket.se/upload/Dokument%2008/FireFighter0702.pdf
[2] http://www.dronesnetworking.se/
[3] http://www.nyteknik.se/nyheter/fordon_motor/motor/article250765.ece
[4] http://www.mover-technology.com/en/products/camper-trolley-ct1500/
[5] http://www.mover-technology.com/en/material/video/
[6] http://www.youtube.com/watch?v=MUMSfNw1cRc
[7] http://www.shadowrobot.com/airmuscles/overview.shtml
[8] http://www.cyberneticzoo.com/?p=6674
[9] http://lucy.vub.ac.be/publications/Daerden_Lefeber_EJMEE.pdf
[10] http://www.norgren.com/ws/resources/VP50+datasheet+.pdf
[11] http://www.parallax.com/tabid/832/Default.aspx#Manuals
[12] http://www.robotsteel.com/cgi/i?pulsbreddsmodulering
[13]http://www.parallax.com/Store/Microcontrollers/PropellerDevelopmentBoards/tabid/514/CategoryID/73/Lis
t/0/SortField/0/catpageindex/2/Level/a/ProductID/340/Default.aspx
[14]http://www.parallax.com/Store/Microcontrollers/PropellerDevelopmentBoards/tabid/514/CategoryID/73/Lis
t/0/SortField/0/Level/a/ProductID/423/Default.aspx
29
Pneumatiska artificiella muskler
30
Pneumatiska artificiella muskler
7 kostnadskalkyl
Produktbeskrivning
Startbudget
Pris
Sponsring Proportionalventiler
Budget - kostnad
12 500 kr
Camper Trolley 1500
Mikroprocessor Parallax, Propeller 8 portar
Mikroprocessor Parallax, Propeller 32 portar
AD8032 förstärkare
ADC
DC/DC omvandlare
Muskler små
Muskler medium
Företagets kostnader
Kvarstående budget
Antal
4 000 kr
700 kr
405 kr
82.65 kr
54.24 kr
60 kr
123 kr
481.34 kr
6 450 kr
Slutsumma
1
1
1
4 000 kr
700 kr
405 kr
3
1
3
6
3
248 kr
54.24
180 kr
738 kr
1 444 kr
7 770 kr
4 730 kr
6
38 700 kr
41 740 kr
Figur 7-1 Ekonomisk översikt.
31
Pneumatiska artificiella muskler
32
Pneumatiska artificiella muskler
8 Bilagor
Figurerna 8.1 – 8.3 är tagna direkt under testning från oscilloskopet. De visar den pulsen som
skapas då man flyttar på joystick från fjärrkontrollen, från höger till vänster respektive
stillastående.
Figur 8-1 Kanalen vid stillastående läge.
Figur 8-2 Kanalen vid max position till höger.
Figur 8-3 Kanalen vid max position till vänster.
33
Pneumatiska artificiella muskler
Figure 8-4 Muskeln till vänstar innehar maximal tryck då muskeln till höger har noll i tryck.
Figure 8-5 Muskeln till höger innehar maximal tryck då muskeln till vänster har noll i tryck.
Figure 4 Båda muskler innehar lika stor mängd tryck, 2bar.
34
Pneumatiska artificiella muskler
Figur 8-5 kretsschema för LP-filter och förstärkare.
35
Pneumatiska artificiella muskler
Figur 8-6 Elschema.
36
Pneumatiska artificiella muskler
Figur 8-7 Översikt av reglersystem.
37
Pneumatiska artificiella muskler
38
Pneumatiska artificiella muskler
ALBERT HOXHA född 1985 i Kosovo
men uppvuxen i Varberg. Studerar för
tillfället Masterprogrammet inom inbyggda
och intelligenta system och beräknas bli
klar under hösten 2013.
ZEJNULLA IBRAIMI född 1985 i Kosovo
men uppvuxen i Hedemora Dalarna.
Studerar för tillfället Masterprogrammet
inom inbyggda och intelligenta system.
39