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Model-Based Force Control of a Fluidic-Muscle Driven Parallel Platform

Dhanu Singh, Mahendra

In the present work, a force and torque controlled Gough-Stewart type parallel platform driven by six actuator legs was developed and evaluated. Each actuator consists of a fluidic muscle which is combined with a prestressed coil spring in order to produce compressive as well as tensile forces. The platform shall be controlled such that arbitrary force functions can be simulated. Through geometric limit analyses, it was verified that the workspace of the mobile platform suffices to the required motion range. The model-based force control of each actuator uses an exponential approximation of the transient pressure responses. The six actuator control loops are embedded into the force and torque control of the parallel manipulator. The platform-control algorithm includes a kinetostatic platform model, which com-putes the corresponding required leg forces in order to achieve the target forces and torques at the end effector of the platform. It was shown that the target end-effector forces and torques, which do not pursue rapid changes, can be produced effectively with the developed parallel manipulator and the established platform control. The steady-state performance of the developed control algorithm sufficed to the requirements of a fine-tuned force and torque control. The manipulator was designed for its future application as a physical simulator of cervical spine motion for assessing effects of, e.g., implants, surgical treatments, etc.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Evaluierung einer kraftgeregelten Gough-Stewart Parallelplattform, die von sechs Aktoren angetrieben wird. Die Aktoren bestehen jeweils aus einem pneumatischen Muskel und einer vorgespannten Druckfeder. Die Plattform wird so geregelt, dass beliebige Kraft- und Momentenverläufe erstellt werden können. Durch die geometrische Analyse der Endlagen wurde verifiziert, dass der geforderte Arbeitsraum durch die Plattform erreicht werden kann. Jeder einzelne Aktor wird durch eine modellbasierte Kraftregelung kontrolliert, die unter anderem die Druckbeaufschlagung eines pneumatischen Muskels durch exponentielle Funktionen annähert. Die sechs Regelschleifen der Aktoren sind der Kraft- und Momentenregelung der Parallelplattform untergeordnet. Die Plattformregelung benutzt das kinetostatische Modell der Plattform und berechnet die jeweiligen Aktorkräfte, die zum Erreichen der aktuellen Sollkraft und Sollmomentes an der Plattform notwendig sind. Es wurde gezeigt, dass die geforderten Zielkräfte und Momente effektiv mit der kraftgeregelten Plattform produziert werden können und im stationären Bereich der Sprungantworten eine genaue Kraftregelung möglich ist. Die Parallelplattform wurde konzipiert für ihre zukünftige Anwendung als physikalischer Simulator der menschlichen Halswirbelsäule, unter anderem für die präoperative Analyse chirurgischer Eingriffe, Implantate etc.

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Dhanu Singh, Mahendra: Model-Based Force Control of a Fluidic-Muscle Driven Parallel Platform. 2011.

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