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外文翻译系别机电信息系专业班级姓名学号导师机械科学与技术21（2007）10181027两个轴气动人工肌肉机械手的一种新的相平面切换控制方法控制摘要康复机械手的使用已经由于功能康复治疗对肢体的需求成为一个日益重要的问题。一种新型的气动人工肌肉致动器（PAM）所提供的安全性和流动性援助以执行任务的人类达到日益普及，以及提供一个具有高强度和高功率/重量比，成本低，体积小，便于维修，清洁，随手可得，廉价的电力来源，等等已在使用在治疗机械手近几十年来考虑，特别是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空气可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟，导致振荡运动能力的缺乏。此外，为了帮助康复机械手更有效，应根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，机械手加入装有磁流变制动器（MRB）。一种新的相平面使用MRB切换控制方法提出了跟踪正弦波形。通过使用制作的两个轴PAM机械手实验证实了该算法的有效性。实验证明，该机械手的稳定性可以不考虑对参考输入和外部负载条件下的频率的变化使用高增益控制大大改善，并在不降低响应速度，或降低PAM的操纵器的刚度。关键词气动人工肌肉；相平面开关控制；机械手；磁流变制动器1。景区简介需要由交通事故和脑卒中引起的骨折或关节疾病康复的人数，和运动功能的问题，由于年事已高，全世界数以千计数百数。机械手的康复中的应用具有极大的关注。功能恢复的治疗通常是进行了医学治疗师在人的基础，但自动设备已经投入到物理治疗程序重复过程相对简单，实用，如连续被动运动机，步行训练装置，和用于单轴扭矩机（DOI，1993街等；AL。，1994；傅等人，1995）。本文论述了功能康复治疗，身体康复的一个重要方面。网格加密治疗机已创建（安清，2004；2005年；2005B）。然而，多关节机械手要实现更逼真的运动模式，从而更有效的治疗是必要的。这种机械手必须有一个人类使用高安全的。PAM机械手已被用来构建一个两自由度（DOF）治疗机械手。二自由度机械手功能恢复的治疗由气动肌肉驱动的开发是佐贝尔（ZOBEL等人。，1999）和RAPARELLI（RAPARELLI等人。，2001；2003）的柳巷芳草BIOROBOTIC系统的人工肌肉致动器（柳巷芳草等人。，1999；2000；2002；2003）气动肌肉方面的KOENEMAN（KOENEMAN治疗装置等人。，2004）与人友好的治疗机械手（THANH和安，2006年）。然而，仍存在一定的局限性，如空气的可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟能力的缺乏，导致振荡运动。此外，实施更有效的康复，机械手必须根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，一个新的技术，电流变液阻尼器（ER阻尼器），已被应用到PAM机械手。NORITSUGU和他的团队使用ER阻尼器来改善控制性能的PAM机械手与PI控制器和脉冲CODEMODULATED开关阀（NORITSUGU等人。，1994）。通过分离的阻尼器产生的阻尼转矩和阻尼区域高增益控制下的响应速度，结果表明电流变阻尼器用于实际可用的一种有效方法，人类友好的机械手使用的PAM机械手。此外，位置控制是无响应速度下降的改进。然而，一定的局限性阻碍了技术，由于电流变液（ERF）要求很高的控制电压（KV），这是有问题的，并在特定的，潜在的危险，只工作在一个较窄的温度范围（和一个不适合的PAM机械手），并表现出非线性特征。因为有很多不可接受的缺点电流，磁流变流体（MRF）一直被认为是表1中列出的优点是一个有吸引力的选择，和最近已被用于治疗人类友好的机械手（THANH和安，2006年）。虽然这些系统在解决光滑的致动器的运动响应的步骤输入成功，假设两个轴PAM机械手应用在未来治疗机械手，这是我们研究的最终目标，是要实现快速的响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应无以不同的频率。因此，要实现良好的控制性能，一个MRB装备的机械手关节。相平面使用MRB切换控制方法提出了跟踪正弦波形的情况下，和算法的有效性将通过涉及一二轴PAM机械手实验证明。实验结果表明，该机械手的稳定性可以大大改善高增益控制在不考虑频率的参考和外部条件的变化，并没有降低响应速度和两个轴PAM机械手刚度低。2。实验装置21实验装置这两个轴气动人工肌肉机械手示意图如图1所示。的表1。流变流体相比。图1。两个轴气动人工肌肉机械手示意图图2。气动人工肌肉机械手的工作原理。图3。实验设备的照片。图4。建设工作。拮抗人工肌肉和外部负载转动，如图2所示的结果之间的压力差。关节角度，1和2，与旋转编码器测量（METRONIX，S4883600ZO）和反馈到计算机通过一个24位的数字计数器板（研华PCL，833）。外部惯性负载可以从20变化KGFCM240KGFCM2，200的变化相对于最小惯性负载条件；参考输入不同频率的波形（正弦）被认为是。实验04范围MPA环境压力和控制软件下进行的是C语言编码。图3显示的是实验装置的照片。对22个特点的MRB的设计如图4所示。转子固定在轴上，可相对于壳体旋转。转子和壳体之间的间隙填充MRF。的MRB制动力矩可由在其线圈的电流控制。磁流变液的表观粘度在磁场中的应用几毫秒的时间变化，并在没有磁场的正常粘度的回报。下面的实验探讨MRB的特点；测量数据是在图5和表3。MRB与扭矩传感器和伺服电机连接系列。在实验中，转速从100变化转1000转和所施加的电流从0到1的。这些范围是因为系统的响应不达到1000转和最大电流用于MRB1。图5显示了阻尼力矩与输入电流的变化（A）和（B）转速的MR制动。从图5，它是显然，对阻尼扭矩是独立的旋转速度和几乎正比于输入电流。因此，方程（1）的输入电流和阻尼转矩的结核病表3。对测量数据。W转速RPMI目前的应用J这里，A和B是常数确定使用特点MRB响应曲线。3。控制系统31位置控制系统这种PAM机械手的控制，传统的PID控制算法作为本研究的基本控制器。控制器的输出能在时间域如下表示以LAPLACE变换（2）产量所得的传递函数的PID控制器在采样序列K可以表示为一个典型的实时执行如下其中U（K）和E（K）是控制输入到设定点和节点的输出之间的控制阀和误差，分别。此外，使用MRB是调和的阻尼和提高的PAM机械手的控制性能的有效途径响应速度（因为它在加速或减速太高的地区的作品）。在这里，S是拉普拉斯变量，它是由机械产生的扭矩，TC是恒转矩，KED确定扭矩角速度比例增益，和VC是由方程计算的源控制电压（1）产生TC。阻尼转矩的方向与旋转方向相反的手臂。因此，方程（6）低于表明，阻尼器产生的阻尼转矩结核病。所提出的相平面切换控制方法的结构如图6所示。32传统相平面切换控制方法图7显示了传统相平面切换控制方法。在区域中，手臂的方法所需的角度关节角度，一个B，CD，如图7（A），目前是不适用的，而在该地区（斜阴影区）BC，DE，目前应用于提高更快收敛到期望的角度的阻尼性能。虽然系统阶跃输入响应成功顺利，它的质量下降（与响应延长）由于正弦波形失控点参考输入（C，E等）。此外，假设2轴PAM机械手利用在未来的治疗机械手（我们研究的最终目标），它要实现快速响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应，一个是在发生的频率范围内的频率无关。33个命题的相平面开关控制算法的新概念阻尼转矩TB，这是在公式1所示，提高了机械手的阻尼性能。由于阻尼的机械手的转动方向相反的转矩的作用，其加速性能退化。在区域中的臂的方法所需的角度关节角度，OA，BC，DE，FG，在图8（A），目前是不适用由于高响应速度是必需的。在臂通过所需的角区域，即对角阴影区的B，CD，EF，G在图8H（一），电流被施加到改善阻尼性能，从而使臂更快地收敛到期望的角度。要确定是否应施加磁场，相平面。图6。的相平面开关控制的新概念框图。图7。常规的相平面切换控制方法。图8（B）用。在相平面上的横轴线对应的关节角偏差ER所需角度和关节角度之间，与垂直轴对应于时间的偏导数，EDEDT。每个点的相平面上的一个H对应于图8中同样的字母点（一）。在这里，与目前应用的区域是由1112H控制（S），H（S），的梯度图8。相平面切换控制方法的新概念。图8线（B）。阻尼转矩的应用在区域控制为1H和2H。控制在MRB应用地区的优势是需要在不降低响应速度。提出的控制器的有效性将实验研究。4。实验结果在这项研究中，一二轴PAM机械手利用相平面开关控制器，新概念的控制器，和实验用正弦波作为参考输入在两个不同的频率进行（F03HZ和05HZ）。两个外部惯性载荷条件（载荷120KGFCM2；负载240KGF平方厘米）进行了测试（负载连接到臂2年底）。此外，常规的PID控制器，该控制器的比较。首先，进行了实验验证，在不同的输入参考频率所提出的控制器的有效性（节点1）。图9显示的比较传统的PID控制器，该控制器联合1实验结果的有效性和所提出的控制详细显示在图10相对于图9。常规PID控制器和控制器之间的比较（1）。F03HZ和F05HZ。在实验中，所提出的控制器的初始值设置为6，P19010K，6我1010K，6D15010K，ED0015K1，2C08，1，2，THH。通过试验和错误，得到了这些参数。这些实验结果表明，有一个大的跟踪误差和时间相对于参考输入的频率的增加延迟；当采用PID控制器响应下降频率为05HZ，而沉降时间减少，跟踪性能是保证使用所提出的控制器。阻尼力矩不适用于快速响应时，机械手开始移动，和阻尼转矩的MRB应用到PAM摩尼的旋转轴图10。所提出的控制器的实验结果（1）机械手减少超调振荡时，操纵器达到所需的角度。其次，实验研究了相对于不同的参考输入的频率控制性能（节点2）。此外，外部的惯性负载（负载120KGFCM2；负载240KGF平方厘米）连接到臂的端图11。常规PID控制器和控制器之间的比较（接头2，负载1）。2，和控制参数的设置是1相同的接头。图11和图12显示的PID控制器和所提出的比较对于测试的参考输入频率和外部的初始荷载条件控制器。这些数字表明，有一个大的误差和时间的延迟和更振荡发生相对于参考输入频率的增加，以及增加外部初始荷载。在实验中，PAM的机械臂关节角同意与参考使用新的相平面开关控制器。建议的新的相平面开关控制算法的有效性也在图详细地显示。13和14。实验结果表明，一个良好的控制性能和较强的鲁棒性应力是图12。常规PID控制器和控制器之间的比较（接头2，负载2）。获得，不依赖于外部的初始负荷使用所提出的控制方法。这些实验结果表明，阻尼转矩施加和释放非常频繁地根据所需的角度的方法。结果表明，所提出的算法是在各种外部荷载作用下有效的和不依赖于参考输入频率。此外，据了解，PAM的机械臂转角的顺利收敛到所需角度小的振荡。它的结论是，新提出的相平面开关控制算法有效地跟踪与高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速响应，和不同的外部惯性载荷和参考输入频率下具有较强的鲁棒稳定性。5。结论在这项研究中，相平面开关控制用磁流变制动器的提出和应用一二轴气动新概念人工肌肉机械手的各种外部荷载作用下提高控制性能和独立的参考输入频率。实验结果表明，该控制算法在正弦轨迹跟踪控制的高效和高增益控制，控制性能好，响应速度快，强大的，对外部负载和输入参考频率变化的鲁棒稳定性。研究结果还表明，所提出的相平面运用MRB切换控制是发展一个实际可用的最有效的方法之一，通过使用PAM的人类友好的机械手机械手。确认这项工作是由蔚山大学的支持下，韩国。工具书类安，K和清，T华盛顿特区，2004，“使用智能切换控制方法的气动人工肌肉机械手的控制性能的改善，”KSME，INT，怨妇。，卷8，8号，1388页1400。安，K和清，T华盛顿，2005年，“非线性PID控制改善PAM的机械手的神经网络控制性能，在KSME，INT，怨妇。，卷19，1号，106页115。安，K，清，T华盛顿和韩国，Y，K，2005B，”帕姆手采用磁流变制动器性能的改善，”KSME，INT，怨妇。，卷19，3号，777页790。DOI，Y，1993，“恢复功能锻炼装置，“JS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DAMPERPRODUCESADAMPINGTORQUETORECONCILEBOTHDAMPINGANDRESPONSESPEEDUNDERHIGHGAINCONTROL,THERESULTSSHOWTHATTHEERDAMPERISANEFFECTIVEMETHODFORUSEINAPRACTICALLYAVAILABLE,HUMANFRIENDLYROBOTUSINGTHEPAMMANIPULATORMOREOVER,POSITIONCONTROLISIMPROVEDWITHOUTADECREASEINRESPONSESPEEDHOWEVER,SOMELIMITATIONSHAMPERTHETECHNOLOGY,SINCEERFLUIDERFREQUIRESEXTREMELYHIGHCONTROLVOLTAGEKV,WHICHISPROBLEMATIC,ANDINPARTICULAR,POTENTIALLYDANGEROUS,ONLYOPERATESINANARROWTEMPERATURERANGEANDONEUNSUITABLEFORPAMMANIPULATORS,ANDEXHIBITSNONLINEARCHARACTERISTICSBECAUSEERFHASMANYUNACCEPTABLEDISADVANTAGES,MAGNETORHEOLOGICALFLUIDMRFHASBEENCONSIDEREDANATTRACTIVEALTERNATIVEFORTHEADVANTAGESLISTEDINTABLE1,ANDHASBEENRECENTLYUSEDINHUMANFRIENDLYTHERAPYROBOTSTHANHANDAHN,2006BTHOUGHTHESESYSTEMSWERESUCCESSFULINADDRESSINGSMOOTHACTUATORMOTIONRESPONSETOSTEPINPUTS,ASSUMINGTHATTWOAXESPAMMANIPULATORISUTILIZEDINTHERAPYROBOTINTHEFUTURE,WHICHISTHEFINALGOALOFOURRESEARCH,ITISNECESSARYTOREALIZEFASTRESPONSE,EVENIFTHEEXTERNALINERTIALOADCHANGESSEVERELYWITHSINUSOIDALRESPONSEWITHOUTREGARDTOTHEVARIOUSFREQUENCIESTHEREFORE,TOREALIZESATISFACTORYCONTROLPERFORMANCE,AMRBISEQUIPPEDTOTHEJOINTOFTHEMANIPULATORAPHASEPLANESWITCHINGCONTROLMETHODUSINGAMRBISPROPOSEDFORTHECASEOFTRACKINGSINUSOIDALWAVEFORMS,ANDTHEEFFECTIVENESSOFTHEPROPOSEDALGORITHMWILLBEDEMONSTRATEDTHROUGHTHEEXPERIMENTSINVOLVINGATWOAXISPAMMANIPULATORTHEEXPERIMENTSSHOWTHATTHESTABILITYOFTHEMANIPULATORCOULDBEGREATLYIMPROVEDUNDERAHIGHGAINCONTROLWITHOUTREGARDTOVARIATIONSOFTHEFREQUENCIESREFERENCEANDEXTERNALLOADCONDITIONS,ANDWITHOUTDECREASINGTHERESPONSESPEEDANDLOWSTIFFNESSOFTHETWOAXISPAMMANIPULATOR2EXPERIMENTALSETUP21EXPERIMENTALAPPARATUSTHESCHEMATICDIAGRAMOFTHETWOAXISPNEUMATICARTIFICIALMUSCLEMANIPULATORISSHOWNINFIG1THETABLE1COMPARISONOFRHEOLOGICALFLUIDSMAGNETORHEOLOGICALFLUIDELECTRORHEOLOGICALFLUIDMAXYIELDSTRESS50100KPA25KPAVISCOSITY0110PAS0110PASOPERABLETEMPRANGE40TO150OC10TO90OCIONIC,DC25TO125OCNONIONIC,ACSTABILITYUNAFFECTEDBYMOSTIMPURITIESCANNOTTOLERATEIMPURITIESRESPONSETIMEMILLISECONDSMILLISECONDSDENSITY34G/CM312G/CM3MAXENERGYDENSITY01JOULE/CM30001JOULE/CM3POWERSUPPLY225V12A250WATTS225KV110MA250WATTSFIG1SCHEMATICDIAGRAMOFTWOAXESPNEUMATICARTIFICIALMUSCLEMANIPULATOR1020TUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY21200710181027FIG2WORKINGPRINCIPLEOFTHEPNEUMATICARTIFICIALMUSCLEMANIPULATORFIG3PHOTOGRAPHOFTHEEXPERIMENTALAPPARATUSFIG4CONSTRUCTIONOFMRBTHEPRESSUREDIFFERENCEBETWEENTHEANTAGONISTICARTIFICIALMUSCLESANDTHEEXTERNALLOADISROTATEDASAABFIG5CHARACTERISTICSOFMRBTABLE2EXPERIMENTALHARDWARENONAMEMODELNAMECOMPANY1PROPORTIONALVALVEMPYE51/8HF710BFESTO2MAGNETORHEOLOGICALROTARYBRAKEMRB21073ROTARYBRAKELORD3PNEUMATICARTIFICIALMUSCLEMAS10N220AAMCFKFESTO4D/ABOARDPCI1720ADVANTECH5WONDERBOXDEVICECONTROLLERKITRD300203LORD6ROTARYENCODERH4083600ZOMETRONIX724BITDIGITALCOUNTERBOARDPCL833ADVANTECHRESULTINFIG2THEJOINTANGLES,1AND2,WEREMEASUREDWITHAROTARYENCODERMETRONIX,S4883600ZOANDFEDBACKTOTHECOMPUTERTHROUGHA24BITDIGITALCOUNTERBOARDADVANTECH,PCL833THEEXTERNALINERTIALOADCOULDBEVARIEDFROM20KGFCM2TO40KGFCM2,A200CHANGEWITHRESPECTTOTHEMINIMUMINERTIALOADCONDITIONVARIOUSFREQUENCIESOFREFERENCEINPUTSINUSOIDALWAVEFORMARECONSIDEREDTHEEXPERIMENTSARETUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY212007101810271021CONDUCTEDUNDERANAMBIENTPRESSUREOF04MPAANDALLCONTROLSOFTWAREISCODEDINCPROGRAMLANGUAGEAPHOTOGRAPHOFTHEEXPERIMENTALAPPARATUSISSHOWNINFIG322CHARACTERISTICSOFMRBTHEDESIGNOFTHEMRBISSHOWNINFIG4THEROTORISFIXEDTOTHESHAFT,WHICHCANROTATERELATIVETOTHEHOUSINGTHEGAPBETWEENTHEROTORANDHOUSINGISFILLEDWITHMRFTHEBRAKINGTORQUEOFTHEMRBCANBECONTROLLEDBYTHEELECTRICCURRENTINITSCOILTHEAPPARENTVISCOSITYOFTHEMRFISCHANGEDWITHINAFEWMILLISECONDSOFTHEAPPLICATIONOFAMAGNETICFIELD,ANDRETURNSTOITSNORMALVISCOSITYINTHEABSENCEOFAMAGNETICFIELDTHEFOLLOWINGEXPERIMENTSAREPERFORMEDTOINVESTIGATETHECHARACTERISTICSOFMRBMEASUREMENTDATAISREPORTEDINFIG5ANDTABLE3THEMRBISCONNECTEDWITHATORQUETRANSDUCERANDASERVOMOTORINSERIESINTHEEXPERIMENTS,THEROTATIONALSPEEDISVARIEDFROM100RPMTO1000RPMANDTHEAPPLIEDCURRENTFROM0ATO1ATHESERANGESAREUSEDBECAUSETHERESPONSEOFTHESYSTEMDOESNOTREACH1000RPMANDTHEMAXIMUMCURRENTAPPLIEDFORMRBIS1AFIGURE5SHOWSTHEDAMPINGTORQUEWITHRESPECTTOTHECHANGEOFTHEINPUTCURRENTAANDROTATIONALSPEEDBOFMRBRAKEFROMFIG5,ITISCLEARTHATTHEDAMPINGTORQUEOFMRBISINDEPENDENTOFROTATIONALSPEEDANDALMOSTPROPORTIONALTOINPUTCURRENTTHUS,EQ1FORINPUTSCURRENTIANDDAMPINGTORQUETBTABLE3MEASUREMENTDATAOFMRBW/I001020304050607080911000280811331872442933514034551155720003108213319224296357399454512567300030811361892482993544034555135584000310821351942462983554054595055625000310831371872429935540846150655860003083136187248335340545450655570002808613719246301354403455504555800029086137192443053544084595045589000290891411922533053574114585015611000029089144193253304357414461503559WROTATIONALSPEEDRPMICURRENTAPPLIEDABTFIABI1HERE,AANDBARECONSTANTSDETERMINEDUSINGCHARACTERISTICMRBRESPONSECURVE3CONTROLSYSTEM31POSITIONCONTROLSYSTEMTOCONTROLTHISPAMMANIPULATOR,ACONVENTIONALPIDCONTROLALGORITHMISUSEDASTHEBASICCONTROLLERINTHISRESEARCHTHECONTROLLEROUTPUTCANBEEXPRESSEDINTHETIMEDOMAINASFOLLOWS0TPPPDIKDETUTKETETDTKTTDG1792TAKINGTHELAPLACETRANSFORMOF2YIELDSPPPDIKUSKESESKTSESTS3THERESULTINGTRANSFERFUNCTIONOFTHEPIDCONTROLLERIS11PDIUSKTSESTSG167G183G168G184G169G1854ATYPICALREALTIMEIMPLEMENTATIONATSAMPLINGSEQUENCEKCANBEEXPRESSEDASFOLLOWS11PPIPDKTUKKEKUKEKTEKEKKTT5WHEREUKANDEKARETHECONTROLINPUTTOTHECONTROLVALVEANDTHEERRORBETWEENTHEDESIREDSETPOINTANDTHEOUTPUTOFJOINT,RESPECTIVELYINADDITION,USINGANMRBISANEFFECTIVEWAYTOIMPROVETHECONTROLPERFORMANCEOFTHEPAMMANIPULATORBYRECONCILINGBOTHTHEDAMPINGANDRESPONSESPEEDBECAUSEITWORKSINONLYTHEREGIONSWHERETHEACCELERATIONORDECELERATIONISTOOHIGHHERE,SISLAPLACEVARIABLE,TAISTHETORQUEPRODUCEDBYTHEMANIPULATOR,TCISCONSTANTTORQUE,KEDDETERMINESTHEGAINFORTHETORQUEPROPORTIONALTOTHEANGULARSPEEDG5,ANDVCISACONTROLVOLTAGEOFSOURCECALCULATEDFROMEQ1TOPRODUCETCTHE1022TUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY21200710181027DIRECTIONOFTHEDAMPINGTORQUEISOPPOSITETOTHEDIRECTIONOFROTATIONOFTHEARMTHEREFORE,EQ6BELOWINDICATESTHATTHEDAMPERPRODUCESADAMPINGTORQUETBBEDCTKTSIGNG5G56THESTRUCTUREOFTHEPROPOSEDPHASEPLANESWITCHINGCONTROLMETHODISSHOWNINFIG632CONVENTIONALPHASEPLANESWITCHINGCONTROLMETHODFIGURE7SHOWSTHECONVENTIONALPHASEPLANESWITCHINGCONTROLMETHODINTHEREGIONINWHICHTHEJOINTANGLEOFTHEARMAPPROACHESTOTHEDESIREDANGLE,AB,CD,INFIG7A,THECURRENTISNOTAPPLIED,WHEREASINTHEREGIONTHEDIAGONALLYSHADEDAREASBC,DE,THECURRENTISAPPLIEDTOIMPROVETHEDAMPINGPERFORMANCEFORFASTERCONVERGENCETOTHEDESIREDANGLETHOUGHTHESYSTEMSUCCESSFULLYRESPONDSSMOOTHLYTOSTEPINPUTS,ITSQUALITYDEGRADESANDRESPONSELENGTHENSDUETOSINUSOIDALWAVEFORMREFERENCEINPUTOFUNCONTROLLABLEPOINTSC,EANDSOONINADDITION,ASSUMINGTHATTWOAXISPAMMANIPULATORSAREUTILIZEDINFUTURETHERAPYROBOTSTHEFINALGOALOFOURRESEARCH,ITISNECESSARYTOREALIZEAFASTRESPONSE,EVENIFTHEEXTERNALINERTIALOADCHANGESSEVERELYWITHSINUSOIDALRESPONSE,ANDONETHATISINDEPENDENTOFFREQUENCYOVERTHEOCCURRINGFREQUENCYRANGE33PROPOSITIONOFNEWCONCEPTOFPHASEPLANESWITCHINGCONTROLALGORITHMTHEDAMPINGTORQUEBT,WHICHISSHOWNINEQ1,IMPROVESTHEDAMPINGPERFORMANCEOFTHEMANIPULATORSINCETHEDAMPINGTORQUEACTSINTHEDIRECTIONOPPOSITETHEROTATIONALMOTIONOFTHEMANIPULATOR,ITSACCELERATIONPERFORMANCEISDEGRADEDINTHEREGIONWHERETHEJOINTANGLEOFTHEARMAPPROACHESTOTHEDESIREDANGLE,OABCDEFG,INFIG8A,THECURRENTISNOTAPPLIEDSINCEAHIGHRESPONSESPEEDISREQUIREDINTHEREGIONWHERETHEARMPASSESTHROUGHTHEDESIREDANGLE,IETHEDIAGONALLYSHADEDAREASOF,ABCDEFGHINFIG8A,ACURRENTISAPPLIEDTOIMPROVETHEDAMPINGPERFORMANCE,SOTHATTHEARMCONVERGESTOTHEDESIREDANGLEMOREQUICKLYTODETERMINEWHETHERTHEMAGNETICFIELDSHOULDBEAPPLIED,THEPHASEPLANEFIG6BLOCKDIAGRAMOFNEWCONCEPTOFPHASEPLANESWITCHINGCONTROLABFIG7ACONVENTIONALPHASEPLANESWITCHINGCONTROLMETHODSHOWNINFIG8BISUSEDTHEHORIZONTALAXISINTHEPHASEPLANECORRESPONDSTOJOINTANGLEDEVIATIONEBETWEENTHEDESIREDANGLERANDTHEJOINTANGLE,ANDTHEVERTICALAXISCORRESPONDSTOTHETIMEDERIVATIVEOFTHEDEVIATION,DEEDTG5G5EACHPOINTAHONTHEPHASEPLANECORRESPONDSTOTHELIKEWISELETTEREDPOINTINFIG8AHERE,THEREGIONWITHTHEAPPLICATIONOFCURRENTARECONTROLLEDBY1112,HSHS,THEGRADIENTOFTHETUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY212007101810271023ABFIG8ANEWCONCEPTOFPHASEPLANESWITCHINGCONTROLMETHODLINESHOWNINFIG8BTHEREGIONUNDERTHEAPPLICATIONOFTHEDAMPINGTORQUEISCONTROLLEDAS1HAND2HTHEADVANTAGEOFCONTROLLINGTHEREGIONINWHICHMRBISAPPLIEDISNEEDEDTOWITHOUTDECREASINGRESPONSESPEEDTHEEFFECTIVENESSOFPROPOSEDCONTROLLERWILLBEEXPERIMENTALLYINVESTIGATED4EXPERIMENTALRESULTSINTHISSTUDY,ACONTROLLERFORATWOAXISPAMMANIPULATORUSINGTHENEWCONCEPTOFAPHASEPLANESWITCHINGCONTROLLERISFABRICATED,ANDEXPERIMENTSARECARRIEDOUTUSINGASINUSOIDALWAVEFORMASAREFERENCEINPUTATTWODIFFERENTFREQUENCIESF03HZAND05HZTWOEXTERNALINERTIALLOADCONDITIONSLOAD120KGFCM2LOAD240KGFCM2AREALSOTESTEDTHELOADSAREATTACHEDTOTHEENDOFARM2INADDITION,THECONVENTIONALPIDCONTROLLERANDTHEPROPOSEDCONTROLLERARECOMPAREDFIRSTLY,THEEXPERIMENTSARECARRIEDOUTTOVERIFYTHEEFFECTIVENESSOFTHEPROPOSEDCONTROLLERATVARIOUSREFERENCEINPUTFREQUENCIESOFJOINT1FIGURE9SHOWSTHECOMPARISONBETWEENTHECONVENTIONALPIDCONTROLLERANDTHEPROPOSEDCONTROLLEROFEXPERIMENTALRESULTOFJOINT1ANDTHEEFFECTIVENESSOFPROPOSEDCONTROLLEDISSHOWNINDETAILINFIG10WITHRESPECTTOAF03HZBF05HZFIG9COMPARISONBETWEENCONVENTIONALPIDCONTROLLERANDPROPOSEDCONTROLLERJOINT1F03HZANDF05HZINTHEEXPERIMENT,THEINITIALVALUESOFTHEPROPOSEDCONTROLLERARESETTO619010PK,61010IK,615010DK,0015EDK,1208,1,2CTHHTHESEPARAMETERSWEREOBTAINEDBYTRIALANDERRORTHESEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEREISALARGETRACKINGERRORANDTIMEDELAYWITHRESPECTTOTHEINCREASEOFTHEFREQUENCYOFTHEREFERENCEINPUTWHENUSINGPIDCONTROLLERTHERESPONSEBECOMESWORSEWITHFREQUENCYUPTO05HZ,WHEREASTHESETTLINGTIMEDECREASESANDTHETRACKINGPERFORMANCEISGUARANTEEDBYUSINGTHEPROPOSEDCONTROLLERTHEDAMPINGTORQUEISNOTAPPLIEDFORFASTRESPONSEWHENTHEMANIPULATORSTARTSTOMOVE,ANDTHEDAMPINGTORQUEISAPPLIEDBYTHEMRBTOTHEROTATIONALAXISOFTHEPAMMANI1024TUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY21200710181027AF03HZBF05HZFIG10EXPERIMENTALRESULTSOFTHEPROPOSEDCONTROLLERJOINT1PULATORTOREDUCETHEOVERSHOOTANDOSCILLATIONWHENTHEMANIPULATORREACHESTHEDESIREDANGLENEXT,EXPERIMENTSWERECARRIEDOUTTOINVESTIGATETHECONTROLPERFORMANCEWITHRESPECTTOTHEVARIOUSREFERENCEINPUTFREQUENCIESOFJOINT2INADDITION,THEEXTERNALINERTIALLOADSLOAD120KGFCM2LOAD240KGFCM2AREATTACHEDTOTHEENDOFARMAF03HZBF05HZFIG11COMPARISONBETWEENCONVENTIONALPIDCONTROLLERANDPROPOSEDCONTROLLERJOINT2,LOAD12,ANDTHECONTROLPARAMETERSARESETTOBETHESAMEASJOINT1FIGURES11AND12SHOWTHECOMPARISONBETWEENTHEPIDCONTROLLERANDTHEPROPOSEDCONTROLLERFORTESTEDREFERENCEINPUTFREQUENCIESANDEXTERNALINITIALLOADCONDITIONSTHESEFIGURESSHOWTHATTHEREISALARGEERRORANDTIMEDELAYANDTHATMOREOSCILLATIONOCCURSWITHRESPECTTOINCREASINGREFERENCEINPUTFREQUENCY,ASWELLASTOINCREASINGEXTERNALINITIALLOADSINTHEEXPERIMENTS,THEPAMMANIPULATORJOINTANGLEAGREESWELLWITHTHEREFERENCEWHENUSINGTHENEWPHASEPLANESWITCHINGCONTROLLERTHEEFFECTIVENESSOFTHENEWLYPROPOSEDPHASEPLANESWITCHINGCONTROLALGORITHMISALSOSHOWNINDETAILINFIGS13AND14THEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATAGOODCONTROLPERFORMANCEANDSTRONGROBUSTNESSARETUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY212007101810271025AF03HZBF05HZFIG12COMPARISONBETWEENCONVENTIONALPIDCONTROLLERANDPROPOSEDCONTROLLERJOINT2,LOAD2OBTAINEDANDDONOTDEPENDONEXTERNALINITIALLOADWHENUSINGTHEPROPOSEDCONTROLMETHODTHESEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEDAMPINGTORQUEISAPPLIEDANDRELEASEDVERYFREQUENTLYACCORDINGTOTHEAPPROACHTOTHEDESIREDANGLEITISDEMONSTRATEDTHATTHEPROPOSEDALGORITHMISEFFECTIVEINTHECASEOFVARIOUSEXTERNALLOADSANDDOESNOTDEPENDONREFERENCEINPUTFREQUENCYINADDITION,ITISUNDERSTOODTHATTHEROTATIONALANGLEOFTHEPAMMANIPULATORSMOOTHLYCONVERGESTOTHEDESIREDANGLEWITHLITTLEOSCILLATIONITISCONCLUDEDTHATTHENEWLYPROPOSEDPHASEPLANESWITCHINGCONTROLALGORITHMEFFECTIVELYTRACKSCONTROLOFASINUSOIDALWAVEFORMWITHHIGHGAINCONTROL,ANDHASGOODCONTROLPERFORMANCE,AFASTAF03HZBF05HZFIG13EXPERIMENTALRESULTSOFTHEPROPOSEDCONTROLLERJOINT2,LOAD1RESPONSE,ANDSTRONGROBUSTSTABILITYUNDERVARYINGEXTERNALINERTIALLOADSANDREFERENCEINPUTFREQUENCY5CONCLUSIONSINTHISSTUDY,ANEWCONCEPTOFPHASEPLANESWITCHINGCONTROLUSINGAMAGNETORHEOLOGICALBRAKEISPROPOSEDANDAPPLIEDTOATWOAXISPNEUMATICARTIFICIALMUSCLEMANIPULATORTOIMPROVETHECONTROLPERFORMANCEUNDERVARIOUSEXTERNALLOADSANDINDEPENDENTLYOFREFERENCEINPUTFREQUENCY1026TUDIEPCONGTHANHANDKYOUNGKWANAHN/JOURNALOFMECHANICALSCIENCEANDTECHNOLOGY21200710181027AF03HZBF05HZFIG14EXPERIMENTALRESULTSOFTHEPROPOSEDCONTROLLERJOINT2,LOAD2THEEXPERIMENTSSHOWEDTHATTHEPROPOSEDCONTROLALGORITHMWASHIGHLYEFFECTIVEINTHETRACKINGCONTROLOFASINUSOIDALTRAJECTORYANDHADHIGHGAINCONTROL,GOODCONTROLPERFORMANCE,FASTRESPONSEANDSTRONG,ROBUSTSTABILITYWITHRESPECTTOVARIATIONOFBOTHEXTERNALLOADSANDREFERENCEINPUTFREQUENCYTHERESULTSALSOSUGGESTTHATTHEPROPOSEDPHASEPLANESWITCHINGCONTROLUSINGMRBISONEOFTHEMOSTEFFECTIVEMETHODSFORDEVELOPINGAPRACTICALLYAVAILABLE,HUMANFRIENDLYROBOTBYUSINGAPAMMANIPULATORACKNOWLEDGEMENTTHISWORKWASSUPPORTEDBYUNIVERSITYOFULSAN,KOREAREFERENCESAHN,KKANDTHANH,TDC,2004,“IMPROVEMENTOFTHECONTROLPERFORMANCEOFPNEUMATICARTIFICIALMUSCLEMANIPULATORSUSINGANINTELLIGENTSWITCHINGCONTROLMETHOD,”IN