Trần Vĩnh Phúc , Nguyễn Thị Hoàng Trâm , Ngô Hiếu Nghĩa , Nguyễn Minh Khải , Nguyễn Chí Ngôn Nguyễn Chánh Nghiệm *

* Tác giả liên hệ (ncnghiem@ctu.edu.vn)

Abstract

This paper presents the potential of using a classical PID controller for the position control of a pneumatic artificial muscle (PAM). An experimental model was developed to demonstrate the feasibility of the proposed controller. The control algorithm was implemented on the MATLAB/Simulink software through the TI C2000 real-time embedded control circuit to control the inlet/outlet air pressure of the pneumatic artificial muscle, thereby controlling the muscle position. Experiments with a position reference command of about 65% of the maximal PAM contraction under a 25-kg payload showed acceptable transient response with a steady-state error of about ±0.35 mm (i.e.,  ±1.5% reference input), insignificant overshoot, and a settling time of 1 s. Therefore, the classical PID controller can be implemented for position control of a PAM if no strict requirements are expected for the transient response. These preliminary results also show the potential of future studies in improving the controller’s performance, particularly the settling time.

Keywords: Pneumatic artificial muscle, PID controller

Tóm tắt

Bài báo này trình bày khả năng sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID để điều khiển vị trí cơ nhân tạo khí nén (PAM). Mô hình thực nghiệm được thiết lập nhằm chứng minh tính khả thi của bộ điều khiển đề xuất. Thuật toán điều khiển được thực hiện trên phần mềm MATLAB/Simulink thông qua mạch điều khiển nhúng thời gian thực TI C2000 để điều khiển áp suất không khí vào/ra cơ nhân tạo khí nén với bộ điều khiển PI, từ đó điều khiển vị trí PAM với bộ điều khiển PID. Thực nghiệm điều khiển vị trí của bộ điều khiển PID với giá trị đặt là 65%, khoảng dịch chuyển tối đa của PAM khi sử dụng vật nặng có khối lượng 25 kg cho kết quả khá tốt với sai số ±0,35 mm (tương ứng ±1,5% giá trị đặt), độ vọt lố không đáng kể và thời gian xác lập là 1 giây. Như vậy, bộ điều khiển kinh điển PID có thể dùng để điều khiển vị trí PAM khi không có yêu cầu khắc khe về đáp ứng quá độ. Kết quả ban đầu cũng cho thấy khả năng cải thiện chất lượng điều khiển, đặc biệt đối với chỉ tiêu về thời gian xác lập trong các nghiên cứu tiếp theo.

Từ khóa: Cơ khí nén nhân tạo, bộ điều khiển PID

Article Details

Tài liệu tham khảo

Al Saaideh, M., & Al Janaideh, M. (2022). On Prandtl–Ishlinskii Hysteresis Modeling of a Loaded Pneumatic Artificial Muscle. ASME Letters in Dynamic Systems and Control, 2(3), 1–12. https://doi.org/10.1115/1.4054779

Ching-Ping Chou, & Hannaford, B. (1996). Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 12(1), 90–102. https://doi.org/10.1109/70.481753

Doumit, M. D., & Pardoel, S. (2017). Dynamic contraction behaviour of pneumatic artificial muscle. Mechanical Systems and Signal Processing, 91, 93–110. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.01.001

Felt, W., Chin, K. Y., & Remy, C. D. (2016). Contraction Sensing with Smart Braid McKibben Muscles. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 21(3), 1201–1209. https://doi.org/10.1109/TMECH.2015.2493782

Festo, A. (2007). Fluidic Muscle DMSP. In MAS, Operation instructions, FESTO, Esslingen, ….

Hannaford, B., Winters, J. M., Chou, C. P., & Marbot, P. H. (1995). The anthroform biorobotic arm: A system for the study of spinal circuits. Annals of Biomedical Engineering, 23(4), 399–408. https://doi.org/10.1007/BF02584440

Hunter, I., Ballantyne, J., & Hollerbach, J. M. (1991). A comparative analysis of actuator technologies for robotics. The Robotics Review 2, 2, 299–342. http://groups.csail.mit.edu/drl/wiki/images/4/43/Hollerbach_Hunter_Ballantyne_1992_A_Comparative_Analysis_of_Actuator_Technologies_for_Robotics.pdf

Hussain, S., Jamwal, P. K., Ghayesh, M. H., & Xie, S. Q. (2017). Assist-as-Needed Control of an Intrinsically Compliant Robotic Gait Training Orthosis. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64(2), 1675–1685. https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2580123

Klute, G. K., & Hannaford, B. (2000). Accounting for elastic energy storage in mckibben artificial muscle actuators. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME, 122(2), 386–388. https://doi.org/10.1115/1.482478

Liu, Y., Zang, X., Lin, Z., Liu, X., & Zhao, J. (2017). Modelling length/pressure hysteresis of a pneumatic artificial muscle using a modified Prandtl-Ishlinskii model. Journal of Mechanical Engineering, 63(1), 56–64. https://doi.org/10.5545/sv-jme.2016.4027

Merola, A., Colacino, D., Cosentino, C., & Amato, F. (2018). Model-based tracking control design, implementation of embedded digital controller and testing of a biomechatronic device for robotic rehabilitation. Mechatronics, 52(February), 70–77. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2018.04.006

Plettenburg, D. H. (2005). Pneumatic actuators: a comparison of energy-to-mass ratio’s. 9th International Conference on Rehabilitation Robotics, 2005. ICORR 2005., 2005, 545–549. https://doi.org/10.1109/ICORR.2005.1502022

Robinson, R. M., Kothera, C. S., & Wereley, N. M. (2015). Variable Recruitment Testing of Pneumatic Artificial Muscles for Robotic Manipulators. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 20(4), 1642–1652. https://doi.org/10.1109/TMECH.2014.2341660

Sarosi, J., Biro, I., Nemeth, J., & Cveticanin, L. (2015). Dynamic modeling of a pneumatic muscle actuator with two-direction motion. Mechanism and Machine Theory, 85, 25–34. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2014.11.006

Shakiba, S., Ourak, M., Poorten, E. Vander, Ayati, M., & Yousefi-Koma, A. (2021). Modeling and compensation of asymmetric rate-dependent hysteresis of a miniature pneumatic artificial muscle-based catheter. Mechanical Systems and Signal Processing, 154, 107532. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107532

Tondu, B., Ippolito, S., Guiochet, J., & Daidie, A. (2005). A Seven-degrees-of-freedom Robot-arm Driven by Pneumatic Artificial Muscles for Humanoid Robots. The International Journal of Robotics Research, 24(4), 257–274. https://doi.org/10.1177/0278364905052437

Tondu, Bertrand, & Lopez, P. (2000). Modeling and Control of McKibben Artificial Muscle Robot Actuators. IEEE Control Systems, 20(2), 15–38. https://doi.org/10.1109/37.833638

Xie, S. L., Liu, H. T., & Wang, Y. (2020). A method for the length-pressure hysteresis modeling of pneumatic artificial muscles. Science China Technological Sciences, 63(5), 829–837. https://doi.org/10.1007/s11431-019-9554-y

Zhang, Y., Liu, H., Ma, T., Hao, L., & Li, Z. (2021). A comprehensive dynamic model for pneumatic artificial muscles considering different input frequencies and mechanical loads. Mechanical Systems and Signal Processing, 148, 107133. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107133

Zhao, W., Song, A., & Cao, Y. (2019). An extended proxy-based sliding mode control of pneumatic muscle actuators. Applied Sciences (Switzerland), 9(8), 1571. https://doi.org/10.3390/app9081571