MIRA University of Twente
Department of Biomechanical Engineering

Serie Elastische Actuatie (F.H. Jacobs)

Name:

F.H. Jacobs

Study:

Mechanical Engineering

Location:

Laboratory of Biomechanical Engineering

 

 

Project:

LOPES

Supervisors:

Prof.dr.ir. Koopman, H.F.J.M.

dr.ir. Van der Kooij, H. (contact)

ir. Hekman, E.E.G.

ir. Stienen, A.H.A.

 

 

Graduation:

17-04-2008

Presentations:

24-05-2008 BME colloquium (Research Proposal)

24-05-2008 BME colloquium (Progress report

17-04-2008 Graduation (Final presentations)

Serie elastische actuatie via bowdenkabels voor een arm exoskelet: Modelvorming en regelaar

Summary

Bij een beroerte wordt de zuurstof toevoer naar delen van de hersenen belemmerd. De hierdoor ontstane schade kan invloed hebben op de motoriek van de patiënt. Voor de revalidatie hiervan is op de universiteit Twente een revalidatierobot ontwikkeld voor de bovenste extremiteiten, namelijk de Dampace. De Dampace kan alleen bewegingen afremmen door middel van schijfremmen op het schoudergewricht (3x) en de elleboog (1x). Om bewegingen van de patiënten actief te kunnen assisteren worden op de gewrichtsassen van de nieuwe Dampace ook actuatoren geplaatst, waarbij gebruik wordt gemaakt van serie elastisch actuatie (SEA) via bowdenkabels.

In dit afstudeerwerk is onderzoek gedaan naar regeltechnische aspecten bij SEA en daarbij zijn vier onderzoeksvragen onderzocht.

Wat zijn de geregelde prestaties van het ontworpen serie elastisch gewricht waarbij de veer na de bowdenkabels is geplaatst?

Wat is de invloed van de positie van de veer bij SEA?

Is het noodzakelijk om bij revalidatierobotica SEA toe te passen?

Wat is de beste aansturing van de motor bij SEA, krachtsregeling of snelheidsregeling?

De verschillende configuraties van motor, bowdenkabel en veer zijn onderling vergeleken met theoretische simulaties en vervolgens ook doormiddel van fysieke metingen met een testopstelling. Hieruit blijkt:

Met de ontworpen SEA wordt een gemiddelde krachtsbandbreedte van 15 Hz gehaald en bij de nulkrachtsregeling worden de reactiemomenten onder de 2 Nm gehouden.

De veer kan het beste na de bowdenkabels geplaatst worden.

Bij actuatie met bowdenkabels worden met SEA betere prestaties behaald dan met een star mechanisme (zonder veer), met name bij de nulkrachtsregeling.

De snelheidsregeling werkt iets beter dan de krachtsregeling vanwege collocated control.

Geconcludeerd wordt dat bij sterk niet-lineaire systemen, zoals bij het gebruik van bowdenkabels, worden de beste prestaties gehaald met SEA, waarbij de veer na de kabels wordt geplaatst. Het serie elastisch gewricht kan nog wel geoptimaliseerd worden door een symmetrische veer en geschiktere (absolute) encoders te gebruiken. Ook verbeteringen in het theoretisch systeem zijn te realiseren door de volgende factoren opnieuw te bekijken of beter te moduleren: kabelstijfheid, speling, cogging en saturatie van de motor en stick-slip in de bowdenkabels.