مدل سازی ، کنترل و شبیه سازی های عددی یک محرک سفت و سخت متغیر باینری کنترل شده باینری (BCVSA)

این یک مقاله با دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز انتساب Creative Commons (CC توسط) توزیع شده است. استفاده ، توزیع یا تولید مثل در سایر انجمن ها مجاز است ، مشروط بر اینکه نویسنده اصلی (ها) و مالک حق چاپ اعتبار داشته باشد و این که انتشار اصلی در این ژورنال مطابق با عمل دانشگاهی پذیرفته شده استناد می شود. بدون استفاده ، توزیع یا تولید مثل مجاز است که این شرایط را رعایت نمی کند.

خلاصه

این کار تحقیقاتی با هدف تحقق یک محرک جدید رباتیک سازگار برای تعامل ایمن انسان-روباتیک انجام شده است. در این مقاله ، ما مدل سازی ، کنترل و شبیه سازی های عددی یک محرک سفتی متغیر با دودویی را با هدف استفاده می کنیم (BCVSA) با هدف استفاده برای توسعه یک مأمور روباتیک سازگار جدید. BCVSA اثبات مفهوم مفصل Revolute Active با استخدام متغیر عناصر الاستیک موازی سری است. ما به طور خلاصه اصل طراحی اساسی را که مبتنی بر سفتی مکانیسم متنوع متشکل از یک موتور ، سه چنگک درون خطی و سه چشمه پیچشی با مقادیر سفتی است ، به یاد می آوریم (k₀، 2 K₀، 4 K₀) متصل به شافت بار و شافت موتور از طریق دو قطار دنده آفتاب سیاره ای با نسبت ها (به ترتیب 4: 1 ، 4: 1). ما مفهوم طراحی ، سفتی و مدل سازی پویا و کنترل BCVSA خود را ارائه می دهیم. ما سه نوع کنترل پیش بینی مدل چندگانه (MPC) را برای کنترل محرک خود اجرا کردیم. انگیزه اصلی انتخاب این کنترلر در این واقعیت نهفته است که اصل کار چندین MPC و نمایندگی فضایی چندین ایالت (سطح سفتی) از محرک ما دارای علایق مشابهی است. به طور خاص ، ما چندین MPC ، MPC صریح چندگانه را اجرا کردیم و MPC صریح چندگانه را تقریبی کردیم. شبیه سازی های عددی به منظور ارزیابی اثربخشی آنها برای آزمایش های آینده در نمونه اولیه محرک ما انجام می شود. نتایج شبیه سازی نشان داد که MPC چندگانه ، و MPC صریح چندگانه نتایج مشابهی از دیدگاه استحکام دارند. از طرف دیگر ، عملکرد استحکام MPC چند صریح تقریبی نسبت به سایر کنترل کننده ها خوب نیست اما در چارچوب آفلاین کار می کند در حالی که توانایی محاسبه نتایج بهینه را دارد. ما همچنین مقایسه کنترل کننده های مبتنی بر MPC با کنترل گشتاور محاسبه شده (CTC) و تنظیم کننده درجه دوم خطی (LQR) را انجام دادیم. در آینده ، ما قصد داریم رویکرد ارائه شده را در نمونه اولیه سخت افزار محرک خود آزمایش کنیم.

واژه های کلیدی: محرک های سفتی متغیر ، MPC ، MPC متعدد ، ایمنی ، تعامل انسان-روباتیک ، کنترل محرک

معرفی

چندین جنبه و الزام طراحی برای افزایش کیفیت تعامل انسان-روبات و همکاری های همکار در تولید هوشمند و سناریوهای داخلی مطرح شده است (بیچی و همکاران ، 2008 ؛ Tsagarakis et al. ، 2011 ؛ Gan et al. ، 2012 ؛Asota و همکاران ، 2017). ایمنی یکی از مهمترین جنبه های و همچنین جنبه های کلی کارآیی و استحکام در نظر گرفته می شود که از اهمیت بالایی برخوردار است. ایمنی باید یک ویژگی ذاتی در روبات ها به ویژه در مورد تعامل غیر منتظره یا خرابی سنسور باشد (Asota et al. ، 2017). علاوه بر جنبه ایمنی ، تعامل بین ربات و اپراتور باید سازگاری و دقت نیرو را نشان دهد (حسین و همکاران ، 2016 ؛ Salvietti و همکاران ، 2017b).

انطباق ذاتی که در سیستم های روباتیک معرفی شده است ، یکی از راه حل های ممکن برای استحکام و تعامل ایمن انسان است (حسین و همکاران ، 2017 ؛ Salvietti et al. ، 2017a). طراحی روباتیک الهام گرفته از زیستی منجر به سیستم های رباتیک سازگار با بهبود پویایی طبیعی و عملکرد سینماتیک می شود (هوگان ، 1985 ؛ میگلور و همکاران ، 2005 ؛ شین و همکاران ، 2010). این پیشرفت ها منجر به ایجاد محرک های امپدانس متغیر (از طریق) شده است که از آن خواص مکانیکی محرک (بی تحرک ، میرایی یا سفتی) بر موقعیت تعادل سیستم تأثیر می گذارد (Bicchi et al. ، 2008). این امر نیروهای تعامل را به منظور تطبیق موقعیت های مختلف بین روبات ها و محیط زیست/کاربران تغییر می دهد و منجر به عملیات کارآمدتر با انرژی می شود (بییچی و همکاران ، 2008).

بر اساس چگونگی دستیابی به امپدانس (سفتی و میرایی) ، چه از طریق مفاهیم فعال و چه منفعل در ادبیات ارائه شده است. در یک ویژگی در کنترل فعال در توانایی خود در تطبیق هر دو سفتی و میرایی در طیف گسترده ای و برای چندین سرعت قرار دارد. مضرات این سیستم در نیاز به سنسورهای نیرو/گشتاور بسیار دقیق و گران قیمت ، مصرف انرژی زیاد ، نیاز به یک سیستم کنترل پیچیده ، ناتوان بودن ذخیره انرژی و جذب شوک نهفته است (هوگان ، 1985 ؛ مین ، 2014). به منظور حل این مشکلات ، عناصر سازگار با منفعل می توانند به محرک اضافه شوند. یک رویکرد اولیه در محرک الاستیک سریال (SEA) ارائه شد (شین و همکاران ، 2010). چندین تکنیک در ساختار دریا و سیستم های کنترل در ادبیات ارائه شده است (Migliore et al. ، 2005 ؛ Bischoff et al. ، 2010). اشکالاتی از دریا در عملکرد غیر بهینه و راندمان انرژی غیر بهینه است. عملکرد بهینه نیاز به تنظیم دقیق مقادیر سفتی مشترک دارد (پرات و ویلیامسون ، 1995). سفتی محرک مبتنی بر دریا با انتخاب بهار ثابت و تعیین می شود ، بنابراین سختی جسمی در حین کار قابل تغییر نیست.

این انگیزه بسیاری از مطالعه و طرح های جدید مکانیسم های سفتی متغیر با انطباق منفعل را ایجاد می کند (تونتی و همکاران ، 2005). چندین گروه مکانیسم سازگاری قابل انطباق را طراحی کرده اند که عناصر الاستیک علاوه بر تغییر سختی ، انرژی را ذخیره می کنند.

بسیاری از توپولوژی ها و تحقق برای محرک های سفتی متغیر (VSA) در ادبیات ارائه شد. تکامل اولیه مفهوم محرک های سفتی متغیر آنتاگونیستی بود ، جایی که سفتی مفصل از طریق ترکیبی از دو دریای آنتاگونیستی که توسط دو موتور جداگانه کنترل می شود متفاوت است. طرح هایی که در این گروه قرار می گیرند شامل VSA-I (Tonietti et al. ، 2005) ، VSA-II (Schiavi et al. ، 2008) ، Amasc (Hurst et al. ، 2010) و مکانیسم کنترل سفتی مفصل است (میگلیور و همکاران ، 2005). علاوه بر این ، تحقق دیگری برای تغییر سختی از طریق اصل مکانیسم اهرم حاصل می شود (Sun et al. ، 2017). نمونه های دیگر این نوع شامل AWAS (جعفری و همکاران ، 2010) ، AWAS-II (جعفری و همکاران ، 2011) ، VSAUT (Visser et al. ، 2011) ، MVSA-UT (Fumagalli et al. ،2012) ، VSAUT-II (Grothuis et al. ، 2014 ؛ Guo et al. ، 2017) و PVSJ (Awad et al. ، 2016a).

اگرچه ، VSA قابلیت های ذاتی (پهنای باند ، تأثیرات ، ذخیره انرژی) را بر محدوده سفتی مفصل می دهد و با اجازه تغییر سفتی به طور مداوم ، محدودیت دریا را غلبه می کند اما به مصرف انرژی بیشتری نیاز دارد. به طور خاص ، دو موتور مورد نیاز است: یکی برای کنترل موقعیت تعادل و دوم برای کنترل سفتی.

به تازگی ، یک رویکرد جدید در تغییر سختی از طریق انتخاب گسسته سطح سفتی با اضافه کردن/کم کردن تعداد عناصر الاستیک درگیر دنبال می شود. عناصر الاستیک از طریق مکانیسم قفل یا به سادگی کلاچ درگیر می شوند. عناصر الاستیک یا می توانند به صورت سری مانند PDVSJ (Awad et al. ، 2016b) یا به صورت موازی ترتیب داده شوند. تحقق آرایش بعدی ، محرک های الاستیک سری-موازی (SPEA) است.

درایور طراحی محرک های الاستیک سری-موازی (SPEA) نیاز به به حداقل رساندن مصرف انرژی ، گشتاور اوج یا مصرف برق در روبات ها و انسان ها بود (Mathijssen et al. ، 2015b). این مفهوم در ISPEA معرفی شده است (Mathijssen و همکاران ، 2016). در این محرک ، چشمه ها از یک طرف و به یک مکانیسم متناوب از طرف دیگر به پیوند خروجی وصل می شوند. این مکانیسم ورودی مداوم (چرخشی) را به دو مرحله متوالی تبدیل می کند.

این امر با تغییر گشتاور خروجی محرک ، جانشینی از درگیری چشمه ها را به همراه دارد. SPEA مبتنی بر MacCepa نمونه دیگری از Spea است و در Mathijssen و همکاران نشان داده شده است.(2015a) ، که در آن چشمه ها از طریق مکانیسم بادامک استوانه ای استخدام می شوند. تصویر دیگر +Spea است (Mathijssen و همکاران ، 2016).

با تغییر تعداد چشمه های پیچشی درگیر با فعال سازی/فعال سازی کلاچ ها ، سفتی تغییر می کند. کلاچ های مورد استفاده در BPVSJ کلاچ های الکترومغناطیسی (EM) (Huco ، بنابراین 17) هستند که به صورت الکتریکی کار می کنند اما گشتاور را به صورت مکانیکی منتقل می کنند. تفاوت بین کلاچ الکترومغناطیسی و کلاچ منظم در نحوه کنترل حرکت صفحات فشار است. در کلاچ معمولی ، چشمه ای برای درگیر کردن کلاچ استفاده می شود در حالی که در کلاچ EM از یک میدان الکترومغناطیسی برای درگیری استفاده می شود. اجزای اصلی کلاچ EM یک پوسته سیم پیچ ، آرماتور ، روتور و قطب است. صفحه آرماتور با پوشش اصطکاک روکش شده است. سیم پیچ در پشت روتور قرار می گیرد. هنگامی که کلاچ مدار الکتریکی سیم پیچ را فعال می کند ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. قسمت روتور کلاچ مغناطیسی می شود. هنگامی که میدان مغناطیسی از فاصله هوا بین روتور و آرماتور فراتر رفته و سپس آرماتور را به سمت روتور می کشد. نیروی اصطکاک ایجاد شده در سطح تماس گشتاور را منتقل می کند. هنگامی که ولتاژ از سیم پیچ خارج می شود ، مخاطب از هم جدا می شود.

طراحی محرک ارائه شده در این مقاله از نسخه منفعل آن (BPVSJ) (Awad ، 2018) الهام گرفته شده است ، شکل 1A ، 1A را ببینید ، دارای اصل کار مشابه اما در اندازه جمع و جور و داشتن موتور برای کنترل فعال آن است. مدل CAD محرک در شکل 1B 1B نشان داده شده است و ما آن را نامگذاری کردیم ، محرک سفتی متغیر با دوتایی (BCVSA). مزیت افزودنی این توپولوژی امکان آزادی بیشتری را در انتخاب سطح سفتی بدون نیاز به درگیری جانشینی فراهم می کند و منجر به زمان پاسخ کمتر در تغییر سطح سختی می شود. ما معتقدیم که این توپولوژی جدید را می توان در BCVSA برای یک مدیر شکایت ایمن تر ، کارآمدتر و روبات انسانی استفاده کرد. نمودار مفهومی محرک پیشنهادی در شکل 1C ، D نشان داده شده است ، در حالی که توضیحات مفصل و مدل سازی سفتی در بخش مفهوم و مدل سفتی ارائه شده است.

(الف) نمونه اولیه نسخه منفعل محرک (مفصل سفتی متغیر باینری منفعل) (BPVSJ) (B). مدل CAD از محرک سفتی متغیر باینری کنترل شده (BCVSA): این نسخه فعال و جمع و جور از مفصل منفعل است(ج) نمودار مفهومی برای اصل کار BCVSA. بیت سفتی ، مجموعه یک ترمز زمینی متصل به یک عنصر الاستیک (بهار) که از طریق قطار دنده در برابر گشتاور بار واکنش نشان می دهد. از طریق قطارهای دنده ترکیبی به پیوند خروجی (LOAD) متصل شده است.

کار چالش برانگیز دیگر طراحی سیستم کنترل محرک های روباتیک است. در ادبیات ، چندین رویکرد (با جوانب مثبت و منفی خود) برای کنترل محرک های سفتی متغیر ارائه شده است. بیشتر آنها مبتنی بر کنترل کننده های غیر خطی است. برخی از نمونه ها شامل برنامه ریزی از طریق LQR (Sardellitti و همکاران ، 2013) ، کنترل کننده حالت کشویی (Van Damme et al. ، 2009) ، کنترل کننده مبتنی بر خروجی (Palli and Melchiorri ، 2011) و کنترل کننده مبتنی بر شبکه عصبی (Guo et al. ، 2017 ؛ Pan et al. ، 2017) و غیره

در این مقاله، ما چندین MPC را برای کنترل محرک خود پیشنهاد می کنیم. انگیزه اصلی انتخاب این کنترلر در این واقعیت نهفته است که اصل کار MPC چندگانه و نمایش فضای چند حالته محرک ما به خوبی با یکدیگر مطابقت دارند. در واقع، سیستم ما دارای سطوح مختلف سختی (نمایش فضای حالت) است و MPC چندگانه این قابلیت را دارد که راه حل بهینه را برای هر حالت (دارای MPC اختصاصی) ارائه دهد. به عنوان مثال، ما همچنین کنترل گشتاور محاسبه شده (CTC) و تنظیم کننده درجه دوم خطی (LQR) را برای انجام مقایسه با کنترل کننده های مبتنی بر MPC چندگانه پیاده سازی کردیم. ما از سه کنترلر از خانواده Multiple MPC برای محرک خود استفاده کرده ایم. MPC به عنوان یک کنترل کننده گسسته بهینه طبقه بندی می شود زیرا یک مسئله برنامه ریزی درجه دوم (QP) را برای محاسبه پاسخ بهینه یا زیر بهینه برای سیستم حل می کند. از سوی دیگر؛QP به عنوان یک مسئله بهینه سازی محدود طبقه بندی می شود که در آن تابع هزینه بر اساس الزامات طراحی انتخاب می شود. الزامات طراحی متداول مربوط به به حداقل رساندن خطاهای دینامیکی برای افزایش دقت و دقت سیستم، همچنین مصرف انرژی یعنی سیگنال های ورودی برای به حداکثر رساندن صرفه جویی در انرژی و نرخ تغییر سیگنال ورودی است (Albalasia، 2016). بر این اساس، ساختار اولیه MPC شامل یک بهینه ساز برای حل مسئله QP، یک مدل از کارخانه و یک مشاهده گر برای تخمین حالت های اندازه گیری نشده با استفاده از فیلتر کالمن حالت پایدار است و از مشاهدهگر نیز برای پیش بینی رفتار استفاده می شود. کارخانه در یک زمان خاص به صورت پیشرفته (Matlab, 2018). در حالی که هدف بهینه ساز به حداقل رساندن تابع هزینه با توجه به محدودیت ها است.

همانطور که در Camacho و Alba (1999) توضیح داده شده است، MPC دارای سه استراتژی اساسی برای محاسبه کنترل بهینه است. این استراتژی ها در موارد زیر خلاصه می شوند:

پاسخ سیستم را برای یک زمان خاص پیش بینی کنید. معمولاً این زمان افق پیش بینی (P) نامیده می شود و این استراتژی با استفاده از ناظر انجام می شود (Matlab, 2018).

MPC مسئله QP را برای محاسبه اقدامات کنترلی (C) حل می کند (MPC می تواند بیش از یک عمل را محاسبه کند) و این با حل شکل کاهش یافته برای معادله جبری Riccati به دست می آید.

MPC فقط از کنش کنترل فعلی C(k) استفاده می کند تا از هرگونه رفتار غیرمنتظره برای سیستم در آینده به دلیل اختلال اندازه گیری شده یا اندازه گیری نشده در سیستم جلوگیری کند. به این معنی که اگر کنترل قوی نباشد، پاسخ ممکن است تغییر کند.

این استراتژی ها به طور مداوم در حال به روزرسانی رفتار سیستم و محاسبه اقدامات کنترل صحیح C (k) هستند. طبق گفته کاماچو و آلبا (1999) ، MPC دارای چندین ویژگی از دیدگاه کنترل است. به عنوان مثال ، توانایی رد اختلال در یک اختلال اندازه گیری شده و بی اندازه دارد. علاوه بر این ، این توانایی را دارد که توانایی فیزیکی برای هر محرک را مورد توجه قرار دهد (کاستیلو و همکاران ، 2007) ، برعکس ، محدودیت های اصلی این طبقه کنترل مربوط به کاربردی برای استفاده از آن در زمان واقعی است. اولا ، زیرا از نظر محاسباتی گران است و کنترلر یک مشکل بهینه سازی را حل می کند و یک افق کنترل محدود (C) را با توجه به مدل ریاضی برای سیستم با محدودیت های کاربردی محاسبه می کند. با این حال ، این مشکل تا حدی با استفاده از میکروکنترلر یا رایانه هایی با قابلیت محاسبه بالا قابل حل است. ثانیا ، این کلاس از کنترل کننده ها از مشکل امکان سنجی رنج می برند زیرا مشکل QP را حل می کند و این احتمال وجود دارد که بهینه ساز یک راه حل بهینه پیدا نکند ، خصوصاً در صورت محدودیت های سخت (Mayne ، 2014). با این حال ، راه حل پیشنهادی برای این مشکل اصلاح خود سیستم یا آرامش محدودیت انتخاب شده همانطور که در ادبیات نشان داده شده است (Albalasia ، 2016 ؛ Matlab ، 2018).

MPC صریح و MPC صریح صریح انواع MPC است که سیستم را در چارچوب خارج از خط شبیه سازی می کند تا عملکرد کنترل را محاسبه کند ، سپس تمام راه حل ها در یک جدول جستجو ذخیره می شوند ، یعنی "پایگاه داده" و چندین کارکرد وابستهبرای محاسبه عملکرد کنترل مورد نیاز در محیط آنلاین استفاده می شود (Fiacchini و همکاران ، 2006 ؛ Matlab ، 2018). در حالی که تفاوت اصلی بین این دو نوع در این است که MPC صریح فقط برای یک نقطه تعادل قابل استفاده است در حالی که MPC صریح می تواند در چندین نقطه تعادل استفاده شود ، یعنی دامنه وسیع تری دارد (Matlab ، 2018).

اخیراً ، انواع مختلفی از MPC در چندین برنامه استفاده می شود ، به عنوان مثال ، MPC خطی برای کنترل هلیکوپتر بدون سرنشین و عروق سطح دریایی همانطور که در Castillo و همکاران نشان داده شده است استفاده می شود.(2007) و اوه و خورشید (2010). با این حال ، چندین کشتی سطحی خودمختار با استفاده از NMPC به ادبیات کنترل می شوند (Fahimi ، 2007). علاوه بر این؛MPC تطبیقی برای کنترل ربات تحت عمل شده برای به حداقل رساندن مصرف انرژی استفاده می شود (Albalasia ، 2016 ؛ Albalasie et al. ، 2016). علاوه بر این ، FIA و همکاران. یک طرح کنترل برای کنترل یک موتور خطی با استفاده از MPC صریح (Fiacchini و همکاران ، 2006) پیشنهاد کرد. در حالی که کوور-کینزی و همکاران. از MPC متعدد برای تنظیم پاسخ سیستم های فرآیند غیر خطی و نامشخص مانند راکتور Van de Vusse به عنوان یک مطالعه موردی استفاده کرد (Kuure-Kinsey and Bequette ، 2009). ما همچنین مقایسه چندین کنترل کننده مبتنی بر MPC با کنترل گشتاور محاسبه شده (CTC) و تنظیم کننده درجه دوم خطی (LQR) را انجام دادیم. روش اول بر روی یک سیستم ردیابی بازخورد حالت با استفاده از تنظیم کننده درجه دوم خطی (LQR) ساخته شده است. کنترل کننده ، مفصل در اوگاتا (2009). از طرف دیگر ، طرح کنترل دوم یک طرح کنترل گشتاور محاسبه شده (CTC) است که به عنوان کنترل مبتنی بر مدل طبقه بندی می شود. نمونه هایی در ادبیات ، که در آن CTC اجرا شده است ، برای کنترل یک دستگاه تولید ربات PUMA-560 (Piltan et al. ، 2012). CTC در صورت وجود از خطی مجدد بازخورد برای خطی کردن مدل غیرخطی استفاده می کند و معادلات پویا سیستم را به یک معادله سیستم جرم واحد اما با DOF های "N" تبدیل می کند. با این وجود ، اگر سیستم به عنوان یک سیستم غیرقانونی طبقه بندی شود ، این روش از تکنیک خطی سازی بازخورد جزئی استفاده می کند تا بتواند گیاه یا سیستم را همانطور که در Spong نشان داده شده است کنترل کند (1994).

بقیه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. طراحی مفهومی و مدل سازی سفتی محرک پیشنهادی در بخش مفهوم و مدل سختی ارائه شده است. بخش مدل سازی پویا از BCVSA مدل پویا BCVSA را توصیف می کند. طرح های کنترل بخش طرح های کنترل را بر اساس سه روش کنترل MPC چندگانه ارائه می دهد. شبیه سازی های عددی در نتایج عددی بخش به تفصیل شرح داده شده است. سرانجام ، نتیجه گیری و کار آینده در نتیجه گیری بخش و کارهای آینده نشان داده شده است.

مفهوم و مدل سفتی

مفهوم BCVSJ

طرح های ارائه شده در ادبیات مربوط به سریال محرک های الاستیک موازی ، الهام بخش اصلی طراحی پیشنهادی در این مقاله بود. در این نوع محرک ها ، با تغییر تعداد عناصر الاستیک درگیر ، سفتی تغییر می کند. عناصر الاستیک با توجه به یکدیگر موازی هستند و سفتی ترکیبی آنها به صورت سری با یک بار (پیوند خروجی) در یک انتها متصل می شود. انتهای دیگر می تواند به صورت سری با مکانیسم چسباندن و یک محرک (موتور) در یک سیستم فعال همانطور که شکل 1B نشان داده شده است متصل شود. 1Bیک موتور به یک چرخ دنده (دنده آفتاب) متصل است که با یک چرخ دنده دیگر (دنده سیاره) درگیر است. یک کلاچ درون خطی به صورت سریال به چشمه پیچشی و سپس یکی دیگر از چرخ دنده های Spur (دنده سیاره) متصل می شود که سپس با چرخ دنده اصلی (چرخ دنده خورشید) از شافت بار همراه است مانند شکل 2.

مفهوم BCVSA ؛با تغییر تعداد چشمه های درگیر ، سفتی تغییر می کند. مدل سفتی k₀مقدار پایه برای چشمه ها و c است₀, C₁, C₂کلاچ ، به ترتیب 0 ، 1 ، 2 را نشان می دهد.

هنگامی که کلاچ درگیر (فعال) است ، انتقال نیرو از چشمه به بار می رود. واحد چرخ دنده سیاره-کلاچ-پیچ و خم سیاره ، یک بیت سفتی نامیده می شود (شکل 1C) ، 1C را ببینید) ، که سفتی چشمه پیچشی را به شافت اصلی بار می بخشد. با اتصال بیت های سفتی n به چرخ دنده خورشید شافت بار به طور موازی ، مجموع سختی های پیچش پیچشی ، سفتی خروجی مفصل مانند شکل 1D خواهد بود. 1dاز لحاظ تئوریکی ، بدون در نظر گرفتن نتایج سختی با همپوشانی ، با انتخاب بیت های سفتی ، ترکیبات مختلفی از سفتی وجود دارد. در اینجا 1 به معنای سفتی صفر است که در مورد واقعی حذف می شود زیرا نامطلوب است که بار کامل را از چنگال موتور جدا کنید.

جدید بودن BCVSA در توپولوژی طراحی مانند شکل شکل 2 نهفته است. 2سه چشمه پیچشی سفارشی با سه مقدار مختلف (k₀، 2 K₀، 4 K₀) به ترتیب به صورت سریال به کلاچ های درون خطی متصل می شوند ، که از طریق چرخ دنده های سیاره ای به موتور متصل می شوند. هر مجموعه (بهار کلاچ) نشان دهنده (بیت سفتی) در بازنمایی باینری از سطح سختی است. انتهای دیگر هر بهار به یک دنده سیاره ای متصل شده است که بخشی از گشتاور حاصل از آن را در سایر چرخ های آفتاب به شما کمک می کند. چرخ دنده خورشید به بازوی خروجی وصل شده است. در صورت فعال بودن کلاچ بیت ، یک بیت سفتی انرژی را به بازوی خروجی منتقل می کند. اگر کلاچ بیت غیرفعال باشد ، چشمه به صورت فزاینده اجرا می شود. سطح سختی که می تواند در بازنمایی باینری نشان داده شود در جدول 1 نشان داده شده است. 1سفتی فعال توسط "1" نشان داده می شود در حالی که یک بیت غیرفعال توسط "0" نشان داده شده است. استفاده از کلاچ ها تغییر سریع در سطح سختی را تسهیل می کند. سرانجام ، مقیاس پذیری را می توان با تغییر مقدار (k) بدست آورد₀) یا با اضافه کردن بیت های سفت و سخت.

میز 1

سطح سختی قابل دستیابی BCVSA.

مدل سفتی

سفتی BCVSA با تغییر تعداد عناصر الاستیک موازی درگیر تغییر می یابد. درگیری یک عنصر الاستیک از طریق فعال کردن کلاچ مرتبط متصل به بهار تعیین شده حاصل می شود. مدل سختی از مدل سینماتیک مفصل نشان داده شده در شکل 2 حاصل می شود. 2اگر شافت موتور زمینی باشد و گشتاور خارجی (τ σ) روی شافت خروجی اعمال شود ، شافت خروجی چرخ دنده خورشید را می چرخاند. در موردی که تمام بیت های سفتی غیرفعال هستند ، گشتاور و حرکت آزادانه از طریق چرخ دنده های سیاره ای ، به چشمه های پیچشی که آنها آزادانه و بدون فشرده سازی می چرخند منتقل می شوند. در صورت وجود هرگونه سفتی فعال ، حرکت شافت اتصال انتهای چشمه پیچشی درگیر به کلاچ مسدود می شود. در حضور گشتاور اعمال شده در شافت خروجی ، چشمه های پیچشی درگیر از بین می روند و گشتاور ضد پیشخوان را به همراه دارند که به عنوان نیروی مقاومت توسط دست کاربر احساس می شود.

استخراج مدل سختی از معادله گشتاور حاصل (τ σ) به شرح زیر است

جایی که τ 0 ، τ 1 ، τ 2 گشتاور بیت های سفتی 0 ، 1 و 2 است.