In this study, an experiments and numerical simulation of a three chamber pneumatic cylinder for an intelligent AK-knee prosthesis is performed. The cylinder has a variable orifice which can be controlled automatically through a microprocessor controller as needed while amputee gaits. In the experiment, the cylinder was driven by a cam whose trajectory of simulates the normal gait and axial forces of cylinder with different of orifice opening was measured. The numerical simulations was based on thermodynamic and fluid mechanical consideration. The experimental results and the numerical results were in good agreement.
The gripper with a soft pneumatic actuator uses a soft material, unlike the gripper that uses a rigid body, so it is safer and lighter to interact with objects without advanced control technology. Among the soft pneumatic actuators that have been studied, PneuNets actuators have bellows shape, which enable quick operation and complete bending with only small material deformation at low pressure. In this study, we suggested improved form of PneuNets actuators to obtain the performance of the soft actuator that a larger bending angle and larger bending force at a small pressure. An experiment was designed and conducted to measure the bending angle and bending force according to the pressure. As a result, it was confirmed through experiments that the improved model has a maximum bending angle at a pressure of 5 kPa lower than that of the previous model, and a maximum bending force of 1.97 times at the same pressure.
The pressure regulator which is used for controlling the reducing pressure in the piezoelectrically driven pneumatic valve has been studied. The pneumatic valve of this study object is 2-stage type and consists of a piezoelectric actuator, a controller, a poppet valve and a pressure regulator. Nominal flow of 50 lpm, maximum operating pressure of 0.9MPa and frequency characteristic of 10Hz and over are required in this pneumatic valve, but the pressure regulator is needed because piezoelectric actuator has no ability to control the pressure of 0.9MPa directly. In this study, bimorph type PZT actuator of $25.2mm(L){\times}7.2mm(W){\times}0.5mm(H)$ with constant of $-220{\times}10-12$ CN-1 was proposed and investigated. Maximum operating force of 0.052 N and maximum displacement of $63{\mu}m$ were gotten from the fabricated PZT actuator. From the analysis results, the orifice diameter of 0.6mm for a piezoelectric actuator was derived and then the pressure regulator which can be operated under 0.15 MPa easily was designed and manufactured. Performance and effects of design parameters were simulated by the Simulink of Matlab software, and it was confirmed that the performance characteristics of manufactured pressure regulator are superior in the common use pressure range of 0.5 MPa to 0.7 MPa. The results show that the proposed pressure regulator is suitable for the pneumatic valve with a PZT actuator.
This paper described a novel locomotion interface that can generate infinite floor for various surface, named as virtual walking machine. This interface allows users to participate in a life-like walking experience in virtual environments, which include various terrains such as plains, slopes and stair ground surfaces. The interface is composed of two three-DOF (X, Y, Yaw) planar devices and two four-DOF (Pitch, Roll, Z, and relative rotation) footpads. The planar devices are driven by AC servomotors for generating fast motions, while the footpad devices are driven by pneumatic actuators for continuous support of human weight. To simulate natural human walking, the locomotion interface design specification are acquired based on gait analysis and each mechanism is optimally designed and manufactured to satisfy the given requirements. The designed locomotion interface allows natural walking(step: 0.8m, height: 20cm, load capability: 100kg, slope:30deg) for various terrains.
Antilock Brake System (ABS) is indispensable safety equipment for vehicles today. In order to develop new ABS ECU suitable for pneumatic brake system of a bus, a Hardware In-the-Loop Simulation (HILS) System was developed. In this HILS, the pneumatic brake system of a bus and antilock brake component were used as hardware. For the computer simulation, the 14-Degree of Freedom (DOF) bus dynamic model was constructed using the Matlab/Simulink software package. This model was compiled and downloaded in the simulation board, where the Power PC processor was used for real-time simulation. Additional commercial package, the ControlDesk was used to monitor the dynamic simulation results and physical signal values. This paper will focus on the procedure and results of evaluating the ECU in the HILS simulation. Two representative cases, wet basalt road and $split-{\mu}$ road, were used to simulate real road conditions. At each simulated road, the vehicle was driven and stopped under the help of the developed ECU. In each simulation, the dynamical behavior of the vehicle was monitored. After enough tests in the laboratory using HILS, the parameter-tuned ECU was equipped in a real bus, which was driven and stopped in the real test field in Korea. And finally, the experiment results of ABS equipped vehicle's dynamic behavior both in HILS test and in test fields were compared.
This paper presents a Neural Network Identification(NNI) method for modeling of highly complicated nonlinear and time varing human system with a pneumatically driven mock circulatory system of Left Ventricular Assist Device(LVAD). This system consists of electronic circuits and pneumatic driving circuits. The initiation of systole and the pumping duration can be determined by the computer program. The line pressure from a pressure transducer inserted in the pneumatic line was recorded System modeling is completed using the adaptively trained backpropagation learning algorithms with input variables, heart rate(HR), systole-diastole rate(SDR), which can vary state of system. Output parameters are preload, afterload which indicate the systemic dynamic characteristics. Consequently, the neural network shows good approximation of nonlinearity, and characteristics of left Ventricular Assist Device. Our results show that the neural network leads to a significant improvement in the modeling of highly nonlinear Left Ventricular Assist Device.
Jung Min Woo;Hwang Chang Mo;Jeong Gi Seok;Kang Jung Soo;Ahn Chi Bum;Kim Kyung Hyun;Lee Jung Joo;Park Yong Doo;Sun Kyung
대한의용생체공학회:의공학회지
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제26권6호
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pp.393-398
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2005
An electromechanical type is the most useful mechanism in the various pumping mechanisms. It, however, requires a movement converting system including a ball screw, a helical cam, or a solenoid-beam spring, which makes the device complex and may lessen reliability. Thus, the authors have hypothesized that an electromagnetic actuator mechanism can eliminate the movement converting system and that thereby enhance the mechanical reliability and operative simplicity of an electropneumatic pump. The purpose of this study was to show a novel application of electromagnetic actuator mechanism in pulsatile pump and to provide preliminary data for further evaluations. The electromagnetic actuator consists of stators with a single winding excitation coil and movers with a high energy density neodymium-iron-boron permanent magnet. A 0.5mm diameter wire was used for the excitation coil, and 1000 turns were wound onto the stators core with parallel. A prototype of extracorporeal electro-pneumatic pump was constructed, and the pump performance tests were performed using a mock system to evaluate the efficiency of the electromagnetic actuator mechanism. When forward and backward electric currents were supplied to the excitation coil, the mover effectively moved back and forth. The nominal stroke length of the actuator was 10mm. The actuator dimension was 120mm in diameter and 65mm in height with a mass of 1.4kg. The prototype pump unit was 150mm in diameter, 150mm in thickness and 4.5kg in weight. The maximum force output was 70N at input current of 4.5A and the maximum pump rate was 150 beats per minute. The maximum output was 2.0 L/minute at a rate of 80bpm when the afterload was 100mmHg. The electromagnetic actuator mechanism was successfully applied to construct the prototype of extracorporeal electropneumatic pump. The authors provide the above results as a preliminary data for further studies.
The paper presents development of a Hardware-In-the-Loop simulation (HILS) system for the purpose of testing performance, stability, and reliability of an electronic power steering system(EPS). In order to realistically test an EPS by the proposed HILS apparatus, a simulated uniaxial dynamic rack force is applied physically to the EPS hardware by a pnumatic actuator. An EPS hardware is composed of steering wheel &column, a rack & pinion mechanism, andas motor-driven power steering system. A command signal for a pneumatic rack-force actuator is generated from the vehicle handling lumped parameter dynamic model 9software) that is simulated in real time by using a very fast digital signal processor. The inputs to the real-time vehicle dynamic simulation model are a constant vehicle forward speed and from wheel steering angles driven through a steering system by a driver. The output from a real-time simulation model is an electric signal that is proportional to the uniaxial rack force. The vehicle handling lumped parameter dynamic model is validated by a fully nonlinear constrained multibody vehicle dynamic model. The HILS system simulation results sow that the proposed HILS system may be used to realistically test the performance stability , and reliability of an electronic power steering system is a repeated way.
This paper presents a cable-driven hydraulic actuator named Cable Rod Hydraulic Actuator (CRHA). The cable actuating system is attractive for designing a compact joint in robotic applications since it can be installed remotely from the joint. Recently, cable rods have been used in pneumatic area for inertia reduction. However, designing cable rods in hydraulics is challenging because it is difficult to achieve flexibility and endurance simultaneously under high pressure conditions. In this paper, the cable rod, which consists of a cable and jacket, is proposed to meet both requirements. To design the CRHA, we determined the design parameters, such as cylinder size, and selected the cable rod's material by friction and leakage test. Finally, comparisons experiments about step and frequency responses with conventional hydraulic actuators were performed to assess feasibility for robotic joints, and the results show that the proposed system has good bandwidth and fast response as robotic joints.
본 논문에서는 유압 비례 제어 밸브로 구동되는 유압모터 부하계에 존재하는 정지마찰토크와 점성마찰토크를 해석하였다. 이에 기초 실험으로 유압시스템의 에너지인 압력과 유량에 대한 특성실험을 수행하였고, 공압브레이크 시스템을 이용하여 브레이크 압력의 변화를 인가하여 마찰토크의 변화를 실험하였다. 비선형마찰과 선형마찰에 대한 해석은 유압 시스템의 마찰특성에 대하여 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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