Closed-Loop Control Through Self-Sensing of a Joule-Heated Twisted and Coiled Polymer Muscle

执行机构 偏转(物理) 人工肌肉 控制理论(社会学) 焦耳加热 闭环 计算机科学 电感 控制系统 材料科学 生物医学工程 控制工程 物理 工程类 控制(管理) 电气工程 电压 光学 人工智能 复合材料
作者
Joost van der Weijde,Heike Vallery,Robert Babuška
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert, Inc.]
卷期号:6 (5): 621-630 被引量:25
标识
DOI:10.1089/soro.2018.0165
摘要

The twisted and coiled polymer muscle (TCPM) has two major benefits: low weight and low cost. Therefore, this new type of actuator is increasingly used in robotic applications where these benefits are relevant. Closed-loop control of these muscles, however, requires additional sensors that add weight and cost, negating the muscles' intrinsic benefits. Self-sensing enables feedback without added sensors. In this article, we investigate the feasibility of using self-sensing in closed-loop control of a Joule-heated muscle. We use a hardware module that is capable of driving the muscle, and simultaneously providing sensor measurements based on inductance. A mathematical model relates the measurements to the deflection. In combination with a simple force model, we can estimate both deflection and force, and control either of them. For a muscle that operates within deflections of [10, 30] mm and forces of [0.32, 0.51] N, our self-sensing method exhibited a 95% confidence interval of 2.14 mm around a mean estimation error of -0.27 mm and 29.0 mN around a mean estimation error of 7.5 mN, for the estimation of, respectively, deflection and force. We conclude that self-sensing in closed-loop control of Joule-heated TCPMs is feasible and may facilitate further deployment of such actuators in applications where low cost and weight are critical.
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