Regelung

Spezialist für hochpräzise Steuer- und Regelsysteme mehr erfahren

Embedded Systeme

Spezialist für hochkomplexe Echtzeitlösungen in Hard- und Software mehr erfahren

HiL und Rapid Prototyping

Spezialist für Analyse, Konzept und Realisierung mehr erfahren

Nichtlineares Verhalten im Griff

COSATEQ entwickelt Simulationsmodelle und Reglerverfahren für Antriebe auf Basis pneumatischer Muskeln

Mit der Entwicklung von mathematischen Modellen zur Simulation und Regelung von pneumatischen Muskeln erleichtert COSATEQ die Anwendung dieser innovativen Technik als Aktoren in Prüfständen, Robotik, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Automation und Maschinenbau.

Wangen, den 05.08.2013 – Obwohl schon 1872 vom deutschen Professor Franz Reuleaux erfunden, macht der pneumatische Muskel erst in jüngster Zeit von sich reden. Am Markt wird er nun in verschiedenen Leistungsklassen und Bauarten angeboten. Das Prinzip des Aufbaus und der Funktion ist einfach: In einen Schlauch aus hochfestem, druckdichtem Gewebe wird Druckluft geblasen. Daraufhin expandiert er in Querrichtung und kontrahiert in Längsrichtung. Das Gewebematerial der Schlauchs, korrekterweise Membran genannt, ist so beschaffen, dass die Querausdehnung weitgehend verhindert wird und die Kontraktion so hoch wie möglich ist.

Innovativer Zugaktor für innovative Anwendungen

Die Zugkraft des pneumatischen Muskels kann für eine Vielzahl von Aufgaben genutzt werden. Mögliche Einsatzgebiete sind beispielsweise Prüfstände, humanoide Robotik, Biorobotik, industrielle Robotik sowie elastische Antriebe und Fahrsimulatoren. In Verbindung mit geeigneter Sensorik zeichnen sich elastische Antriebe mit pneumatischen Muskeln durch ein geringes Verletzungsrisiko aus, da funktionsbedingt die Zugkraft am Ende des Bewegungsbereichs stark abfällt. Dank der regulierbaren Nachgiebigkeit sind viele Antriebsaufgaben besser als mit Elektromotoren lösbar. Sinnvoll ist der Einsatz z.B. in Bewegungstherapiegeräten und Melkrobotern. Im Umfeld der Industrie 4.0 können sie die kommende enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine erleichtern.

In Fördergeräten sind pneumatische Muskeln in der Lage, den Fördergurt stick-slip-frei zu spannen. Bei Spannbandbrücken können kraftgeregelte pneumatische Muskeln die Schwingungsamplitude aktiv dämpfen. Von Vorteil sind hier die einfache Integration in das Bauwerk und ihr verschmutzungs- und wetterfester Aufbau.

Stick-slip-freie Bewegung

Konstruktionsbedingt kann ein pneumatischer Muskel aktive Bewegungen nur in einer Richtung ausüben. Eine Vorwärts-/Rückwärtsbewegung wie bei pneumatischen Kolbenzylindern ist mit einem pneumatischen Muskel nicht möglich. Für solche Anwendungen wird zu jedem Aktor ein Gegen-Aktor benötigt.

Trotz dieses Nachteils bieten pneumatische Muskeln eine Menge an Vorteilen im Vergleich zu Kolbenzylindern. Salopp formuliert bieten sie viel Kraft für wenig Geld. Sie überzeugen durch ein enorm hohes Kraft/Gewicht Verhältnis. Die hohe Beschleunigung lässt hoch dynamische Prozesse zu. Durch ihre hermetische Dichtheit sind sie gegenüber Verschmutzungen geschützt. Der wichtigste Vorteil ist der fehlende Stick-Slip-Effekt. Schmiermittel werden nicht benötigt.

Das Problem: Nichtlineares Verhalten

Ein Nachteil ist die schwierige Regelung, da die Kraft- und die Volumencharakteristik des pneumatischen Muskels ein starkes nichtlineares Verhalten aufweist. Erschwerend kommt noch die Hysterese der Kraftcharakteristik hinzu.

Die Lösung: Modellbasiertes Entwickeln

Bei der Entwicklung von Reglern für pneumatische Muskeln kann COSATEQ auf ein umfassendes Know-how über den Entwurf (moderner) modellbasierter nichtlinearer Regler zurückgreifen. Verbleibende Modellunsicherheiten sowie externe Störungen können durch den Einsatz leistungsfähiger Methoden zur Störgrößenkompensation stark reduziert werden. COSATEQ kann das nichtlineare System beispielsweise mit MATLAB modellieren und mit SCALE-RT® in Echtzeit simulieren. Aber auch mit Matrix-X, Realsim, xPCTarget, LabVIEW, Labwindows CVI und S/I sind die Entwickler von COSATEQ vertraut. Als Entwickler von Hardware-in-the-Loop-Systemen und der hochpräzisen Hydraulikregler-Serie Prynamics sowie vielen Kundenprojekten verfügt COSATEQ über eine jahrelange Erfahrung auf den Gebieten der Modellierung und der Regelungstechnik.