Models of artificial arm actuated by pneumatic muscles actuators

• Autorzy: Dindorf, R.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper deals with biomedical engineering (rehabilitation engineering) connected with the design and modelling of artificial arm (prosthetic arm, exoskeleton arm, bionic arm) actuated by pneumatic artificial muscles (PAMs), known also as pneumatic muscle actuators (PMAs). The kinematic and dynamic models of artificial arm are based on the model of the natural biceps-triceps system. The operation of two pneumatic muscles in bi-muscular driving system (BMDS) can be compared to that of natural agonistic-antagonistic muscles. The static model of PMA is determined on the basis of its physical and geometric properties. A phenomenological biomimetic dynamic model of PMA constructed on the basis of energetic-viscoelastic Hill-type muscle model is pro-posed. The virtual model and animation of artificial arm were con-ducted by means of Solid Works software. The presented models of artificial arm are used to design exoskeleton arm of weight and dimensions equivalent to those of human arm.

PL

Praca dotyczy zagadnienia inżynierii biomedycznej (rehabilitacyjnej), związanego z projektowaniem i modelowaniem sztucznego ramienia (protezy ramienia, egzoszkieletu ramienia lub ramienia bionicznego) poruszanego sztucznymi mięśniami pneumatycznymi (PAM), nazywanymi także pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi (PMA). Model kinematyczny i dynamiczny sztucznego ramienia bazuje na naturalnym modelu układu biceps-triceps. Praca dwóch muskułów pneumatycznych w układzie BMDS jest porównywalna do naturalnych mięśni agonistycznych-antagonistycznych. Określono model statyczny PMA, bazując na jego fizycznych i geometrycznych właściwościach. Zaproponowano fenomenologiczno biomimetyczny model dynamiczny PMA, który powstał na podstawie energetycznego wiskoelastycznego modelu muskułu typu Hilla. Wykonano wirtualny model i animacje sztucznego ramienia z użyciem programu SolidWorks. Przedstawione modele sztucznego ramienia zostały wykorzystane do projektowaniu egzoszkieletu ramienia o masie i wymiarach ludzkiego ramienia.

Słowa kluczowe

PL

sztuczne ramię; sztuczny układ mięśniowy; pneumatyczne aktuatory mięśniowe

EN

artificial arm; artificial muscle system; pneumatic muscle actuators

• Czasopismo: Bio-Algorithms and Med-Systems
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 6, no. 12
• Strony: 113--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dindorf, R.

• AGH University of Science and Technology, Kraków,

Bibliografia

• 1. Caldwell D.G., Tsagarakis N. (2002), Biomimetic actuators in prosthetic and rehabilitation applications. Technology and Health Care 10.
• 2. Dindorf R. (2003), Static and dynamie models of pneumatic muscle actuator. Proc. The 18th International Conference on Hydraulics and Pneumatics, Prague, September 30 - October 1,2003.
• 3. Dindorf R. (2010), Systemy biomechatroniczne. Hydraulika i pneumatyka 3.
• 4. Dindorf R. (2007), Wirtualny model ramienia bionicznego z pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi. Pneumatyka 1.
• 5. Dindorf R. (2005), Modelowanie sztucznych układów mięśniowych z aktuatorami pneumatycznymi. Bio-Algorithms and Med-Systems 1/2.
• 6. Hill A.V. (1938), The Heat of Shortening and t e Dynamic Constants of Muscle. Proc. R. Soc. London B, 126.
• 7. Gerschutz M.J. (2008), Dynamie pneumatic muscle actua­tor control system for an augmented orthosis. Wright State University.
• 8. Klute G.K., Czerniecki J.M., Hannaford B. (2002), Artificial muscles: actuators for biorobotic systems. International Journal of Robotics Research 4.
• 9. Mountjoy K. (2008), Use of a Hill-based Muscle Model in the Fast Orthogonal Search Method to Estimate Wrist Force and Upper Arm Physiological Parameters. Master Thesis. Queen's University Kingston, Ontario, Canada.
• 10. Phillips CA., Repperger D.W., Neidhard-Doll A.T., Reyn­olds D.B. (2005), Biomimetic model of skeletal muscle isometric contraction: I. An energetic-viscoelastic model for the skeletal muscle isometric force twitch. University of Nebraska, Lincoln. Research 24/4.
• 11. Reynolds D.B., Repperger D.W., Phillips CA., Bandry G. (2003), Modeling the dynamic characteristies of pneumatic muscle. Annals of Biomedical Engineering 31.
• 12. Smagt P, Groen F., Schulten K. (1996), Analysis and Control of a Rubbertuator arm. Biol. Cybernetics 75.
• 13. Shin D., Khatib O„ Cutkosky M. (2009), Design Methodologies of the Hybrid Actuation Approach for Human-friendly Robot. Proc. 2009 IEEE international conference on Roboties and Automation, Kobe, Japan, May 12-17, 2009.