Joustavarakenteisen käsiproteesin kiertoliikkeen takaisinkytketty säätö

Abstract

Tilasäätö kuuluu moderniin säätöteoriaan ja sen avulla voidaan suunnitella säätimiä järjestelmille, joiden matemaattinen malli tunnetaan tai voidaan muodostaa. Tässä työssä tarkastellaan Karl J. Åströmin ja Richard M. Murrayn kirjassa Feedback Systems: An introduction for Scientists and Engineers 2nd edition esiteltävää joustavan rakenteen takaisinkytkettyä säätöä. Tutkittavan joustavan rakenteen malli koostuu moottorista, moottoriin kytketystä joustavasta akselista ja akselin päähän vaikuttavasta kuormasta. Mallia havainnollistavaksi rakenteeksi valitaan käsiproteesi, jonka kiertoliikettä on tarkoitus ohjata työssä suunniteltavalla säätimellä. Lisäksi työssä analysoidaan, kuinka materiaalivalinta vaikuttaa suunniteltavan järjestelmän käyttäytymiseen. Tässä työssä materiaalivalinnan on tarkoitus korostaa materiaalien tuomia eroja, minkä vuoksi ne ovat valittu jäykkyysasteikon ääripäistä ja näin ollen tutkittaviksi materiaaleiksi valikoitiin hiilikuitu ja silikoni.

Suunniteltavan säätimen tulee ohjata proteesin kiertoliikettä tarkasti ja nopeasti sekä sietää ja kumota mahdollisen häiriövääntömomentin aiheuttamat vaikutukset. Nämä vaatimukset täyttävä säädin tarvitsee tilaestimaattoripohjaisen integroivan tilatakaisinkytkennän, jonka onnistunut suunnittelu vaatii, että järjestelmä on sekä ohjattavissa että havaittavissa. Yllä mainittujen aihealueiden lisäksi työssä tarvitaan ja esitellään napojen asettelua sekä alipäästösuotimien käyttöä.

Lopuksi työssä simuloidaan järjestelmien vasteita MATLAB-ohjelmistosta löytyvällä Simulinkohjelmalla. Simulaatioissa tutkitaan, kuinka tarkkoja ja nopeita järjestelmien tuottamat askel-, ohjaus- ja häiriövasteet ovat, sekä miten materiaalien tuomat erot näkyvät niissä. Lisäksi tarkastellaan, miten mittauskohina ja -epätarkkuus vaikuttavat simuloituihin vasteisiin.

Työn tuloksista nähdään, että hiilikuituproteesi pystytään virittämään huomattavasti nopeammaksi ja häiriönsietokyvyltään paremmaksi kuin silikoniproteesi, mutta se vaatii selkeästi suurempia ohjausarvoja. Hiilikuituversio on myös alttiimpi mittauskohinasta ja -epätarkkuudesta syntyville ohjausvasteen piikeille, minkä vuoksi mittausta pitää vielä suodattaa 1. kertaluokan alipäästösuotimella. Työn tavoitteissa onnistuttiin toivotulla tavalla, sillä proteeseille saatiin suunniteltua säätimet, jotka tuottivat nopeat ja tarkat vasteet sopivilla ohjausarvoilla kaikissa tutkittavissa osaalueissa. Lisäksi työ osoittaa hyvin, miten materiaalivalinta vaikuttaa jokaiseen tutkittavaan vasteeseen ja kuinka se tulisi huomioida järjestelmän käyttökohteen valinnassa.