Top Banner
International Journal of Advanced Robotic Systems Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial Fields Regular Paper Sho Maeda 1 , Nobutaka Tsujiuchi 1,* , Takayuki Koizumi 1 , Mitsumasa Sugiura 2 and Hiroyuki Kojima 2 1 Doshisha university 2 SQUSE Inc. * Corresponding author E-mail: [email protected] Received 20 Apr 2012; Accepted 07 Jun 2012 DOI: 10.5772/50538 © 2012 Maeda et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract We developed a pneumatic robot arm driven by pneumatic actuators as a versatile end effector for material handling systems. The arm consists of a pneumatic hand and pneumatic wrist. The hand can grasp various objects without force sensors or feedback control. Therefore, this study aims to control the wrist motions to expand the hand motion’s space. The hand mimics the human hand shape and can grasp objects that have different shapes and mechanical characteristics. The wrist has redundant degrees of freedom. This is useful when the robot moves to avoid obstacles. However, the drive mechanism of the wrist has nonlinearity from a mechanical viewpoint. Also, the pneumatic actuators used as the drive source have hysteresis characteristics. These features make the wrist motions difficult to control. Because the wrist is used in material handling systems, its motions need to be freely controlled. Therefore, in this research, experimental models of the drive system of the pneumatic robot wrist have been constructed. With the constructed models, the control systems were designed through simulations. After that, we attempted to control the wrist motions with the constructed controllers. As a result, the wrist models are coincident with wrist motions. Finally, experimental results were obtained that match the simulation results. Keywords Robot Arm, Material Handling, Pneumatic Actuator, Modelling, Simulation, Feedback Control 1. Introduction The population of Japan has started to decrease, leading many in the country to be concerned about its labour force shrinking. In industrial fields, automation of the factories is one way to make up for reduced man power [1]. This leads to other advantages such as making production more efficient and cutting labour costs [2]. Various robots have been used in factories, for example, welding robots and material handling machines in car factories [34]. However, the work robots can perform is limited and there are difficulties adapting these to different environments. This is because most factory robots are controlled by only sequence control. For instance, material handling robots move their end effectors to a specified position, grasp known objects and move the objects to the next specified position. Using only sequence controllers, it is difficult for the robots to work depending on the time and situation. Because of this, the robots cannot adapt to sudden changes in circumstances. To solve this problem, we need to focus on hardware and software. In terms of hardware, we have 1 ARTICLE www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 59:2012
7

Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

Feb 06, 2017

Download

Documents

phamdien
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

International Journal of Advanced Robotic Systems Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial Fields Regular Paper

Sho Maeda1, Nobutaka Tsujiuchi1,*, Takayuki Koizumi1, Mitsumasa Sugiura2 and Hiroyuki Kojima2  1 Doshisha university 2 SQUSE Inc. * Corresponding author E-mail: [email protected]  Received 20 Apr 2012; Accepted 07 Jun 2012 DOI: 10.5772/50538 © 2012 Maeda et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract We developed a pneumatic robot arm driven by pneumatic  actuators  as  a  versatile  end  effector  for material  handling  systems.  The  arm  consists  of  a pneumatic  hand  and  pneumatic  wrist.  The  hand  can grasp  various  objects without  force  sensors  or  feedback control.  Therefore,  this  study  aims  to  control  the wrist motions  to  expand  the  hand motion’s  space.  The  hand mimics the human hand shape and can grasp objects that have different shapes and mechanical characteristics. The wrist  has  redundant  degrees  of  freedom.  This  is  useful when  the  robot moves  to avoid obstacles. However,  the drive  mechanism  of  the  wrist  has  nonlinearity  from  a mechanical  viewpoint.  Also,  the  pneumatic  actuators used  as  the drive  source  have  hysteresis  characteristics. These features make the wrist motions difficult to control. Because the wrist is used in material handling systems, its motions  need  to  be  freely  controlled.  Therefore,  in  this research, experimental models of the drive system of the pneumatic  robot wrist  have  been  constructed. With  the constructed models,  the  control  systems were  designed through simulations. After  that, we attempted  to control the wrist motions with the constructed controllers.  As  a  result,  the wrist models  are  coincident with wrist motions. Finally, experimental results were obtained that match the simulation results.  

Keywords  Robot  Arm,  Material  Handling,  Pneumatic Actuator, Modelling, Simulation, Feedback Control 

 1. Introduction  The  population  of  Japan  has  started  to decrease,  leading many in the country to be concerned about its labour force shrinking. In industrial fields, automation of the factories is one way to make up for reduced man power [1]. This leads to  other  advantages  such  as  making  production  more efficient and cutting  labour costs  [2]. Various  robots have been  used  in  factories,  for  example, welding  robots  and material handling machines in car factories [3‐4]. However, the  work  robots  can  perform  is  limited  and  there  are difficulties adapting  these  to different environments. This is  because  most  factory  robots  are  controlled  by  only sequence  control.  For  instance, material  handling  robots move  their  end  effectors  to  a  specified  position,  grasp known objects and move  the objects  to  the next  specified position. Using only sequence controllers, it is difficult for the  robots  to work depending on  the  time  and  situation. Because of this, the robots cannot adapt to sudden changes in circumstances. To solve this problem, we need to focus on hardware and software. In terms of hardware, we have 

1Sho Maeda, Nobutaka Tsujiuchi, Takayuki Koizumi, Mitsumasa Sugiura and Hiroyuki Kojima: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial Fields

www.intechopen.com

ARTICLE

www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 59:2012

Page 2: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

to develop end effectors  that can grasp various  things.  In terms of software, we need  to combine  image‐recognition techniques with feedback and sequence control techniques [5]. We expect that these combined techniques will enable material handling robots to perform more tasks.  We previously developed a pneumatic robot arm driven by  pneumatic  actuators  as  a  versatile  end  effector. This arm  consists of a pneumatic hand and pneumatic wrist. The hand’s shape is similar to the human hand and it can grasp objects  that have different  shapes  and mechanical characteristics  [6].  However,  the  wrist  has  redundant degrees of freedom. This is useful when the robot moves to avoid obstacles. However, the drive mechanism of the wrist has nonlinearity from a mechanical viewpoint. Also, the  pneumatic  actuators  used  as  the  drive  source  have hysteresis  characteristics. These  features make  the wrist motions difficult to control [7]. Because  the wrist  is used for  handling  materials,  its  motions  need  to  be  freely controlled.  Therefore,  in  this  research,  we  constructed experimental  models  of  the  drive  system  of  the pneumatic robot wrist. With  the constructed models, we designed  the  control  system  through  simulations. After that, we attempted  to control  the wrist motions with  the constructed controllers.  2. Pneumatic Robot Arm  In previous research, we developed a pneumatic robot arm as a versatile end effector. The broad overview of this arm is shown in Fig. 1. The detail view of this hand is shown in Fig. 2. This arm  is  composed of a pneumatic hand and a pneumatic  wrist,  and  we  used  McKibben  pneumatic actuators  as  the  drive  source.  These  actuators  generate force  in response  to applied pressure;  their constitution  is shown  in  Fig.  3.  This  pneumatic  actuator  has  a  dual structure  of  an  internal  membrane  and  external  shell. When  the  internal membrane  is  inflated with compressed air,  the  pressurized  gas  pushes  against  its  external  shell, increasing  its  volume.  The  muscle  radius  increases  and together with radial expansion, the muscle contracts axially and exerts a pulling  force. Also,  the generative  force of a pneumatic  actuator  depends  on  the  air  pressure  and shrinkage  ratio  [8],  and  these  pneumatic  actuators  are driven by low pressure up to 0.2 MPa [9].  The actuators used  in  this  research are divided  into  two main  groups.  The  first  one  is  a  regular  pneumatic actuator,  which  is  between  18‐45  mm.  Its  maximum generative  force  is  14‐25 N.  This  pneumatic  actuator  is smaller  than  the  conventional  one,  therefore,  through fitting  this actuator  to a set of  fingers of a robot hand,  it can move knuckles directly [10]. Moreover, a robot hand consists of 13 regular pneumatic actuators and possesses five fingers, similar to a human hand. Meanwhile, fitting a spring on the back side of a finger enables the finger to 

expand.  In  this way,  a  pneumatic  hand  can  grasp  soft, fragile objects, such as eggs, without force sensors on the fingertips because of the compliance characteristics of the pneumatic actuators [11].  The  second  one  is  a  power  pneumatic  actuator which  is about 70 mm. Because this actuator  is  larger than the first one,  it  has  higher  generative  force  and  is  used  to move parts with higher power. For  this  reason,  in a pneumatic robot  arm,  four  power  pneumatic  actuators  are  used  to drive  the  wrist  and  one  is  used  to  adduct  the  thumb. Furthermore, antagonistic configuration of power pneumatic actuators at  the wrist enables  the wrist  to perform various movements, such as palmar  flexion/dorsal  flexion or radial deviation/ulnar deviation. The mobile region of this wrist is 30 deg in the palmar flexion/dorsal flexion, 20 deg in radial deviation and 25 deg in ulnar deviation. In this research, we aim to control this wrist motion.   

 Figure 1. Pneumatic Robot Arm  

 Figure 2. Detailed View of Pneumatic Hand  

 Figure 3. Mechanism of Pneumatic Actuator  3. Electro Pneumatic Regulator  In this study, we used an electro pneumatic regulator and a compressor to send air into the pneumatic actuator. The regulator  regulates  evacuation  pressure  in  accordance with  the  command voltage  signal. This  section  explains 

Fixed PartBase Plate

Feeding ChannelPneumatic Actuator

Line

2 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 59:2012 www.intechopen.com

Page 3: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

the  characteristics  of  the  regulator.  Experimental conditions  are  determined  in  which  the  pressure provided  from  a  compressor  is  3 MPa  and  the  piping length  between  the  regulator  and  pressure  sensor  (PSE 530; SMC) is 2 m. The command signal is changed from 0 to 4 V by 0.5 V intervals. Results obtained by a command signal of 3 V are shown in Fig. 4. These results reveal the establishment of the pressure by the regulator takes some time.  By  modelling  the  characteristics  of  the  regulator with the experimental results, we attempted to apply the model to a simulation.   First,  the  steady‐state  characteristics  of  the  electro pneumatic  regulator  are  explained. On  the  basis  of  the data obtained from the preceding section, Fig. 5 shows a graph  in which  the horizontal  axis  is  command voltage and  the  vertical  axis  is  steady‐state  pressure.  It  reveals that  the  voltage  is  proportional  to  the  steady‐state pressure. The relationship is expressed as follows:  

                              48.24.49 vP .                           (1)  

In  this  function,  P  means pressure and  v  means  input voltage.  Second,  the  transient  property  of  the  electro pneumatic  regulator  is  explained.  As  above,  the evacuation pressure of a regulator takes 10 sec to reach a steady‐state  value,  therefore,  we  attempted  to  describe the transient property of the regulator with the first order lag system. The lag system is expressed as below:  

                              Ts

sG

1

.                             (2)  

In  this  function,    means  gain  and  T   means  time constant. Gain is determined to be 49.4 from Eq. 1. In this study, we move  the pneumatic wrist  after  applying  100 kPa  to  the  two antagonistic actuators  in  it,  therefore, we apply 100 kPa to the actuators as an initial pressure. Then we  input  a  constant  pressure.  After  that  we  return pressure to 100 kPa. Through this task, the time constant was determined to be 0.111 and the first order lag model is complete. Fig. 6 compares the simulation results of the first order lag model with experimental results when the command  voltage  is  3  V.  This  figure  shows  that  the electro pneumatic regulator cannot be  fully modelled by the first order lag model. Because of this, a new model is needed  that behaves more precisely  than  the  first order lag  model.  The  electro  pneumatic  regulator  obviously needs  to  be  controlled  in  some  way,  therefore,  we attempted to model the regulator with a proportional (P) controller, which is the easiest control system. The system of the regulator is expressed as below:  

                                                        .                        (3)  

                                                                                        (4) 

We assume that the system of the regulator is as shown in Fig.  7.  In  this  system,  ak   means  control  gain,  pe  

deviation  of  pressure,  refP reference  pressure  and  P  output pressure. The  transfer  function when assembling the block diagram is expressed as below:  

sk

sG

a

a 11

1)(

.                             (5) 

 

The  same  formula  with  the  first  order  lag  model  is obtained  if  ak   equals  T/1 ,  which  is  the  same  as  the result of the simulation with the first order lag model. To avoid  this,  we  attempt  to  change  the  value  of  ak  depending on  the pressure deviation.  In other words, as the applied pressure approaches a target value,  it can be stabilized by decreasing  the gain.  In  this  research,  ak   is determined as below by comparing experimental results.  

)101(14.000.901.9 eeka .     (6)  

We name this model the “variable P control model”. Fig. 8 shows  simulation  results  obtained  from  the  variable  P control model. This  figure  indicates  that  these  results are closer to the experimental results than the results with the first order lag model. Therefore, in this research we model the electro pneumatic regulator with variable P control.  

 Figure 4. Output of Electro‐pneumatic Regulator (3V)  

 Figure  5.  Relationship  between  Applied  Voltage  and  Steady‐state Pressure 

0 5 10 15 20 25 30100

110

120

130

140

150

Time [s]

Pres

sure

[kPa

]

SensorReglatorReference

0 1 2 3 40

50

100

150

200

250

Applied Voltage [V]

Pres

sure

[kPa

]

Experiment

paekU

UP

3Sho Maeda, Nobutaka Tsujiuchi, Takayuki Koizumi, Mitsumasa Sugiura and Hiroyuki Kojima: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial Fields

www.intechopen.com

Page 4: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

 Figure 6. Simulation with First Order Lag Model (3V)  

 Figure 7. Block Diagram of P Control System in Regulator  

 Figure 8. Simulation with Variable P Control Model (3V)  4. Experimental Apparatus  Fig.  9  schematically  illustrates  the  experimental apparatus.  We  used  a  PC/AT  compatible  machine  to build programs and monitored the experimental data on MATLAB/Simulink,  connecting  the machine  to  the DSP (dSPACE 1005) with ISA buses to receive the sensor data and  send  the  control  signals  to  the  electro  pneumatic regulator  (IITV00‐04;  SMC).  The  experimental environment  made  it  possible  to  carry  out  the  control experiment with  a  1‐ms  sampling period. The  analogue control  signals  converted by  the DSP’s D/A board were sent to the motors through the motor driver.   The  air  pressure  provided  by  the  electro  pneumatic regulator  was  sent  to  the  antagonistic  actuators  of  the pneumatic  robot  arm.  This made  each  actuator  expand and contract, enabling the wrist to move in various ways. To measure  the angle of  the wrist, gyro sensors  (CRS03‐04; Silicon Sensoring  Japan) were  fixed on  the back and lateral side of the hand. The angle data from these sensors 

were converted by the A/D board of the DSP and shown on a PC monitor.  

  

 

Figure 9. Experimental Apparatus  5. Modelling Of Pneumatic Wrist  5.1 Initial Motion Model of Pneumatic Wrist  To  comprehend  initial  motion  systems  of  the  wrist, pressure  (0  kPa‐200  kPa  by  50  kPa) was  applied  to  the actuators  after  100  kPa  had  been  applied  as  an  initial pressure. The results for palmar flexion/dorsal flexion and radial deviation/ulnar deviation are shown  in  the  left and right graphs,  respectively,  in Fig. 10.  In  these  figures,  the horizontal axis  is applied pressure and vertical axis  is  the steady‐state wrist’s angle. These figures proved that initial motions of the wrist had a dead zone around 100 kPa.   

 

 Figure  10. Relationship between Applied Pressure  and  Steady‐state Angle of Wrist 

10 15 20 25 3080

100

120

140

160

180

Time [s]

Pres

sure

[kPa

]

SensorReferenceSimulation

UperefPak s

1 P-

UperefPak s

1 P-

10 15 20 25 3080

100

120

140

160

180

Time [s]

Pres

sure

[kPa

]

SensorReferenceSimulation

0 50 100 150 200

-30

-20

-10

0

10

20

30

Pressure [kPa]

Ang

le [d

eg]

ExperimentModel

0 50 100 150 200-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Pressure [kPa]

Ang

le [d

eg]

ExperimentModel

 

  

 

Host PC

  dSPACE

Gyroscope 

MATLAB/SimulinkControl Program

PC/AT Compatible Machine

DSP

DS1005 

( Core2 Quad 3.00GHz ) 

Robot ArmPneumatic 

 

Pneuamtic  

RegulatorElectro‐Pneumatic 

Actuator 

4 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 59:2012 www.intechopen.com

Page 5: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

5.2 Several Motions of Pneumatic Wrist  After applying initial pressure (100 kPa), we changed the applied pressure by 50 kPa in a staircase pattern. (Fig. 11) The  results  of  palmar  flexion/dorsal  flexion  and  radial deviation/ulnar deviation are shown  in the  left and right graphs,  respectively,  in  Fig.  12.  In  these  figures,  the horizontal  axis  is  applied  pressure  and  vertical  axis  is steady‐state wrist angle. These  figures  indicate  that both motions  have hysteresis  characteristics. This means  that the angle of the wrist varies in spite of the same pressure being applied depending on  the context. Moreover,  they indicate  that  characteristics  change  depending  on  the actional direction of the wrist. Using these characteristics, we attempted  to model  the wrist. We put  this hysteresis loop  into  four  segments. The  right  and  left  segments  in the  hysteresis  loop  are  defined  as  lines  1  and  2, respectively.  Lines 1 and 2 are obtained when  the wrist moves  in  the plus direction (dorsal flexion or ulnar deviation) and the minus  direction  (palmar  flexion  or  radial  deviation), respectively. The straight line transits in a constant slope between lines 1 and 2.  For palmar flexion/dorsal flexion, the lines are expressed as follows:  

)2(7.25336.0)1(1.46378.0

linePlineP

.   (7) 

 

The  slope  of  the  straight  line  that  transits  between  the lines is determined to be 0.0803.  For  radial  deviation/ulnar  deviation,  the  lines  are expressed as below:  

)2(8.17306.0)1(7.31280.0

linePlineP

.  (8) 

 

The  slope  of  the  straight  line  that  transits  between  the lines is determined to be 0.0557.   and  are the angle of the wrist.  Therefore,  in  this  research,  we  name  the  model  a “hysteresis model”. Moreover,  the  initial motion model and  the  transient property of  the wrist are added  to  the hysteresis model. The  transient property  is expressed by the first order lag model.  

ssGa 221.01

1)(

.               (9) 

 

The  pneumatic  wrist  model  includes  this  transient property. The electro pneumatic regulator model and the wrist model were combined and named the “wrist drive system”.  We  ran  a  simulation  of  this  system  and 

compared  the  results  with  those  from  the  experiment. The  results  of  palmar  flexion/dorsal  flexion  and  radial deviation/ulnar deviation are shown  in the  left and right graphs,  respectively,  in  Fig.  13.  The  results  of  radial deviation/ulnar  deviation were  less  coincident with  the experiment  data  than  those  of  palmar  flexion/dorsal flexion. This  is because  errors were generated when we approximated the hysteresis model with four segments in radial  deviation/ulnar  deviation.  However,  in  both motions,  the  hysteresis  model  was  relevant  enough  to validate the simulation.  Therefore,  the  control  system  was  constructed  by adopting these models as a pneumatic wrist model.   

 Figure 11. Relationships between Applied Pressure and Time  

 

 Figure 12. Hysteresis Loop of Pneumatic Wrist Motions 

0 10 20 30 40 50

0

50

100

150

200

Time [s]

Pres

sure

[kPa

]

Experiment

0 50 100 150 200-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Pressure [kPa]

Ang

le [d

eg]

Experiment

0 50 100 150 200-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Pressure [kPa]

Ang

le [d

eg]

Experiment

5Sho Maeda, Nobutaka Tsujiuchi, Takayuki Koizumi, Mitsumasa Sugiura and Hiroyuki Kojima: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial Fields

www.intechopen.com

Page 6: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

 Figure 13. Simulation of Pneumatic Wrist Motions  6. Controllers  6.1 PI Controller  After  it  was  provided  with  a  constant  pressure,  the pneumatic  wrist  did  not  necessarily  revert  to  the  first position even  though  the previous pressure  is reapplied. This  was  because  pneumatic  actuators  have  hysteresis characteristics.  To  make  up  for  this  phenomenon,  we controlled  this  wrist  with  a  PI  controller.  The  control output is expressed as follows:  

0VedtkekV ipcontrol .                 (10)  

where  0V   is  the  initial voltage.  In  this research, because the wrist  is moved by  the actuators  that have about 100 kPa applied,  0V  was determined to be 2.00. The first term on  the  right‐hand  side  in  this  equation  is  a  component that is proportional to deviations and generates an output depending  on  the  deviation.  The  second  is  integral calculus  of  deviations, which  helps  to  decrease  steady‐state error.  The control performance of PI controller was determined by  two  kinds  of  gain  pk and  ik .  To  determine  these gains,  the  simulations were  run with  the  control model 

discussed  earlier. We  constructed  the  feedback  systems with  a  PI  controller  by  creating  the  control  model  in MATLAB/Simulink.  To  determine  the  parameters,  the control  simulation was  run with  a  step  signal  (15  deg). The  restraint  conditions  of  the  simulations  were  as follows: 

ref 05.1max .                (11)  

00.4max controlV .                 (12)  

dteJ 2  .                        (13)  

where  max  is the maximal value of the wrist angle and 

ref  is the angular target value in the simulation. Eq. 11 

and  Eq.  12  are  respectively  the  conditions  of  the overtaking and saturation of the pneumatic wrist. Finally we want to obtain a control gain that shrinks  J  in Eq. 13.  For  several  motions,  ref   is  15  deg.  Through  this 

simulation,  pk was determined  to be 0.108 and  ki  0.401 for  palmar  flexion/dorsal  flexion.  For  radial deviation/ulnar  deviation,  pk   was  determined  to  be 

0.110 and  ki  0.370.   7. Control Experiments  We aimed to keep the wrist constant by  inputting a step signal  (15  deg). We  used  a  PI  controller  as  the  control system.  7.1 Palmar Flexion‐Dorsal Flexion  Fig.  14  shows  the  palmar  flexion/dorsal  flexion experimental  and  simulation  results.  This  figure  shows that  experimental  results  are  similar  to  the  simulation results,  therefore,  the model  could precisely  express  the palmar flexion/dorsal flexion.   

 Figure 14. Results of Fixed Command Control (Palmar Flexion/Dorsal Flexion) 

0 10 20 30 40 50

-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [s]

Ang

le [d

eg]

ExperimentModel

0 10 20 30 40 50-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [s]

Ang

le [d

eg]

ExperimentModel

0 5 10 15-5

0

5

10

15

20

25

Time [s]

Ang

le [d

eg]

ExperimentReferenceSimulation

6 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 59:2012 www.intechopen.com

Page 7: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial ...

7.2 Radial Deviation‐Ulnar Deviation  Fig.  15  shows  the  radial  deviation/ulnar  deviation experimental  and  simulation  results.  This  figure  shows that  there  are  errors  at  about  6  sec  between  the experimental  results  and  the  simulation  results.  This  is because of  the errors  that were generated by  linearizing the  hysteresis  loop.  In  spite  of  these  errors,  because control  results  required  simulation  conditions,  sufficient control results could be obtained.  

 Figure 15. Results of Fixed Command Control (Radial Deviation/Ulnar Deviation)  8. Conclusion  In this research, we developed a system with a pneumatic robot  arm  for  application  to  material  handling  in industrial fields. We constructed the control system of the robot’s wrist  and  tested  it  in  a  control  experiment. The following conclusions were drawn: 1) We  tested  an  electro  pneumatic  regulator  and  the characteristics were expressed with a model using a variable P controller.  

2) For  several motions,  performance  characteristics  of the  wrist  are  expressed  with  a  model  that  was obtained  from  comprehending  its  hysteresis characteristics and transient properties. 

3) We constructed a feedback control that  included the electro pneumatic  regulator’s model and pneumatic wrist’s  model.  Then,  we  designed  a  PI  controller through simulations. 

4) The controlled experiment of the designed controller indicated that experimental results could be obtained that match simulation results. 

 9. Acknowledgments  This  study was partially  supported  by Grant‐in‐Aid  for Scientific  Research  (A)(23246041),  Japan  Society  for  the Promotion of Science.   

10. References  [1] T.  Yukawa  and  H.  Okano,  “Trends  and  future  of 

robots for medical and welfare uses. Development of robotics  for  medical  and  welfare  uses  in  Akita Prefecture,  Japan”,  Metals  Science  &  Technology, Vol.76 No.1 pp.4‐6 (2006). 

[2] K.  Tamaki  and  SY  Nof,  “Design  method  of  robot kitting  system  for  flexible  assembly”,  Robotics  and Autonomous  Systems ,  Vol.8, No.4,   pp.255‐273, (1991). 

[3] B. Aksoy and AY. Orbak, “Reducing the Quantity of Reworked Parts  in a Robotic Arc Welding Process”, Quality  and  Reliability  Engineering  International, Vol.25, No.4, pp.495‐512 (2009).  

[4] T.  Bob ,  “Flexible  and  sustainable  materials handling ”,  Modern  Material  Handling,  Vol.64,  No.1, pp.27‐28, (2009).      

[5] M. Ejiri and S. Kashioka, H. Ueda, “The application of  image  processing  technology  to  industrial automation”,  Computers  in  Japanese  Industry, Vol.5 No.2, pp.107‐113 (1984). 

[6] N. Tsujiuchi, T .Koizumi, S. Nishino, H. Komatsubara, T. Kudawara, M.Hirano, “Development of Pneumatic Robot  Hand  and  Construction  of  Master‐Slave System”,  Journal  of  System  Design  and  Dynamics, Vol. 2, pp.1306‐1315, (2008).    

[7] RB.  Wiener  and  WA.  Cebuhar,  “Nonlinear Compensation  for  Pneumatic  Actuators  with Hysteresis”, IEEE Control Systems Magazine, Vol.25, No.6, pp.32‐44, (2005)  

[8] S.  Željko  and H.  Srecko,  “Design  and Control  of  a Manipulator  Arm  Driven  by  Pneumatic  Muscle Actuators”,  Control  and  Automation,  2008  16th Mediterranean Conference on, pp.926 – 931, (2008).   

[9] CP.  Chou  and  B.  Hannaford,  “Measurement  and Modeling  of  McKibben  Pneumatic  Artificial Muscles”,  IEEE  Trans.  Robot  Autom.,Vol.12  No.1 pp.90‐102, (1996).   

[10] N. Tsujiuchi, T. Koizumi, S. Shirai, T. Kudawara, and Y. Ichikawa, “Development of a low pressure driven pneumatic  actuator  and  its  application  to  a  robot hand”,  The  32nd  Annual  Conference  of  the  IEEE, pp.3040‐3045, (2006). 

[11] U.  Tsach,  R.  Melamed  and  TJ.  Garrison, “Development  of  a  versatile  multiple  prehension, compliance  controlled  robotic  end‐effector”,  ASME DE, Vol.10, No.Vol.2, pp.25‐29, (1987).  

     

0 5 10 15-5

0

5

10

15

20

25

Time [s]

Ang

le [d

eg]

ExperimentReferenceSimulation

7Sho Maeda, Nobutaka Tsujiuchi, Takayuki Koizumi, Mitsumasa Sugiura and Hiroyuki Kojima: Development and Control of a Pneumatic Robot Arm for Industrial Fields

www.intechopen.com