A New Type of Motor: Pneumatic Step Motor
Dan Stoianovici, Alexandru Patriciu, Member, IEEE, Doru Petrisor, Dumitru Mazilu, Member, IEEE, and Louis Kavoussi
Abstract—This paper presents a new type of pneumatic motor, a pneumatic step motor (PneuStep). Directional rotary motion of discrete displacement is achieved by sequentially pressurizing the three ports of the motor. Pulsed pressure waves are generated by a remote pneumatic distributor. The motor assembly includes a motor, gearhead, and incremental position encoder in a compact, central bore construction. A special electronic driver is used to control the new motor with electric stepper indexers and standard motion control cards. The motor accepts open-loop step operation as well as closed-loop control with position feedback from the en- closed sensor. A special control feature is implemented to adapt classic control algorithms to the new motor, and is experimentally validated. The speed performance of the motor degrades with the length of the pneumatic hoses between the distributor and mo- tor. Experimental results are presented to reveal this behavior and set the expectation level. Nevertheless, the stepper achieves easily controllable precise motion unlike other pneumatic motors. The motor was designed to be compatible with magnetic resonance medical imaging equipment, for actuating an image-guided inter- vention robot, for medical applications. For this reason, the motors were entirely made of nonmagnetic and dielectric materials such as plastics, ceramics, and rubbers. Encoding was performed with fiber optics, so that the motors are electricity free, exclusively using pressure and light. PneuStep is readily applicable to other pneu- matic or hydraulic precision-motion applications.
Index Terms—Image-guided intervention, magnetic resonance imaging (MRI) compatibility, medical robotics, pneumatic hy- draulic motor, step motor, stepper.
- INTRODUCTION
P
NEUMATIC actuation is commonly used in industrial and commercial applications for its low cost, compact size,
high power-to-weight ratio, reliability, and low maintenance. In many cases, these characteristics make it preferable over electric actuation, especially when a supply of air is readily available. The major limitation of classic pneumatic actuators, rotary or linear, has been their reduced precision in controlled motion [1]. This is mainly caused by air compressibility and friction in
Manuscript received December 23, 2005; revised June 30, 2006. Recom- mended by Technical Editor I.-M. Chen. This work was supported by the Na- tional Cancer Institute (NCI) of the National Institutes of Health (NIH) under Grant CA88232.
The authors are with the the URobotics Laboratory, Johns Hopkins Uni- versity School of Medicine, Baltimore, MD 21224 USA (e-mail: dss@jhu
.edu; patriciua@cc.nih.gov; doru@urology.jhu.edu; mazilud@nhlbi.nih.gov; kavoussi@nshs.edu).
This paper has supplementary multimedia material available at http:// ieeexplore.org, provided by the author. The material includes three short mpg movies. movie1.mpg shows an animation of the kinematic diagram of the PneuStep motor. movie2.mpg is a CAD rendered animation of the hoop and central gears on the 3P mechanism. movie3.mpg is an “open hood” movie of the motor in motion connected to the mechanical distributor. The movies are MPG1 format and work with various players including Windows Media Player and Quick Time Player applications.
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the valve [2] and actuator, which make the pump-line-actuator dynamic system highly nonlinear. Novel hardware [3], [4] and pneumatic-servo control [5], [6] solutions have been proposed to cope with these problems, and impressive results have been achieved in force control [7], [8] and speed regulation [9]. Nevertheless, these complex solutions require special care, and so most practical applications are still limited to unregulated pneumatic motion.
Alternatively, this paper presents a new approach, which, in certain applications, may circumvent the pneumatic-servo problems, by introducing a pneumatic step motor.
Somewhat similarly, steam engines operate on the pressure of steam, and motion could be quantified with each stroke of the piston. In fact, several pneumatic motors include such de- signs, e.g., a British company1 makes a series of three-cylinder air motors with a central output crank. The crank engages a ro- tary air distributor, which commutes the air supply to the three cylinders. Most recently, the company added proximity sensors to the cylinder heads for encoding the strokes of the piston. De- spite their claim, Dynatork motors are not step motors because they operate on a continuous supply of air with internal com- mutation, thus being better compared with brushed dc electric motors. Dynatork motors cannot take and hold a step command. PneuStep is the result of four years of experimental research. We have also reported several other versions of hydraulic step- per motors [10]. One of those versions, the “harmonic motor” is somewhat similar to an earlier pneumatic motor reportedly applied to an industrial paper mill machine in the 1980s [11]. Harmonic motors use fluid power to deform the flex spline of a harmonic drive in place of the common mechanic wave genera- tor. Another version that we previously reported, the “planetary motor” [10], is the latest precursor of the PneuStep design pre- sented here.
This development was performed for medical applications, under a project for creating a robot that can precisely oper- ate within the closed bore of high-intensity magnetic resonance imaging (MRI) equipment. This allows for performing remote procedures within the scanner under MRI guidance. The diag- nostic and therapy potential
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一种新型马达：气动步进马达
Dan Stoianovici, Alexandru Patriciu, IEEE专业会员, Doru Petrisor, Dumitru Mazilu, IEEE专业会员, and Louis Kavoussi
摘要-本文介绍了一种新型气动马达，气动步进马达(Pneu Step)。离散位移的定向旋转运动是通过对马达的三个端口进行顺序加压来实现的。脉冲压力波是由远程气动分配器产生的。整机为马达，齿轮头和增量位置编码器在一个紧凑的中心孔结构。采用专用电子驱动器，用电动步进分度器和标准运动控制卡对新马达进行控制。马达接受开环步进操作以及位置反馈来自封闭传感器的闭环控制。实现了一种特殊的控制特性，使经典的控制算法适应于新马达，并进行了实验验证。马达的速度性能随着分配器和马达之间气动软管的长度而降低。实验结果揭示了这种行为，并设定了期望水平。然而，步进马达与其他气动马达不同，它可以轻松实现精确的可控运动。该马达被设计为兼容磁共振医学成像设备，用于驱动图像引导的交互式机器人，用于医疗应用。出于这个原因，马达完全是由非磁性和介电材料制成的，如塑料、陶瓷和橡胶。编码是用光纤进行的，因此马达是无电的，完全使用压力和光。气动步进马达适用于其他气动或液压精密运动的应用中。
关键词-图像引导干预，磁共振成像(MR I)兼容性，医学机器人，气动液压马达，步进马达，步进器。
1.前言
气动驱动因其低成本、紧凑的尺寸，在工业和商业应用中被广泛使用。高功率重量比，可靠性，低维护..在许多情况下，这些特性使它比电驱动更可取，特别是当空气
手稿收到2005年12月23日；2006年6月30日修订。由技术编辑I.-M.Chen推荐。这项工作得到了国家卫生研究所国家癌症研究所(N CI)在CA88232赠款下的支持。
作者在美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院Urobotics实验室(电子邮件： dss@jhu.edu； patricua@cc.nih.gov； doru@urology.jhu.edu； mazi lud@nhlbi.nih.gov； kavoussi@nshs.edu)。
本文有作者提供的补充多媒体材料，可在http://ieeexplore.org，上查阅。该材料包括三部短片。影片1.mpg显示了一个动画的运动图的PNEU步进电机。影片2.mpg是一个CAD渲染动画的环和中央齿轮在3P机构。影片3.mpg是一个“打开引擎盖”影片的电机在运动中连接到机械分配器。影片是M PG1格式，并与各种播放器，包括Windows媒体播放器和快速时间播放器应用程序。
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供应是现成的。经典气动执行器的主要限制，无论是旋转的还是线性的，都使它们在控制运动中的精度降低 [1]. 这主要是由空气压缩性和摩擦引起的。阀门[2]和执行器，使泵-管路-执行器动态系统高度非线性。为了解决这些问题，提出了新的硬件[3]、[4]和气动伺服控制[5]、[6]解决方案，并在控制[7]、[8]和调速[9]方面取得了令人印象深刻的结果。然而，这些复杂的解决方案需要特别的注意，因此大多数实际应用仍然局限于不受管制的气体运动。
本文提出了一种新的方法，在某些应用中，可以通过引入气动步进马达来规避气动驱动问题。
蒸汽机依靠蒸汽的压力工作，运动可以用活塞的每一次冲程来量化。事实上类似的，几个气动马达包括了这样的设计，例如，一家英国公司制造了一系列具有中央输出曲柄的三缸空气马达。曲柄连接一个旋转空气分配器，它将空气供应传递到三个气缸。最近，该公司在气缸盖上添加了接近传感器，用于编码活塞的冲程。尽管他们声称，Dynatork马达不是步进马达，因为它们在内部换向的持续空气供应下运行，但还是比有刷直流电动机更好。Dynatork电机不能采取和持有一个步骤命令。气动步进马达是四年实验研究的成果。我们还报告了其他几个版本的液压步进马达[10]。其中一个版本，“谐波马达”有点类似于早期的气动马达，据报道，在20世纪80年代应用于工业造纸机[11]。谐波马达利用流体动力使谐波驱动器的挠曲样条变形，以取代常见的机械式波浪发生器。我们以前报道的另一个版本，“行星电机”[10]，是这里介绍的气动步进马达设计的最早原型。
这一发展是在医疗应用下进行的，在一个项目下，创造一个机器人，可以精确地在高强度磁共振成像(MRI)设备的封闭内径。这允许在MRI指导下在扫描仪内执行远程操作。系统的诊断和治疗潜力非常显著，因为MRI是软组织成像的首选方法..该图像为操纵机器人提供了路线图。这可以做到，例如，将一根针精确地扎在一个小肿瘤的中心，在图像中可视化，执行以肿瘤为中心的活检。今天，活检程序通常用随机抽样技术进行。该机器人的使用可以降低假阴性采样的发生率。一个由气动步进马达驱动的机器人已经完成，目前正在评估中。
1Dynatork Air Motors, Hertford, U.K., http://www.dynatork.co.uk/
1083-4435/$25.00 copy; 2007 IEEE
制造MRI机器人是一项非常具有挑战性的工程任务。核磁共振扫描仪使用非常高的磁场密度[几个特斯拉(T)]，具有脉冲磁场和无线电频率场。为MRI介入创造被动仪器需要仔细选择非磁性的材料，最好是介电性能为[10]的材料。在积极执行的情况下，确保MRI的兼容性是一个更加困难的任务，因为涉及驱动和传感的能量不应该干扰成像仪的功能。
通常用于机器人的电磁马达在原理上是不兼容的。 该领域的机器人研究一致使用超声波（压电）电机[12]-[15]。 这些是无磁性的，但仍然存在导电元件，如果操作距离图像中心0.5米以上，则使用电将产生图像失真[14]。 气动驱动是一个基本上完美的替代MRI兼容性。 气动技术已被用于手持式钻孔仪器[16]和机器人末端执行器设计[14]中的测试，但尚不能参与精确控制的运动。
我们所有的气动步进马达原型都是完全MRI兼容的(MRI是半透明的，在医学上是安全的，而且是精确的)，由非磁性和介电材料构成，使用空气压力进行操作，使用光进行光纤编码。在其他应用中，马达可以由金属部件构成，以提高机械性能和耐久性，并可能采用液压操作，以获得更高的扭矩/尺寸比。
2.马达动力学
气动步进马达的发明是基于一个简单的说法，即活塞在其气缸内的端到端运动总是精确的。这可以通过简单地给气缸加压来实现，比用气动伺服控制在中程定位活塞要容易得多。步进马达的设计目的是在旋转运动中连续收集小的端到端运动冲程。步进是由行程结束动作产生的。
采用一种新的运动学原理来解释步进运动，并用相同的机构使之减速。马达主体是旋转的，但集成的齿轮头可以配置为旋转或线性输出的各种步长。
马达的工作原理图如图1所示。虽然运动是平面的(XY)，但示意图用一个等距视图来说明平面外的组件。马达由D1、D2、D3三个隔膜气缸驱动，接地底座7。它们沿轴13呈放射状等距分布，轴13是机构的中轴。气缸6通过它们的端口8增压，即作用在横膈膜9上的压力。这些是通过连杆10连接到内部齿轮1的外部部分。齿轮1是由等曲柄平行四边形机构C1、 C2、 C3通过3根连杆5支承的。曲柄也沿同一中心轴呈放射状放置，横膈膜之间间隔相等。曲柄的基础轴承3接地，曲柄轴承4支撑连杆5。内部齿轮1与中心齿轮11啮合，由接地轴承12支撑在中心轴上。
图1 气动步进马达工作原理图。
上面介绍的几个部件构成了一个刚性部件/总成，称为“箍-齿轮”。这些部件是内齿轮1、三根连杆5、三根连杆10。环齿轮连接到曲柄C1, C2和C3形成三平行四边形(3P)机构:C1-C2, C2-C3, C3-C1。该支撑机构将齿轮约束在平动圆(TC)轨道上。圆环齿轮不旋转，但它沿圆周运动，它的任何一点都代表一个圆。
在隔膜气缸D1、D2和D3的压力作用下，将箍-齿轮从各自的气缸中分离出来，从而使箍-齿轮处于运动状态。3P机构确保三个曲柄具有相同的旋转，并耦合三个横隔膜的运动。曲柄的定向旋转是通过连续加压隔膜alpha;c来实现的。因为箍-齿轮在圆上平移,它的齿与直齿圆柱齿轮接触啮合，导致它向相反的方向旋转(alpha;g)，从而得到马达组件的旋转输出。影片1中展示了一个动画，在动作上与20世纪50年代加州Wham-0制造商的呼啦圈玩具有相似之处，不过方式是相反的。
在功能上，气动步进马达机构呈现两个部件：马达和齿轮头。马达由隔膜气缸D1-D3、曲柄C1-C3和箍-齿轮表示。即使在没有中央直齿圆柱齿轮的情况下，曲柄的旋转运动是由隔膜产生的，所以马达本身的假设输出是曲柄的运动。同时，C1-C3曲柄、箍-齿轮和正齿轮可分别作为传动装置。如果将旋转运动应用到曲柄上，则分路旋转是在齿轮上。对于马达，这些部件充当齿轮头。
齿轮的传动比可表示为：
alpha;c Zg
= =
T minus;
with Z
gt;Z . (3)
h g
alpha;g Zh minus; Zg
这表明，传动比可能高达Zg。齿轮头减少了马达步长T倍的尺寸。
图2 传动比和步长
这种部件的分类表明曲柄和箍-齿轮在设计中起着双重作用，无论是在马达还是齿轮头上。为此，该机构的功能作为一个组件，其齿轮头是不可拆卸的，就像经典的齿轮头设计的情况一样。
双角色组件是3P机制的一部分。一个平行四边形机构(1P)也提出了TC运动。然而，3P机构消除了1P机构的典型奇异性质。只有当曲柄和连杆对齐时，才会发生这种情况。对于一个3P机制，可能永远不会发生同时对齐，使其具有奇异性。其结果是必须精确地构建3P机制，因为它是过度约束的，或者，可以在其中一个曲柄上添加一个顺应的机构。
步进运动是通过对双膜片按顺序加压来实现的。方向由序列的顺序给出，即 D1-D2-D3序列为-z旋转，D1-D3-D2序列为 z旋转。马达的步长是120◦曲柄旋转。常见的半步操作可以减少两倍的步长，还可以提高运动性能。对于电动步进电机，这一措施大大减少了步进电机负载动态系统的共振问题，已得到多种速度上的验证。
在D1-D1D2-D2-D2D3-D3-D3D1序列中，通过交替进行单相和双相操作来实现半步，如影片1中所述。马达曲柄输出有六个步骤/转。
齿轮传动比和马达步长:TC运动的半径由等曲柄的偏心e给出(图2)，齿轮滚动状态为
(1)
其中PDh和PDg分别是箍和直齿轮的螺距直径。 箍(Zh)和齿轮(Zg)齿的数目与相同的齿轮模数M有
（2）
3.马达设计
图3给出了马达设计和两个中心截面的等距表示。该图数值上确定了运动学图的元素，并确定了附加的构造组件。该马达呈圆柱状的阀体7被盖15关闭。隔膜气缸D1-D3内置在阀体内。隔膜9通过一个环16和汽缸盖17螺纹连接在阀体上。膜片的活动侧与箍-齿轮14相连，在两个垫圈19、20之间有一个螺钉18。注意，垫圈20是用来减小箍-齿轮14的尺寸，使其能够在阀体7内装配。箍-齿轮 14由三个曲柄C1-C3支撑，曲柄C1-C3由三个相同的偏心轴构成(影片2)。每个轴轴承包括一个曲柄部件2(带偏心孔的圆柱形)、一个轴22、一个衬套21和四个轴承3、4。中心齿轮11在两侧由轴承12支撑。为了紧凑，这些轴承的环建立在身体和盖零件7, 15，并使用夹层蓝宝石和聚四氟乙烯球(滚动保持架设计)。
如果需要马达的平移输出，则中心齿轮11呈现内部螺纹24 以接合螺钉部分（不表示）。 衬套23、滚子24和销25是出于相同的原因而包括的，即支持和定向螺钉轴（在空间允许的情况下，呈现相反的平面以供定位，最好是三个或四个面）。 中心孔具有旋转输出，便于驱动贯通式负载轴。
马达运动学中的一个重要观察是膜片的运动不是直线的。隔膜连接到环罩上，它表现出TC运动。 因此，膜片的中心部分描述了圆周运动。 这种不寻常的轨迹需要特殊的设计和制造考虑，以防止隔膜的过早磨损，并允许持续的占空比。膜片的横向位移直接关系到曲柄的偏心，应与其他设计参数仔细协调。
其次，这种结构还应该允许隔膜在其阀座下有足够的横向间隙，这样它就可以在没有拉伸和楔入的情况下自由活动。建设性地，我们使用了一个隔膜制成的，涂有硅橡胶的薄尼龙织物，硫化其汽缸表面。保持外侧无涂层可以减少与下方侧壁的摩擦。我们还观察到，横隔膜织物的织造方向对其横向柔韧性有重要影响，并最终影响其使用寿命。织物更容易在编织的对角线方向拉伸。因此，织物应选用对角挠性较高的织物，并组装隔膜，使其挠性方向与横向位移方向对齐(图3中的B-B平面)。
图3 等距视图和马达的两个中心截面
表一
马达材料
膜片刚度产生的是不希望发生的制动扭矩(转动非增压马达所需的转矩)。为了MRI的兼容性，马达是由表一中列出的材料组成的。
如图4构造了两个马达尺寸，总体尺寸为70mm，20mm，25mm。较大的一个尺寸是85mm外
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