Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

11
International Journal of Advanced Robotic Systems Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator Regular Paper Alexander Hošovský, Jozef Novák-Marcinčin * , Ján Piteľ, Jana Boržíková and Kamil Židek Faculty of Manufacturing Technologies, Technical University of Košice, Slovakia * Corresponding author E-mail: [email protected] Received 24 Apr 2012; Accepted 31 May 2012 DOI: 10.5772/50347 © 2012 Hošovský 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 Pneumatic artificial musclebased robotic systems usually necessitate the use of various nonlinear control techniques in order to improve their performance. Their robustness to parameter variation, which is generally difficult to predict, should also be tested. Here a fast hybrid adaptive control is proposed, where a conventional PD controller is placed into the feedforward branch and a fuzzy controller is placed into the adaptation branch. The fuzzy controller compensates for the actions of the PD controller under conditions of inertia moment variation. The fuzzy controller of TakagiSugeno type is evolved through a genetic algorithm using the dynamic model of a pneumatic muscle actuator. The results confirm the capability of the designed system to provide robust performance under the conditions of varying inertia. Keywords Fuzzy Controller, Adaptive Control, Evolution Process, Pneumatic Artificial Muscle 1. Introduction Pneumatic artificial muscles (PAM) belong to the group of nonstandard actuators with interesting properties rather akin to the properties of biological muscles (hence the name). These actuators offer several appealing characteristics that, however, do not come without some cost. On the one hand are their advantageous power/weight ratio, natural compliance, cleanness and structural simplicity, on the other are their nonlinear character, hysteresis, as well as other issues associated with pneumatic systems in general (nonnegligible time delay and the need for bulky power sources). Nevertheless, a lot of effort has gone into PAMbased systems research corroborated by a number of various works, for example see [15]. There are basically two main areas for which various PAM applications have been proposed: robotics [69] and biomedical engineering [1012]. Each of these areas has its specific requirements causing the selected approaches for a PAMbased system design to differ slightly. Here an industrial application for a PAMbased system is envisaged in connection with previous works and proposals [13,14]. The modelling of pneumatic artificial muscles as a part of control system design was the subject of study from the very beginning of renewed interest in PAMs as 1 ARTICLE www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012

Transcript of Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

Page 1: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

International Journal of Advanced Robotic Systems Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator Regular Paper

Alexander Hošovský, Jozef Novák-Marcinčin*, Ján Piteľ, Jana Boržíková and Kamil Židek  Faculty of Manufacturing Technologies, Technical University of Košice, Slovakia * Corresponding author E-mail: [email protected] Received 24 Apr 2012; Accepted 31 May 2012 DOI: 10.5772/50347 © 2012 Hošovský 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 Pneumatic  artificial muscle‐based  robotic  systems usually  necessitate  the  use  of  various  nonlinear  control techniques  in  order  to  improve  their  performance.  Their robustness  to  parameter  variation,  which  is  generally difficult to predict, should also be tested. Here a fast hybrid adaptive  control  is  proposed,  where  a  conventional  PD controller is placed into the feedforward branch and a fuzzy controller  is  placed  into  the  adaptation  branch. The  fuzzy controller compensates  for  the actions of  the PD  controller under  conditions  of  inertia moment  variation.  The  fuzzy controller  of  Takagi‐Sugeno  type  is  evolved  through  a genetic algorithm using the dynamic model of a pneumatic muscle  actuator.  The  results  confirm  the  capability  of  the designed  system  to provide  robust performance under  the conditions of varying inertia.   Keywords Fuzzy Controller, Adaptive Control, Evolution Process, Pneumatic Artificial Muscle 

 1. Introduction  Pneumatic artificial muscles  (PAM) belong  to  the group of  non‐standard  actuators  with  interesting  properties 

rather akin to the properties of biological muscles (hence the  name).  These  actuators  offer  several  appealing characteristics that, however, do not come without some cost.  On  the  one  hand  are  their  advantageous power/weight  ratio,  natural  compliance,  cleanness  and structural  simplicity,  on  the  other  are  their  nonlinear character,  hysteresis,  as well  as  other  issues  associated with pneumatic  systems  in  general  (non‐negligible  time delay  and  the  need  for  bulky  power  sources). Nevertheless,  a  lot  of  effort  has  gone  into  PAM‐based systems  research  corroborated  by  a number  of  various works, for example see [1‐5]. There are basically two main areas  for  which  various  PAM  applications  have  been proposed: robotics  [6‐9] and biomedical engineering  [10‐12].  Each  of  these  areas  has  its  specific  requirements causing the selected approaches for a PAM‐based system design to differ slightly. Here an industrial application for a  PAM‐based  system  is  envisaged  in  connection  with previous works and proposals [13,14].  The modelling of pneumatic artificial muscles as a part of control system design was  the subject of study  from  the very  beginning  of  renewed  interest  in  PAMs  as 

1Alexander Hošovsk, Jozef Novák-Marcinčin, Ján Pitel’, Jana Boržíková and Kamil Židek: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator

www.intechopen.com

ARTICLE

www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012

Page 2: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

a perspective  actuator  in  the  aforementioned  areas starting with works like [15]. Quite a detailed analysis of a pneumatic artificial muscle was carried out in [1], which became  one  of  the  basic  works  for  devising  analytical models of PAMs. Also of great importance was the work [2], where  a  comprehensive  treatise of modelling  of  the whole PAM‐based actuator was presented. These works were  followed  by  others  where  models  for  specific applications  [7]  or  muscle  type  [16]  were  derived. Enhanced modelling  of  a PAM was  carried  out  in  [17] where  a  detailed  description  of  the  muscle’s  elastic properties  was  utilized.  In  [18]  a model  for  FESTO muscles intended for a robotic application was developed using  the  virtual  work  principle  and  refined  shape modelling. Also in [19] a dynamic model of PAM for use in  a  resistive  training  device was  devised. A  review  of some  of  the  approaches  to  modelling  of  PAMs  was presented in [20].  The  accurate  control  of  a  PAM‐based  system  has remained  a challenging  task.  A natural  consequence  of PAM’s nonlinear and hysteretic behaviour was the effort to apply various advanced control techniques. One of the early works was  [21] where  a neural network was used for controlling a rubbertuator arm. In [22] three different nonlinear  control methods  (robust backstepping,  sliding mode  and  gain  scheduling) were  tested  for  controlling a pneumatic  actuator.  The  work  [23]  presented  an adaptive  robust  control  strategy  for  precise  posture trajectory tracking in a parallel manipulator while a fuzzy predictive  control  algorithm was used  in  [24]  to  control the position of a pneumatic artificial muscle. Researchers in  [25]  used  a  learning  vector  quantization  neural network to estimate the external inertia load according to which the optimal gains for a PID controller were set.   The fusion of genetic algorithms and fuzzy logic was also applied in numerous works in robotics. In [26] the results for  a fuzzy  controller  optimized  using  an  ant  colony algorithm and particle swarm optimization are compared to the previous results obtained using genetic algorithms. Authors  in  [27,28] used  the  fusion of Type‐2  fuzzy  logic with genetic algorithms to control the model of a unicycle mobile  robot.  Also  in  [29]  the  membership  function parameters  of  a fuzzy  logic  controller  used  for servomechanism  control  were  optimized  using  genetic algorithms.  In  [30]  the  authors  used  a  hybrid  approach for controlling a wheeled robot. The minimization of  the stabilization  error  was  searched  for  using  genetic algorithms  while  the  attenuation  to  perturbed  torques was  achieved  through  the  use  of  a  Type‐2  fuzzy  logic controller. Genetic algorithms were also used for solving an optimization problem  in parallel manipulator design in [31].  

In  our  work  an  industrial  application  of  a  pneumatic muscle  actuator  was  assumed.  This  had  some  specific consequences,  especially  those  associated  with  the simplification  of  control  algorithm  in  relation  to  the actuator  stiffness  control. The  stiffness  control  loop was avoided completely and the overall actuator stiffness was maximal  for  the  given  configuration.  The  research was driven by  the  idea of a  low‐cost PAM‐based positioning device  that  would  make  use  of  advanced  (e.g.,  soft computing) control techniques in order to compensate for the  PAM  nonlinearities  and  hysteresis. Nevertheless,  it was  of  significant  importance  to  take  into  account  the rapidity  of  the  considered  processes  (position servosystems),  as well  as possible  limitations  caused by the  available  computational  power.  Therefore,  some compromise  between  the  sophistication  of  the  used control  algorithm  and  its  computational  cost  had  to  be found.  Moreover,  due  to  its  unpredictability,  when dealing with various loads in practice, the actuator inertia moment was to be varied  in experiments  in order to test the  controller’s  robustness  to  realistic  plant  parameter variation.  It  was  found  out  in  [32]  that  the  linear controller with  fixed gains  could not meet  the  specified performance  for  the whole  range  of  arm movement,  as well  as  for  a  varying  inertia  moment.  Further investigations  showed  that  the  combination  of  a  PD‐controller with  additional  (nonlinear)  controller  leading to their complementary action would make it possible to control  the  system  satisfactorily  throughout  the  whole range  of movement,  as well  as  for  the  conditions  of  a varying  inertia  moment.  For  the  task  of  a  nonlinear controller,  both  a neural  network  and  a fuzzy  controller were  considered  as  each  of  them  possesses  universal approximation  capabilities  [33].  A fuzzy  controller  was chosen due to its capability of accepting a heuristic input in  the  form  of  possible  fuzzy  rule  modifications  [34]. Nevertheless,  a completely  heuristic  fuzzy  controller design mostly  leads  to  suboptimal  solutions  due  to  the difficulties with  exact  parameter  determination.  Use  of genetic  algorithms  is  one  of  the  methods  capable  of solving  complex  combinatorial  problems  with  low demands  on  the  problem  definition  [35].  Since  it  is difficult  to  optimize  the  control  system  on  a real  plant using  such  a  population‐based  algorithm,  an  analytical model of one‐DOF pneumatic muscle actuator derived in [36] was  used.  The  selected  adaptation  scheme was  of direct  type with signal  (multiplicative) adaptation which is  considered  fast  [37]  and  thus  suitable  for implementation  in  our  position  control  system.  The results showed that the optimized system was capable of following  the  reference model  trajectory with  low error, even when  significant  variations  in  the  inertia moment occurred. Moreover, the evolution of the fuzzy controller contributed  to  the  reduction of  the  fuzzy  rule, which  in turn decreased the computational cost.  

2 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012 www.intechopen.com

Page 3: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

The  main  contribution  is  the  design  of  a  fast  and relatively  simple  hybrid  fuzzy  controller,  which  is capable  of  controlling  nonlinear  plants  even  under conditions  of  a  varying  inertia moment.  The  technique used  for  controller design  (i.e.,  evolutionary algorithms) is also applicable to other nonlinear plants for which the model might be known, but  in some cases even the real‐time control design would be possible. In addition to that, the  results  confirm  the  capability  of  evolutionary algorithms  to  design  a fuzzy  controller with  a  reduced fuzzy  rule  base,  which  further  simplify  the  control algorithm  and  reduce  computational  costs. We  consider this  solution  relevant  for  practical  cases  where a traditional  controller  might  perform  well  throughout a limited  range  and/or under nominal  conditions, but  is not robust enough  to  inertia moment variation  (which  is the  case  in  practice).  Evolutionary  algorithms  prove helpful  in  designing  such  a hybrid  controller where  an enormous  number  of  parameters  makes  completely heuristic design quite difficult.  2. Materials and methods  2.1 Hardware setup  The main component of the system was a pair of FESTO MAS‐20  Fluidic  Muscles.  The  nominal  length  of  these muscles  was  250 mm  and  their  diameter  20 mm.  They were  fitted with  a force  compensator which  limited  the maximum  force  to  1200 N.  Kinematically,  the configuration  corresponded  to  a one  degree‐of‐freedom system  with  one  rotary  axis  driven  by  the  opposing action of both muscles  through a chain drive  (Figure 1). The  chain wheel was a part of a  steel  shaft  to which an arm with added weight representing an external load was attached. The main power source of the system was a Fiac ECU  air  compressor  providing  1.1 kW  of  power  and maximum pressure of 800 kPa. Inflow and outflow of the compressed air  to and  from  the muscles were controlled by  two  3/3  Matrix  821  valves.  The  arm  position  was measured  by  IRC120  encoder  with  resolution  of  2500 pulses/revolution.  A PC  with  an  Intel  Core 2  Duo processor  and  4 GB RAM was used  as  a controller with interaction between the PC and the plant being provided by  a  MF624  input / output  card.  Four  digital  outputs (valve  control)  and  one  encoder  input  (position  sensor signal)  were  used  during  the  control,  while  the  two additional  analogue  inputs  were  used  during  the modelling  data  acquisition  process  (PMD60G  and  PS‐9302  pressure  sensors)  (Figure 1).  The  sampling  period was set to 0.003 s.   The  muscles  were  positioned  approximately  235 mm from  the  upper  base  of  the  actuator  frame with  slight relative  asymmetry  to  achieve  a zero  arm  angle  in  the neutral  position.  This,  together with  the  shaft  position, 

left  a  clearance  of  29.5 mm  between  the  chain  and  the chain wheel in discharged mode. At the initial pressure of 550 kPa  this  resulted  in  the  initial muscle  contraction of 9.6%  and  the  movement  range  of  approximately  ‐50o,50o.  Three  cylindrical  weights  (1.2 kg,  2.14 kg  and 3.34 kg)  were  used  in  experiments  to  represent  the variations in external load (inertia moment).  

Figure 1. Schematic diagram of pneumatic muscle actuator  2.2 Pneumatic Muscle Actuator Model  The  model  of  the  pneumatic  muscle  actuator  was developed  in  [36],  which  itself  was  partly  inspired  by models  derived  by  researchers  mentioned  in  the introduction and our own research. The model consisted of  the  following  sub‐models:  pneumatic  model,  static mechanic model, dynamic mechanic model and dynamic model of a revolute joint.  The mechanical  part  of  the  pneumatic muscle  could  be modelled  as  a parallel  combination  of  variable  springs and variable dampers [18] (Figure 2).  

Figure 2. Mechanic model of pneumatic muscle actuator  The  pneumatic  part  of  the  actuator  model  was represented  in  the  form  of  a differential  equation  for 

3Alexander Hošovsk, Jozef Novák-Marcinčin, Ján Pitel’, Jana Boržíková and Kamil Židek: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator

www.intechopen.com

Page 4: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

muscle  pressure,  where  the  volume  flow  rate  of  the compressed  air  fed  into  or  out  of  the  muscles  was described  using  the  valve  flow  characteristics  [38].  The entire model could be expressed in continuous state space representations as follows (notation of time function was dropped in these expressions):  

  state vector Tmm PPyyyy 212211x   (1) 

where  y1,y2 – displacement  of  respective  muscles  [m], 

21, yy  – rate of displacement of respective muscles [ms‐1], Pm1,Pm2 – pressure  in  respective  muscles  [Pa],   – arm angle [deg],   – angular velocity of the arm [degs‐1]. The state equations then have the following form:  

1 2

2 1 1 3 4 6 2 1 5 3 2 5

3 4

4 2 1 1 2 5 2 3 6 3 4 6

5 4 5 5 1 5 6 1 2 5 1

6 4 6 5 3 6 6 3 4 5 3

7

(1 / ) ( , , ) ( , ) ( , )

(1 / ) ( , , ) ( , ) ( , )

( ) / ( ) ( , ) / ( )

( ) / ( ) ( , ) / ( )A

A

x xx m f x x x f x x f x xx xx m f x x x f x x f x x

x P f x f x x f x x f x

x P f x f x x f x x f xx

8

1 3 4 6 2 1 5 3 2 58

1 1 2 5 2 3 6 3 4 6

7

( , , ) ( , ) ( , )( / )

( , , ) ( , ) ( , ) L

xf x x x f x x f x x

x r J Mf x x x f x x f x x

y x

(2) 

where  m1,m2 – masses  to  move  for  respective  muscles [kg],  PA – atmospheric  pressure  [Pa],  r – sprocket diameter [m], J – inertia moment [kgm2], f1, f2, f3, f4, f5, f6 – nonlinear functions and ML – load moment [Nm].  The  nonlinear  functions  in  (2)  denote  the mathematical relationships  between  the  following  variables  and appropriate state variables:  f1 – external  force  for each of the  muscles,  f2 – nonlinear  spring  force,  f3 –  nonlinear damper  force,  f4 – volume  flow  rate  through  the  valves, f5 – muscle volume, f6 – rate of muscle volume.  2.3 Adaptive Control Scheme  As  was  mentioned  in  the  introduction,  previous experiments  showed  that  a  linear  controller with  fixed gains was not able  to provide a satisfactory performance in the whole range of arm movement under conditions of varying inertia moment. An adaptive control scheme that would  adapt  to  changing  parameters was  proposed  to overcome  this  problem.  The  direct  adaptive  control scheme was preferred over the indirect method due to its (generally) lower computational demands and simplicity. In our scheme,  the desired dynamics of  the system were dictated  by  the  responses  of  a reference model  (Model Reference Adaptive Control scheme – MRAC). The model responses must  set  realistic  requirements on  the  system dynamics  and  thus  it  should  be  derived  using  some 

knowledge  about  the  system  itself. We  used  a  second‐order  linear model, which was derived using the closed‐loop  responses with  PD  control  gathered  from  the  real plant  under  nominal  conditions.  This  model  had  the following form:  

  sr e

sssG 015.0

2 14723.00545.01)(

  (3) 

 

Conversion of this model to a discrete form using Tustin transformation for Ts = 0.003 s yields:   

 

52

5525

974.097.1101.4102.8101.4)(

zzz

zzzGr  (4) 

 

This  model  provides  slightly  overdamped  (ξ = 1)  step response, meaning that it doesn’t overshoot the reference position.   In Figure 3, the basic scheme of the hybrid adaptive fuzzy control  system  is  shown.  The  meaning  of  the  used symbols is as follows: θ*(k) – desired position of the arm, θr(k) –  reference model  output,  θ(k) – actual  position  of the  arm,  e(k) – position  error,  ed(k) – actuator  dynamics error,  KP – proportional  gain  of  the  PD  controller,  KD – discrete  derivative  gain  of  the  PD  controller,  KE – dynamics  error  scaling  gain,  KΔ – dynamics  error derivative  scaling  gain,  KA(k) – adaptation  gain,  uPD(k) – PD  controller  control  signal,  u(k) – compound  control signal, k – time step, Δ – discrete derivative symbol.  

 Figure  3.  The  basic  scheme  of  the  hybrid  adaptive  fuzzy controller with signal adaptation (based on [37])  The total control effort on the PAM actuator is a result of interaction  between  the PD  and  the  fuzzy  controller  (in the  form  of  u(k)).  The  task  of  the  fuzzy  controller  is  to force  the  system  to  follow  the  trajectory determined  by the  reference model’s  response  using  the  compensation signal (adaptation gain KA(k)). When multiplied with the control signal of the PD controller, it produces corrective efforts  to  minimize  the  deviations  from  the  reference model trajectory.  

4 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012 www.intechopen.com

Page 5: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

We may define the ideal control law as follows [35]:    )()(),()( ** kukekeKku PDA   (5) 

Where  

 

(.)))(),(()(min

(.))()(min

)()(min*

PPDArK

PrK

rKA

ukekeKk

kuk

kkK

AA

AA

AA

  (6) 

where ΩA  is a set of allowable values of adaptation gain and P(.) – plant  transfer  function.  The  ideal  controller would be able to drive the dynamics error to zero (or, in practice, to some small nonzero value).  The  uPD(k)  signal  then  represents  the  portion  of  the control  law  that  is known and  that provides satisfactory performance  under  nominal  conditions.  The  adaptation gain  KA  tries  to  counteract  the  deviations  from  these conditions manifested through the dynamics error. When KA = 1  the  compound  control  signal  u(k)  consists  of  PD controller actions only.   The value of KA depends on  the dynamics error e(k) and derivative  of  the  dynamics  error  e(k),  and  this relationship  is  generally  nonlinear.  It  can  be approximated  using  a  fuzzy  approximator, where KA  is actually the output of fuzzy controller y:  

  )),(),(())(),(())(),((

θkekekekeykekeK

F

A

  (7) 

where  F(.) – fuzzy  approximator  function,  – parameter  vector.  In  this  case  it  is  the  task  of  the evolution  process  to  find  the  parameter  vector  (i.e., a fuzzy controller) for which  

  )(),(),((minarg ** kKkeke AF

θθθ

  (8) 

where ΩA is a set of allowable parameter values.   2.4 Fuzzy Controller Evolution  A zero‐order Takagi‐Sugeno fuzzy controller was chosen due  to  its  simplicity  and  low  computational  demands. Both  inputs  (dynamics  error  and  its  derivative)  were fuzzified  using  the  generalized  Gaussian  membership functions,  which  are  said  to  possess  adaptability  [39]. This type of membership function can alter its shape from triangular‐like  to  trapezoid‐like  using  one  of  the geometric parameters. The mathematical formula for this type of membership function is as follows [39]: 

 

c

abxx exp   (9) 

where  a > 0  (controls  the  width  of  the  function),  ;b   (controls  the  position  on  x‐axis),  0c

(controls  the  shape  of  the  function).  The  output  was calculated using weighted average defuzzification, which can be expressed in the following form:  

 

n

i

m

j

c

ij

ijj

n

i

m

j

c

ij

ijji

ij

ij

abx

abx

p

y

1 1

1 10

exp

exp

 

(10) 

where  ip0  – output  singleton  for  i‐th  fuzzy  rule,  n – number  of  fuzzy  rules,  m – number  of  inputs,  xj – j‐th 

input  variable,  ij

ij

ij cba ,,  – membership  function 

parameters  for  j‐th  input and  i‐th  fuzzy  rule and  is a symbol for fuzzy min operator. It  is of note that  in our implementation  the  fuzzy  controller  output  (y)  from equation (10) is equal to the adaptation gain KA.  Values  of  the  aforementioned  parameters  affect  the performance of a fuzzy controller and, as a consequence, the  performance  of  the  adaptive  control  system  as a whole.  The  main  objective  was  to  design  such a controller  that would  achieve minimal dynamics  error throughout  the  whole  range  of  movement,  as  well  as under  conditions  of  inertia  moment  variations. Determining  these parameters manually would be quite difficult,  not  to  mention  almost  certain  suboptimal performance  of  the  system  obtained  by  such  settings. Hence,  the  evolution  of  a fuzzy  controller using  genetic algorithms  as  a method  inspired  by  principles  of evolution in nature was used.  Equation  (10)  contains  lmn 3 parameters  in  total, where  l  is  the  number  of  fuzzy  sets  over  respective universes  of  discourse.  The  results  from  previous experiments  showed  that  seven  membership  functions distributed  over  each  of  the  universes  of  discourse offered  reasonable  compromise  between  the  controller’s resolution  and  computational  demands.  Thus,  the number  of  parameters  for  each  individual  representing a fuzzy  controller  in  the  population  matrix  was

9172349 ,  where  n = 72 = 49  (number  of  fuzzy rules), m = 2  (number  of  inputs,  dynamics  error  and  its derivative)  and  l = 7  (number  of  fuzzy  sets). Moreover, there  were  an  additional  49  binary  parameters representing  the  presence  (or  absence)  of  a  particular 

5Alexander Hošovsk, Jozef Novák-Marcinčin, Ján Pitel’, Jana Boržíková and Kamil Židek: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator

www.intechopen.com

Page 6: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

fuzzy rule in the fuzzy rule table. The population matrix P could then be expressed in the following form:  

20,220,120,220,120,220,120,020

2,22,12,22,12,22,12,02

1,21,11,21,11,21,11,01

ccbbaapη

ccbbaapηccbbaapη

 

where   

  iiii ,49,2,1 η   (11) 

is a  row vector of  fuzzy  rule existence  in  the  fuzzy  rule table  of  the  controller  for  i‐th  individual  in  the population,  

  49

,02,0

1,0,0 iiii ppp p   (12) 

is a row vector of output singletons for i‐th individual in the population,  

 

7

,21,2

7,1

1,1,

7,2

1,2

7,1

1,1,

7,2

1,2

7,1

1,1,

iiiiij

iiiiij

iiiiij

cccc

bbbb

aaaa

c

b

a

  (13) 

are row vectors for the fuzzy set parameters of j‐th input and  i‐th  individual.  The  following  are  applied  to  the variables in the population matrix P:  

 

55.0,,0

66.0,33.0,0,33.0,66.0

115.0,

;10,;1,0

,,

,

,,

,0,0

ijij

ij

ijij

ii

cc

b

aa

ppη

  (14) 

According to (14), the values  in  vector belonged to the set of binary numbers which was useful for representing the presence or absence of a particular  fuzzy  rule  in  the fuzzy  rule  table  (1 – presence  and  0 –  absence). Output singletons contained in vector p0,i attained values ranging from 0 to 1, where the value of 1 indicated the activity of the PD controller only while the value of 0  indicated the negation of  its activity. The bounds  set on  the values of aj,i,  cj,i  parameters were  obtained  from  the  experiments with  real  plants.  The  values  of  bj,i  parameters were  not subject to evolution and were kept fixed.  Every individual was evaluated using the fitness function in  which  both  dynamics  error  (during  some  control interval)  and  fuzzy  controller  complexity  (expressed  in the number of used fuzzy rules) were taken into account:  

  iD

N

krE KkkKF ηdim

1

  (15) 

where  k – time  step,  N – number  of  samples  in  control 

interval,  KE – dynamics  error  weight  coefficient,  r(k) –reference model output, θ(k) – actual position of the arm, KD – fuzzy  controller  complexity  weight  coefficient, dim(i) – dimension  of  fuzzy  rule  presence  vector.  KE was set to 0.8 and KD to 0.2.  2.4.1 Genetic Algorithm Settings 

The number of  individuals  in  the population was  set  to 20, which, together with the individual genome length of 140,  resulted  in a population matrix with dimensions of 20×140.  The  gene  of  every  individual  was  created randomly  within  the  bounds  shown  in  (14).  The individuals were  selected based on  their position  in  the rank  list  (calculated  using  the  raw  fitness  scores).  The selection  itself was  carried  out using  the  roulette wheel selection, where each  individual  is assigned a portion of a roulette  wheel  perimeter  according  to  its  expectation and a random number is used for selecting an individual with probability equal to its area [40]. Elitism was used to keep the genome of the fittest individual preserved to the next  generation.  80%  of  the  population  exchanged  its genetic material using heuristic crossover, where children are created randomly on the line between parents slightly closer  to a fitter one and  farther away  from a worse one [40]. Moreover, the remaining 20% of the population was mutated  using  an  adaptive mutation  algorithm,  which determined  new  mutation  directions  using  the  results from  the  previous  generation.  The  population  was encoded with mixed integer (binary) / real representation as follows from (14). The main stopping criterion (i.e., the one  which  caused  the  stopping  of  every  run  of optimization) was function tolerance set to 10‐6.  The  whole  evolution  process  of  a fuzzy  controller  for adaptive  fuzzy  hybrid  control  was  implemented  in Matlab/Simulink  software  using  its  proprietary  genetic algorithm solver under Global Optimization Toolbox and our  own  actuator model  sketched  in  equation  (2).  The settings  of  the  solver were  chosen  based  on  the  results from trial‐and‐error experimentation.  3. Results and Discussion 

3.1 Simulation Results 

The  fuzzy  controller  was  evolved  during  the  control interval  of  Tc = 100 s.  In  order  to  simulate  a varying parameter scenario,  three changes of  the  inertia moment occurred  in this  interval. These changes corresponded to the  changes  of  external  load  for  the  real  actuator, calculated  as  J1 = 2.9Jn,  J2 = 4.4Jn,  J3 = 6.5Jn  (where Jn = 0.0144 kgm2).  Since  the  evolution  process  ran completely offline, it was possible to subject the model to arbitrary yet realistic conditions  in  terms of  the range of 

6 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012 www.intechopen.com

Page 7: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

the  controlled  variable  (i.e.,  arm  angle).  Taking  the nonlinearity of  the actuator  into account,  it was decided to  use  an  APRBS  (Amplitude  Pseudo  Random  Binary Sequence)  signal which  has  good  excitatory  capabilities for nonlinear systems. In Figure 4 an APRBS signal used for  excitation  of  the  system  model  during  the  control interval  is  shown.  A reference  model  response  for  the APRBS signal shown in Figure 4 was used as a reference for  determining  the  dynamics  error  of  the model.  The gains  of  the  PD  controller  were  set  to  the  following values:  KP = 0.058  and  KD = 0.001.  The  controller  set  to these values provided satisfactory responses (in terms of reference  model  responses)  for  most  of  the  arm  angle range, but only for nominal inertia moment values.  

 Figure 4. APRBS signal used  for system model excitation  (blue) and changes in inertia moment representing parameter variation (dashed red)  The optimization process was run six times and the results for  each  run  are  shown  in Table 1. Each of  the  runs was stopped  after  having  the  change  in  fitness  function between  generations  less  than  10‐6.  As  is  clear  from  the table, each of the evolved controllers used less than half of all the rules in the fuzzy rule base. On the other hand, the range  of  fitness  values  is  quite  large which might  have been  caused  by  a relatively  quick  domination  of  the population  by  elite  individuals  in  each  run.  This  is  also visible in Figure 5, where the mean fitness can be observed to descend quickly to smaller values (indicating the loss of population diversity). At the end of the run, only the close proximity of  the  elite  individual  is  searched by mutation (from approximately 150th generation to the end).  

Run  Fitness  Dim(i)  Iteration 

1  908.95  21  75 

2  271.96  25  162 

3  412.7  21  104 

4  79.58  23  237 

5  245.69  26  105 

6  576.92  21  200 

Table 1. The results of six runs of fuzzy controller evolution  

This will  be  the  subject  of  further  research  in  order  to improve  the  current  results.  Elitism  is  supposed  to  be kept  as  it  should  provide  the  convergence  of  the algorithm while  options  for  increasing  the  diversity  of population will be researched.  

 Figure  5.  Best  and mean  fitness  values  for  the  evolution with fittest resulting individual (F = 79.58)  The result from run 4 achieved the lowest value of fitness function and was  thus selected as a controller  for  testing in  real‐time  control.  In  Table 2  the  resulting  fuzzy  rule table  is  shown, where  Ei – i‐th  fuzzy  set  over  dynamics error universe of discourse and DEi – i‐th  fuzzy  set over dynamics error derivative universe of discourse.     E1  E2  E3  E4  E5  E6  E7 

DE1    0.83  0.24      0.73  0.9 

DE2  0.3    0.94         

DE3    0.13          0.27 

DE4    0.14  1  0.97  0.65    0.96 

DE5    0.77        0.99   

DE6  0.8  0.21  0.84  0.75    0.91  0.48 

DE7  0.05          0.84   

Table 2. The output singletons of evolved fuzzy controller with fitness function value of F = 79.58  The designed  controller uses a  reduced  fuzzy  rule  table with 23 rules  in  total.  It  is observed  that  the distribution of  rules  is  asymmetrical  as  is  the  distribution  of  their values. The values at the centre of the table are around 1, indicating  the  non‐compensatory  activity  of  the  fuzzy controller.   This can also be seen visually  in Figure 6, where a fuzzy surface  is  depicted.  Some  other  regions  are  also associated  with  lower  compensation  activity  (values closer  to  1  in  Table 2) where  the  PD  controller’s  action might be sufficient.  

7Alexander Hošovsk, Jozef Novák-Marcinčin, Ján Pitel’, Jana Boržíková and Kamil Židek: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator

www.intechopen.com

Page 8: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

It  is of note that the obtained results cannot be currently guaranteed  to  be  the  best  achievable  mainly  due  to modelling  errors  and  their  possible  non‐optimal conditions  in  a global  sense,  and both  areas will be  the subject to further research.  

 Figure 6. A fuzzy surface of the best of evolved fuzzy controllers (KA – adaptation  gain,  edn – normalized  dynamics  error,  edn – normalized dynamics error derivative)  3.2 Real‐time Control Results 

Real‐time control was implemented in the Matlab/Simulink environment using the Humusoft MF624 I/O card and the card manufacturer’s proprietary  real‐time  control  toolbox (Real‐Time  Toolbox).  The  best  individual  from  all evolution  processes was  selected  to  be  tested  under  the conditions  of  a  varying  inertia moment during  changing reference  position  steps.  The  real‐time  control  sequence was set to Trc = 40 s. The PWM frequency used during the real‐time  control  was  200 Hz.  In  order  to  avoid  the chattering around  the reference position  in steady‐state, a dead zone with the width of two position pulses (±1 pulse equal to ±0.144o) was used (KE = 0.04 and D = 0.025)  In Figure 7 the performance of both adaptive control and PD control for J = 2.9Jn is shown. It is clear from the figure that  the PD controller caused  larger deviations  from  the reference model trajectory, especially for larger steps in a negative  direction  (towards  negative  arm  angles).  It  is assumed that this might be caused by the PD controller’s inability to cope with the actuator asymmetry (caused by the muscles  themselves).  The  compound  action  of  both controllers  improves  the  performance  noticeably: IAEPD = 8072.8  and  IAEFUZ = 4933.5  (i.e.  39%  reduction  in dynamics error).  

 Figure 7. The test control sequence for J = 2.9Jn 

In Figure 8  the action signal  (depicted  in absolute value) during  the  test  control  sequence  is  shown.  It  is obvious from  Figure 7  that  the  actions  of  the  PD  controller  are causing deviations from the reference model dynamics by being  too  strong.  The  red  signal  in  Figure 8  shows  the resulting  (compound)  action  signal  compensated  by  the effect of adaptation gain.  

 Figure 8. The action signals (PD controller and compound action signal) for the first test control sequence (J = 2.9Jn)  

 Figure 9. The test control sequence for J = 4.4Jn  In Figure 9 the second test control sequence for J = 4.4Jn is shown.  In  this case,  the PD controller’s  inability  to keep the  dynamics  dictated  by  the  reference model  is more pronounced  in the form of oscillations. Some oscillations are  still  present  also  in  the  adaptive  case,  yet  the improvement  is  again  noticeable:  IAEPD = 8604.8  and IAEFUZ = 4940.8  (42.6%  reduction  in  error dynamics with only  0.1%  increase  in  IAEFUZ  for  the  second  control sequence).  In Figure 10 the action signals for the second test control sequence  is shown. As can be seen  in  the  figure,  the PD controller acts in the same way (as the position error and its derivative are  the  same), but  in  this  case, due  to  the higher  inertia moment,  this  leads  to  a more  oscillatory response.  The  multiplication  compensation  of  the  PD controller action signal by means of  the  fuzzy controller helps to prevent these oscillations to a good extent (as  is clearly visible  in  the  fifth  step,  for  example).  Still,  some small oscillations are present also  in adaptive mode and these  could probably be  attributed  to  some non‐smooth regions left on the fuzzy surface after evolution.  

8 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012 www.intechopen.com

Page 9: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

 Figure  10.  The  action  signals  (PD  controller  and  compound action signal) for the first test control sequence (J = 4.4Jn)  In Figure 11 the third test control sequence for J = 6.5Jn is depicted.  In  this case,  the effect of PD controller’s action signal  leads  to  significant  oscillations,  which  are effectively  suppressed  by  the  action  of  adaptation  gain. The  values  of  integral  criteria  for  this  case  are: IAEPD = 8520.3  and  IAEFUZ = 5359.9  (37.1%  reduction  in error dynamics with 8.5% increase in IAEFUZ for the third control sequence).  

 Figure 11. The test control sequence for J = 6.5Jn  In  Figure 12  the  actions  signal  for  the  third  test  control sequence  are  shown.  It  can  again  be  observed  that  the greatest  amount  of  compensation  is  needed  for movements  in  a  negative  direction,  where  also  the uncompensated  action  of  the  PD  controller  causes  the strongest oscillations.  In  the  figure, one  can  see  that  the small  deviations  from  the  steady‐state  value  (last  five seconds of  the  control  sequence) are  corrected  solely by the  action  of  the  PD  controller, which  is  in  accordance with the shape of the fuzzy controller surface.  

 Figure  12.  The  action  signals  (PD  controller  and  compound action signal) for the first test control sequence (J = 6.5Jn)  

By  reviewing  the  results  shown,  it  is  obvious  that  in general  unequal  compensation  effort  is  needed  for various  values  of  dynamics  error  and  its  derivative, which is encoded in the fuzzy surface of the controller in the  adaptation  loop. As was  previously mentioned,  the value of adaptation gain should be equal  to 1  in steady‐state.  This  is  corroborated  by  the  plateau  around  the centre region of the fuzzy surface (around zero error and its  derivative).  The  PD  controller  alone  provides  a significantly  less  satisfactory  response  (in  terms  of reference model dynamics)  to  increasing  inertia moment variation,  which  was  manifested  through  larger deviations from the reference model trajectory and/or an excessively oscillatory  response  throughout  the  range of reference positions. The advantage of signal adaptation is clearly  visible  in  very  fast  action, which would  not  be possible with parametric adaptation.  It is of note that the model responses to input signal were more  conservative  in  the  expression  of  oscillatory components, which resulted in more significant damping for  fast  changes  in  reference  positions  compared  to  the real  plant  responses. Nevertheless,  the  overall  shape  of the  fuzzy  surface  reflected  the  action  signal  needed  for the successful compensation of overly strong actions of a PD controller. Improvements in the accuracy of reference model  tracking were  approximately  proportional  to  the magnitude  of  inertia  moment  variation.  For  example 42.6%  reduction  in  error  dynamics  was  achieved  for 51.7%  increase  in  inertia  moment  (from  J = 2.9Jn  to J = 4.4Jn) and 37.1% reduction in error dynamics for 47.7% increase  in  inertia moment  (from  J = 4.4Jn  to  J = 6.5Jn).  It also  follows  from  the  results  (Figure 7)  that  despite  the fact  that  there  were  no  significant  oscillations  in responses  for  pure  PD  control,  the  deviations  from  the reference model  trajectory were  not  negligible. As was mentioned at the beginning of this paragraph, the steady‐state  error was  given  by  the width  of dead  zone  set  to avoid the chattering problem. The arm was driven to this zone  under  every  tested  condition,  meaning  that  the maximum steady‐state error was ±1 pulse (0.144o at given sensor  resolution).  To  improve  the  results  for  the adaptive  case  (further  reduction of  IAE values  for every verifiable  nominal  inertia moment multiple),  one might consider increasing the accuracy of the available dynamic model to better reflect the damping characteristics of the real  plant,  as  well  as  incorporating  the  actuator hysteresis.  4. Conclusion and Further Work 

Here a model‐based evolution of a fuzzy controller for an adaptive  hybrid  control  scheme  was  presented.  The resulting system was tested for its robustness to a varying inertia  moment,  which  is  generally  unpredictable  in practice. We used a nonlinear dynamic model developed 

9Alexander Hošovsk, Jozef Novák-Marcinčin, Ján Pitel’, Jana Boržíková and Kamil Židek: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator

www.intechopen.com

Page 10: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

for  the  actuator  to  evolve  a fuzzy  controller  achieving minimal value of fitness function  in which the dynamics error  between  the  reference  model  trajectory  and trajectory  of  the  system  was  taken  into  account.  The results  showed  that  a fuzzy  controller  with  a  reduced fuzzy  rule  base  (compared  to  a full  fuzzy  rule  base containing n2  rules where n – number of  fuzzy  sets over each of  the  inputs) was  capable of  achieving very good performance  (in  terms  of  dynamics  error)  even  under conditions  of  a  varying  inertia  moment.  The  signal adaptation also proved  to be  fast  in achieving  improved performance.  In  future work, we  expect  to  concentrate  on  improving the current results.  It  is obvious  that no guarantee exists that  the  evolution  results  are  the  global  optimum  for relevant fitness function. A detailed analysis of the effects of  various  genetic  algorithm  parameters  is  still  lacking and will  be  the  subject  of  further work. Moreover,  the system shall be tested for other types of test signals (ramp signals  for  instance),  as  well  as  for  the  disturbance rejection capabilities.  5. Acknowledgements 

The  research  work  is  supported  by  the  Project  of  the Structural  Funds  of  the  EU,  Operational  Programme Research  and  Development,  Measure  2.2  Transfer  of knowledge and technology from research and development into practice. Title of the project: Research and development of  nonconventional  pneumatic  artificial  muscles‐based actuators. ITMS code: 26220220103  6. References 

[1]  Chou Ch‐P,  Hannaford B  (1996)  Measurement  and Modeling of McKibben Pneumatic Artificial Muscles. IEEE  Transaction  on  Robotics  and  Automation, Vol.12, No.1: 90‐102 

[2]  Tondu B,  Lopez P  (2000) Modeling  and  Control  of McKibben Artificial Muscle Robot Actuators. Control Systems, IEEE, Vol.20, No.2: 15‐38 

[3]  Verrelst B et al.  (2005) The Pneumatic Biped “Lucy” Actuated with Pleated Pneumatic Artificial Muscles, Vol.18, No.2: 201‐213 

[4]  Rothling F,  Haschke R,  Steil J.J,  Ritter H  (2007) Platform  Portable Anthropomorphic Grasping with the  Bielefeld  20‐DOF  Shadow  and  9‐DOF  TUM Hand.  Proceedings  of  the  2007  IEEE/RSJ International  Conference  on  Intelligent  Robots  and Systems, San Diego, CA, USA 

[5]  Klute G.K,  Czerniecki J.M,  Hannaford B  (1999) McKibben  Artificial  Muscles:  Pneumatic  Actuators with  Biomechanical  Intelligence.  IEEE/ASME  1999 International  Conference  on  Advanced  Intelligent Mechatronics, Atlanta, GA, USA 

[6]  Smagt V.D.P,  Groen F,  Schulten K  (1996)  Analysis and  Control  of  a Rubbertuator  Arm.  Biological Cybernetics 75: 433‐440 

[7]  Colbrunn R.W,  Nelson G.M,  Quinn R.D  (2001) Modeling  of  Braided  Pneumatic  Actuators  for Robotic  Control.  Proceedings  2001  IEEERSJ International  Conference  on  Intelligent  Robots  and Systems Expanding  the Societal Role of Robotics  in the Next Millennium, Hawaii, USA 

[8]  Vanderborght  B,  Verrelst B, Van Ham R,  Lefeber D (2006)  Controlling  a  Bipedal  Walking  Robot Actuated by a Pleated Pneumatic Artificial Muscles. Robotica, Vol.24, No.4: 401‐410 

[9]  Palko A,  Smrček J  (2011)  The  Use  of  Pneumatic Artificial Muscles  in Robot Construction.  Industrial Robot, Vol.38, No.1: 11‐19 

[10] Židek K et al.  (2010) New  Trends  in Application  of Artificial  Muscles  for  Automation  Devices  in Nonproductive  Sector. Manufacturing  Engineering, Vol.9, No.4: 78‐80 

[11] Waycaster G,  Wu  S‐K,  Shen  X  (2011)  Design  and Control  of  a Pneumatic  Artificial  Muscle  Actuated Above‐Knee Prosthesis.  Journal of Medical Devices, Vol.5, No.3  

[12] Versluys R et al. (2006) IPPAM, Intelligent Prosthesis Actuated  by  Pleated  Pneumatic  Artificial Muscles: Mechanical Concept and Dimensioning of Actuators. 9th  International  Conference  on  Climbing  and Walking  Robots  and  the  Support  Technologies  for Mobile Machines, Brussels, Belgium 

[13] Balara M  (2011)  The  Linearized  Control  System  of the Pneumatic Actuator. Annals of DAAAM for 2011 &  Proceedings  of  the  22nd  International  DAAAM Symposium  on  ʺIntelligent  Manufacturing  & Automation:  Power  of  Knowledge  and  Creativityʺ, Vienna, Austria 

[14] Hošovský A, Havran M  (2011) Use  of Hill’s Muscle Model for Dynamic Modeling of Pneumatic Artificial Muscle. Strojárstvo Extra, Vol.16, No.5: 42/1‐42/5 

[15]  Inoue K  (1988)  Rubbertuators  and  Applications  to Robots.  The  4th  International  Symposium  on Robotics Research, Cambridge, MA, USA 

[16] Daerden F (1999) Concept and Realization of Pleated Pneumatic  Artificial  Muscles  and  Their  Use  as Compliant  Actuation  Elements.  Doctoral  Thesis, Vrije Universiteit Brussel 

[17] Davis S,  Caldwell D.G  (2006)  Braid  Effects  on Contractile  Range  and  Friction  Modeling  in Pneumatic  Muscle  Actuators.  The  International Journal of Robotics Research, Vol.25, No.4: 359‐369 

[18] Kerscher T, Albiez J, Zollner J.M, Dillmann R  (2006) Evaluation of the Dynamic Model of Fluidic Muscles Using  Quick‐Release.  International  Conference  on Biomedical Robotics and Biomechatronics, Pisa, Italy 

[19] Serres J.L  (2008)  Dynamic  Characterization  of  a Pneumatic Muscle Actuator and  its Application to a 

10 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 40:2012 www.intechopen.com

Page 11: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller ...

Resistive  Training  Device.  Doctoral  Thesis, Wright State University 

[20] Tóthová M, Piteľ J  (2012) Classification of Models of Pneumatic  Artificial  Muscles.  Proceedings  of Workshop  on  Automation  and  Control  in  Theory and Practice ARTEP 2012, Stará Lesná, Slovakia 

[21] Smagt V.D.P, Schulten K (1993) Control of Pneumatic Robot  Arm  Dynamics  by  a  Neural  Network. Proceedings  of  the  World  Congress  on  Neural Networks, Portland, OR, USA 

[22] Carbonell P, Jiang Z.P, Repperger D (2001) Nonlinear Control  of  a Pneumatic  Muscle  Actuator: Backstepping vs. Sliding Mode. Proceedings of IEEE Conference  on  Control  Applications,  Saint‐Petersburg, Russia 

[23] Zhu X, Tao G, Yao B, Cao J  (2008) Adaptive Robust Posture  Control  of  Parallel Manipulator Driven  by Pneumatic Muscles  with  Redundancy.  IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.13, No.4: 441‐450  

[24] Petrovic P.B  (2002)  Modeling  and  Control  of  an Artificial  Muscle.  Scientific  Bulletin  of  the ʺPolitehnicaʺ University of Timisoara, Transaction on Mechanics, Vol.47 (61) 

[25] Ahn K.K,  Thanh T.D.C,  Ahn Y.K  (2005)  Intelligent Switching  Control  of  Pneumatic  Artificial  Muscle Manipulator.  JSME  International  Journal,  Series  C, Vol.48, No.4: 657‐667 

[26] Castillo O, Martinez‐Marroquin R, Melin P, Valdez F, Soria J  (2012)  Comparative  Study  of  Bio‐inspired Algorithms Applied  to  the Optimization  of  Type‐1 and  Type‐2  Fuzzy  Controllers  for  an  Autonomous Mobile Robot. Inf. Sci. 192: 19‐38 (2012) 

[27]  Castillo O,  Melin P,  Garza A A,  Montiel O, Sepulveda R  (2011) Optimization of  Interval Type‐2 Fuzzy  Logic  Controllers  Using  Evolutionary Algorithms. Soft Comput. 15(6): 1145‐1160 (2011) 

[28]  Martinez‐Soto R,  Castillo O,  Aguilar L.T  (2009) Optimization  of  Interval  Type‐2  Fuzzy  Logic Controllers  for  a Perturbed  Autonomous  Wheeled Mobile  Robot  Using  Genetic  Algorithms.  Inf.  Sci. 179(13) : 2158‐2174 (2009) 

               

[29]  Cazarez‐Castro N.R,  Aguilar L.T,  Castillo O  (2010) Fuzzy  Logic  Control  with  Genetic  Membership Function  Parameters  Optimization  for  the  Output Regulation  of  a Servomechanism  with  Nonlinear Backlash. Expert Syst. Appl. 37(6): 4368‐4378 (2010) 

[30] Astudillo L, Castillo O, Aguilar L.T, Martinez‐Soto R (2007) Hybrid Control  for an Autonomous Wheeled Mobile  Robot  Under  Perturbed  Torques.  IFSA  (1) 2007: 594‐603 

[31] Lopes A.M, Pires E.J.S, Barbosa M.R (2012) Design of a Parallel  Robotic  Manipulator  using  Evolutionary Computing.  International  Journal  of  Advanced Robotic Systems, Vol.9, 1‐13 

[32]  Piteľ J,  Boržíková J  (2008)  Nonlinearity  of  Static Characteristic  of  the  Antagonistic  System. Proceedings  of  Conference  on  Mathematical Methods  in  Technics  and  Technologies  MMTT‐23, Saratov, Russia 

[33] Karray F.O,  de  Silva C  (2004)  Soft  Computing  and Intelligent  Systems  Design.  Harlow:  Addison‐Wesley, 560 pp. 

[34] Hrehová, S, Vagaská A.  (2012) Application of Fuzzy Principles  in  Evaluating  Quality  of Manufacturing Process.  WSEAS  Transactions  on  Power  Systems, 2012, Vol.7, No.2: 50‐59 

[35] Passino K.M  (2005)  Biomimicry  for  Optimization, Control and Automation. London: Springer, 926 pp.  

[36] Hošovský A,  Havran M  (‐)  Dynamic  Modeling  of One  Degree  of  Freedom  Pneumatic  Muscle‐based Actuator  for  Industrial  Applications.  Unpublished yet. 

[37] Kovacic Z, Bogdan S (2006) Fuzzy Controller Design: Theory  and  Applications.  Boca  Raton:  Taylor  & Francis, 392 pp. 

[38]  Beater P  (2007)  Pneumatic  Drives:  System  Design, Modeling and Control. New York: Springer, 323 pp. 

[39] Zhang H,  Liu D  (2006)  Fuzzy Modeling  and  Fuzzy Control. Cambridge: Birkhauser Boston, 416 pp. 

[40] The  MathWorks  Inc.  (2010)  Global  Optimization Toolbox User’s Guide. Natick: The MathWorks Inc. 

   

11Alexander Hošovsk, Jozef Novák-Marcinčin, Ján Pitel’, Jana Boržíková and Kamil Židek: Model-based Evolution of a Fast Hybrid Fuzzy Adaptive Controller for a Pneumatic Muscle Actuator

www.intechopen.com