Controle não-linear de força de músculos artificiais poliméricos por efeito capacitivo

Abstract

Uma tecnologia incipiente para atuação de sistemas com características físicas e dinâmicas parecidas com músculos naturais vem sendo estudada desde o início da década de 90. No entanto, o controle destes sistemas não é uma tarefa trivial, devido às não-linearidades intrínsecas. Este trabalho apresenta uma proposta para controle não-linear de força em músculos artificiais baseados no polímero acrílico VHB4905. São desenvolvidos modelos matemáticos do atuador polimérico experimentado. Essas equações são utilizadas no controle de forma a compensar os efeitos não-lineares do sistema. Experimentos são conduzidos em uma bancada de testes especialmente desenvolvida, contendo um sensor de força e o atuador polimérico acionado por um circuito de alta tensão (até 10kV). Obtém-se um erro máximo de força de 1% entre o modelo que caracteriza o material e o experimento de força em função do estímulo elétrico. Demonstra-se que o controle não-linear proposto gera melhores resultados a entradas em degrau que um controle PID padrão, o qual não leva em consideração a não-linearidade e a alta sensibilidade do atuador quando submetido a tensões próximas da tensão de quebra do dielétrico, gerando oscilações. A eficácia da técnica de controle proposta é comprovada experimentalmente.An incipient technology for actuation with physical and dynamic characteristics similar to natural muscles has been studied since early 90's. However, the control of such systems is not a trivial task, due to actuator non-linearities. This work presents a proposal for non-linear control of force in artificial muscles based on the VHB4905 acrylic polymer. Mathematical models of the tested actuator are developed. Experiments are performed on a especially developed test bench with a force transducer and the artificial muscle actuated by a high voltage circuit (10kV maximum). A maximum force error of 1% is obtained when comparing the model that characterizes the material and the experiment that measures force versus electric stimulus. It is shown that the proposed non-linear controller results in a better step response when compared to a standard PID controller. The standard PID does not take into account the system non-linearities, therefore it cannot avoid oscillations in the step response when subjected to high voltages, close to the dielectric breakdown of the polymer. The effectiveness of the proposed control technique is proven experimentally.