Aplicação do controle de impedância para assistência ao operador de um sistema de movimentação de cargas

Abstract

O presente trabalho propõe o projeto e a implementação de um sistema de controle de impedância de um sistema de movimentação de cargas por meio de um motor elétrico para auxílio ao operador. O sistema de controle visa impor a relação dinâmica entre a força aplicada e a velocidade do transportador, ou seja, impor uma impedância mecânica aparente desejada. A metodologia proposta foi inspirada na técnica de linearização por realimentação a fim de promover uma alteração aparente na massa e no coeficiente de atrito viscoso do sistema. Mostra-se que, com essa técnica, pode-se obter um controle de impedância sem o uso de sensores de força, mas com uma possível redução de robustez às incertezas do modelo quando comparada às técnicas que medem a força. Nos experimentos é utilizado um conjunto de motor e tacogerador de 5 V da LJ Technical Systems. O controlador requer as informações da velocidade e da aceleração angular, mas somente a velocidade é medida diretamente, sendo a aceleração estimada numericamente. A lei de controle proposta gera termos aditivos à equação diferencial do modelo a fim de alterar sua característica dinâmica, inclusive viabilizando compensar parte do atrito de Coulomb. Como a força externa não é utilizada na lei de controle, não é gerado um erro de acompanhamento da impedância. Assim, incertezas paramétricas e dinâmicas não são consideradas explicitamente no projeto do controlador e a possível degradação no desempenho do sistema de controle é investigada com o auxílio de um sensor e de um estimador de força. Simulações numéricas sugerem que o controle de impedância proposto pode ser efetivo mesmo na presença de incertezas dos parâmetros do modelo. O bom desempenho do sistema de controle foi obtido com um esforço de controle compatível com o motor real.

This paper proposes the design and implementation of an impedance control system of a load handling system by means of an electric motor to assist the operator. The control system aims to establish the dynamic relationship between the applied force and the cart speed, that is, imposing a desired apparent mechanical impedance. The proposed methodology was inspired by feedback linearization technique to promote an apparent change in mass and viscous friction coefficients of the system. It is shown that, with this technique, one can obtain an impedance control without the use of force sensors, but with a possible reduction of robustness to model uncertainty compared to techniques that explicitly measure the external force. In the experiments it is adopted a set of motor and tachogenerator of 5V from LJ Technical Systems. The controller requires information on angular velocity and acceleration, but only the velocity is measured directly, with a numerically estimated acceleration. The proposed control law generates additional terms to the model of differential equation to change its dynamic characteristics also allowing to compensate part of the Coulomb friction. As the external force is not used in the control law, an impedance tracking error is not generated. Thus, parametric and dynamic uncertainties are not explicitly considered in the controller design and possible deterioration in the control system performance is investigated with the aid of a force sensor and an estimator. Numerical simulations suggest that the proposed impedance control can be effective even in the presence of uncertainty of the model parameters. The reasonable performance of the control system was obtained with a control effort compatible with the real motor.