Modelagem, identificação de parâmetros e implementação de sistema de controle por torque calculado em um manipulador plataforma de Stewart hidráulico

Abstract

O Manipulador Plataforma de Stewart é um tipo de manipulador paralelo composto por 6 atuadores prismáticos. Estes atuadores ligam a base do manipulador a uma plataforma que se move com 6 graus de liberdade em relação à base. A expansão ou retração de cada um dos atuadores influencia na posição da plataforma móvel. Usualmente utilizada em simuladores de movimento, uma Plataforma de Stewart é utilizada neste trabalho para simular movimentos de uma embarcação em alto mar. O objetivo principal deste trabalho é implementar um sistema de controle por Torque Calculado que possibilite que o manipulador execute um seguimento de trajetória com precisão, simulando os movimentos de um convés de uma embarcação em alto mar. Para que isso seja possível, é descrito o desenvolvimento do modelo matemático do manipulador utilizado na síntese do controlador, incluindo cinemática inversa, cinemática direta e dinâmica. Também é apresentado o desenvolvimento do modelo matemático do sistema hidráulico do manipulador, assim como a identificação experimental dos coeficientes de vazão das válvulas. Ao final, são apresentadas simulações e experimentos realizados utilizando controladores PI (Proporcional-Integral) e por Torque Calculado. Através destes procedimentos, são apresentadas uma validação do modelo matemático desenvolvido e um estudo sobre o desempenho dos controladores aplicados ao problema de seguimento de trajetórias típicas de convés de embarcações.

The Stewart Platform Manipulator is a type of parallel manipulator composed of 6 prismatic actuators. These actuators connect the base of the manipulator to a platform that moves with 6 degrees of freedom in relation to the base. The expansion or retraction of each of the actuators influences on the position of the mobile platform. Usually used in motion simulators, a Stewart Platform will be used in this work to simulate the movements of a vessel on the high seas. The main objective of this work is to implement a Computed Torque controller that allows the manipulator to accurately follow a trajectory, simulating the movements of a vessel's deck on an offshore operation. To make this possible, the development of the mathematical model of the manipulator used in the controller synthesis will be described, including inverse kinematics, direct kinematics and dynamics. The development of the mathematical model of the hydraulic system of the manipulator will be presented, as well as the experimental identification of the flow coefficients of the valves. At the end, simulations and experiments performed using PI (Proportional-Integral) and Computed Torque controllers will be shown. Through these procedures, a validation of the mathematical model developed and a study on the performance of the controllers applied to the problem of tracking typical trajectories of vessel decks will be presented.