Modelagem e controle por torque computado de músculos pneumáticos artificiais como atuadores em prótese de mão

Abstract

Próteses elétricas de membro superior atuais podem apresentar boa performance ao reproduzir os movimentos de uma mão humana. Atuadores do tipo Músculo Pneumático Artificial (PAM) oferecem vantagens sobre motores elétricos, como melhor relação de densidade de potência, baixa rigidez de acionamento, comportamento mais semelhante ao de um músculo humano e uso de energia renovável limpa. Em contrapartida, o seu comportamento dinâmico é altamente não linear, sendo tema de diversos trabalhos acadê- micos recentes, enquanto atuadores elétricos são de controle mais simples, bem conhecido e consideravelmente preciso. Este trabalho tem como foco o estudo de viabilidade do uso de atuadores do tipo PAM em substituição aos motores elétricos no acionamento de mecanismos representantes de dedos humanos. Para tanto, foram utilizadas técnicas de modelagem de sistemas robóticos para a representação dos dedos e a Lei do Torque Computado (TC) estendida para atuadores do tipo PAM (TCE) como estratégia de controle de seguimento de trajetória da prótese, e para a avaliação comparativa de resultados, usou-se um controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) aplicado ao sistema. Foram realizadas simulações em ambiente computacional para os dedos Polegar e Indicador, e, além dessas simulações, realizou-se experimentos em bancada considerando um mecanismo com 1 grau de liberdade. A partir dos resultados experimentais verificou-se que efeitos, como vazamentos internos inerentes a esses equipamentos, influenciam consideravelmente no desempenho de atuadores do tipo PAM. Além disso, verificou-se que, mesmo na presença destes efeitos, as trajetórias de seguimento de posição podem ser consideradas satisfatórias para a aplicação pretendida. Os resultados obtidos pelos controladores TCE e PID mostraram-se similares, com desempenho levemente superior do controlador TCE, que possui a vantagem adicional de possibilitar controlar de forma simultânea a posição e a força do mecanismo.

Currently, electric upper limb prostheses usually present high performance in reproducing the movements of a human hand. As an alternative, Pneumatic Artificial Muscle (PAM) actuators offer possible advantages over electric motors, such as, better power density relation, low actuation stiffness, behavior similar to a human muscle and the use of clean renewable energy. In contrast, its dynamic behavior is highly nonlinear, being focus of many recent academic research, while electric actuators can be relatively easily controlled, are well studied and considerably precise. This work focuses on the viability of use of PAM actuators in substitute to electric motors for the actuation of mechanisms representing human fingers. For this purpose, robotic systems modeling techniques are used to represent the fingers and the use of the Computed Torque Law (TC) extended for PAM actuators (TCE) was established as the control strategy for path tracking of position trajectory. For comparative evaluation of results, a Proportional Integrative Derivative (PID) controller was applied to drive the system. Simulations were implemented in a computational environment for the Thumb and Index fingers, and, in addition to these simulations, practical experiments were performed considering a mechanism with 1 degree of freedom, similarly to other works referenced in the literature review. Analyzing the experimental results, it was verified that effects, such as internal leaks inherent to control valve used, significantly influence the performance of PAM type actuators. Furthermore, it was verified from the results that, even in the presence of these effects, the position tracking trajectories can be considered satisfactory for the desired application. The results obtained by the TCE and PID controllers were similar, with slightly better performance obtained by the TCE controller, which has the additional advantage of allowing simultaneous control of the position and force of the mechanism.