Modelagem, análise e controle de um protótipo de cadeira de rodas auto-equilibrista

Abstract

A inclusão de pessoas com deficiência é um assunto sempre pertinente frente ao número de pessoas dentro deste grupo e as dificuldades que estas enfrentam diariamente. A deficiência motora é a segunda mais relatada no Brasil. Cerca de 3,7 milhões de pessoas relatam ter grandes dificuldades de locomoção. Considerando a evolução dentro das Tecnologias Assistivas nos últimos anos, busca-se cada vez mais alternativas para implementar e facilitar a inclusão social de pessoas com mobilidade reduzida. Este documento descreve o processo de desenvolvimento de uma cadeira de rodas com o princípio de funcionamento por auto-equilíbrio, visando possibilitar maior liberdade de movimentos ao usuário, e consequentemente, uma locomoção mais intuitiva. O documento apresenta o projeto mecânico e elétrico de um protótipo em escala real, o modelo dinâmico do sistema e o projeto de 3 controladores: compensador estático com inclusão de integrador na malha direta (PI), regulador linear quadrático (LQR) e modos delizantes (MD). Cada controlador é aplicado a 3 estratégias de controle diferentes, cada uma com objetivos específicos. Ao final, são apresentados os resultados de simulações computacionais e testes práticos realizados com o protótipo, juntamente com a análise e comparação dos resultados.

Abstract: The inclusion of people with disabilities is a relevant issue in relation to the number of people within this group, and how they face it daily. Motor deficiency is the second most reported in Brazil. About 3,7 million people report great difficulties in locomotion. Considering the evolution in Assistive Technologies in recent years, we are increasingly seeking alternatives to implement and facilitate the social inclusion of people with reduced mobility. This document describes the developing process of a wheelchair with a self-balancing working principle, allowing greater freedom of movements for the user and, consequently, a more intuitive locomotion. The document shows the mechanical and electrical design of a prototype in real scale, the dynamic model of the system and the design of 3 controllers: static compensator with the inclusion of integrator in the direct mesh (PI), linear-quadratic regulator (LQR) and sliding modes (MD). Each controller is applied to 3 different control strategies, each one with specific objectives. At the end, the results of computational simulations and practical tests performed with the prototype are presented, with the analysis and comparison of the results.