Force control on hydraulic actuators through additional hydraulic compliance

Abstract

A força é o resultado da interação entre dois sistemas mecânicos. Toda vez que ocorre uma interação mecânica, o sistema de atuação troca energia com o meio externo. A dinâmica da interação mecânica pode ser caracterizada por uma impedância mecânica, a qual está intimamente relacionada à elasticidade nas transmissões mecânicas. O incremento da elasticidade é uma maneira de superar os problemas de estabilidade inerentes ao controle de força. Por outro lado, o controle de força é um dos assuntos mais estudados em várias áreas, especialmente na robótica, onde é usado para descrever a interação entre um robô e um entorno desconhecido. Um atuador com transmissão elástica terá uma impedância mecânica menor no porto de interação e, portanto, uma melhor capacidade de reduzir as forças de interação ao encontrar um objeto imprevisível, sendo uma boa opção para sistemas de controle de força. A maioria dos pesquisadores usa elementos mecanicamente flexíveis, como uma mola ou um amortecedor, em série com o atuador a fim de obter a flexibilidade necessária para as suas aplicações. A flexibilidade do sistema pode ser modificada de forma ativa ou passiva. A flexibilidade ativa é alcançada pelo controle realimentado baseado nas medições de força, e a flexibilidade passiva é alcançada inserindo componentes mecânicos flexíveis na transmissão do sistema de atuação. No entanto, nos sistemas de controle de força hidráulica, o comportamento flexível dos componentes mecânicos também pode ser ajustado usando apenas componentes hidráulicos equivalentes. Nesse sentido, o caso hidráulico tem algumas vantagens em comparação com o caso eletromecânico, pois nenhum componente adicional é inserido em série com o atuador. Sendo assim, nenhum espaço adicional é necessário, seja no eixo longitudinal, no caso de atuadores lineares, ou axial, no caso de atuadores rotativos, para incorporar um componente mecânico flexível, reduzindo o espaço necessário para o sistema de atuação. Esta tese visa a mostrar a possibilidade de garantir a flexibilidade requerida usando apenas componentes hidráulicos, fornecendo uma análise matemática que fundamenta a necessidade de adicionar componentes hidráulicos flexíveis e estabelecendo um procedimento de seleção e dimensionamento dos mesmos. Além disso, uma técnica de controle robusta no domínio da frequência é avaliada considerando os problemas intrínsecos do controle de força, tais como variações de parâmetros internos do sistema, incertezas de comportamento dinâmico do entorno, entre outros.

Abstract: Force is the result of the interaction between two mechanical systems, and every time that a mechanical interaction occurs, the actuation system and the environment exchange power. Mechanical interaction dynamics may be characterized by mechanical impedance, which is intimately related with compliance in mechanical transmissions. Increasing the compliance is a way to overcome the inherent stability problems associated with force control. On the other hand, force control is one of the most studied topics in diverse areas, especially in robotics where it is used to describe the interaction between a robot and an unknown environment. An actuator with compliant transmission will have a lower mechanical impedance at the interaction port and, therefore, a better capability to reduce interaction forces when it encounters an unpredicted object, being a good choice for force control systems. Most of researchers use mechanical compliant elements in series with the actuator, such as springs or dampers, in order to achieve a required compliance for their applications. System compliance can be controlled or modified in active or passive ways. Active compliance is obtained by force-based feedback control, and passive compliance is typically obtained by introducing mechanical compliant components in the transmission of the actuation system. Nevertheless, in hydraulic force control systems, the compliant behavior of the mechanical components can also be obtained and shaped using only equivalent hydraulic components. In this sense, the hydraulic case has some advantages compared with the electromechanical case, because no additional components are inserted in series with the actuator. Therefore, no additional space is required, either in the longitudinal axis, in case of linear actuators, or axial, in case of rotational actuators, to incorporate a mechanical compliant component, reducing the space required for the actuation system. This thesis aims to show the possibility of ensuring a required compliance in hydraulic actuators using only hydraulic components, giving a mathematical background to substantiate the need for additional hydraulic compliant components, and establishing a procedure for selecting and sizing them. Additionally, a robust control technique in frequency-domain is evaluated considering the intrinsic force control problems, such as the variations of internal parameters of the system, uncertain dynamic behavior of the environment, among others.