Uma solução para economia de ar comprimido em sistemas de controle de posição pneumáticos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014.Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de um esquema alternativo para a economia de ar comprimido em sistemas de posicionamento pneumáticos que necessitam mover cargas elevadas. Este novo esquema adiciona uma válvula on/off de rápida comutação em uma realimentação entre as câmaras do atuador pneumático. Primeiramente, a modelagem matemática foi desenvolvida, tanto para entender o comportamento do sistema com válvula auxiliar, quanto no desenvolvimento do algoritmo para a economia de ar comprimido. A modelagem consiste em equacionar o comportamento dinâmico e estático dos principais componentes, como a válvula auxiliar on/off de rápida comutação, válvula proporcional e sistema de atuação pneumático. O algoritmo para economia de ar comprimido leva em conta a diferença de pressões nas câmaras do atuador e o sinal de controle de referência para a tomada de decisão de acionamento das válvulas. O sistema usa dois controladores, sendo que o sinal de controle enviado à válvula proporcional provém de um controlador PI com compensação da não linearidade da zona morta a partir da sua inversa suavizada e para o sinal enviado a válvula on/off de rápida comutação, uma técnica de Modulação por Largura de Pulso associada com um controlador PI foi implementada. Os resultados teórico-experimentais foram obtidos por intermédio da modelagem não linear detalhada do sistema e da utilização de uma bancada de testes. O modelo teórico apresentou um comportamento próximo do comportamento real de forma que foi utilizado para a determinação da diferença de pressão necessária para conseguir uma realimentação entre as câmaras do atuador pneumático e atingir os requisitos de posicionamento do sistema. Essa diferença de pressão é um parâmetro importante para garantir o funcionamento do algoritmo para economia de ar comprimido. Os resultados experimentais mostraram que, com esta configuração, até 47 % de ar comprimido pode ser economizado levando em conta a resposta ao degrau e de até 54% para o seguimento de trajetória senoidal. O custo extra para o acréscimo da válvula auxiliar pode ser compensado pela economia de ar comprimido. O período para retorno do investimento é de aproximadamente 0,9 anos para a sequência de entrada em degrau e 0,72 anos para o seguimento de trajetória senoidal, caso transdutores de pressão estejam disponíveis no sistema.Abstract : This work presents a theoretical and experimental study of an alternative scheme to compressed air saving in pneumatic positioning systems with need move high loads. This new scheme adds a fast switching on/off valve in a feedback between the chambers of the pneumatic actuator. Firstly, the mathematical modeling was developed to understand the behavior of the system with an auxiliary on/off valve and to developing of the algorithm to compressed air saving. The mathematical modeling consists in equating the static and dynamic behavior of the main components, like fast switching on/off valve, proportional valve and pneumatic actuator system. The algorithm to compressed air saving, takes into account the pressure difference in the actuator chambers and the control signal reference to make decision to activation of valves. The system use two controllers, being the proportional valve signal from a PI controller with compensation of nonlinearity dead zone from a smoothed inverse and in the signal sent to auxiliary fast switching on/off valve, a Pulse Width Modulation technique associated with a PI controller was implemented. The theoretical and experimental results were obtained, firstly with the simulation of the mathematical model and after from tests conducted on test bench. The theoretical model presents a behavior very close to the real behavior. Having the validated model, one can obtain the pressure difference required to achieve a feedback between the chambers of the pneumatic actuator and achieve the positioning requirements of the system. This difference in pressure is an important parameter for the algorithm for compressed air saving. The experimental results showed that, with this configuration, until 47 % of compressed air can be saved to step response and of up to 54% for the sinusoidal trajectory tracking. The extra cost for the addition of auxiliary valve can be offset by compressed air saving. The payback period is of approximately 0.9 years to steps inputs and of approximately 0.72 years to the sinusoidal trajectory tracking, if the pressure transducers are available in the system

Metodología de diseño de manos robóticas basada en los estados de su sistema accionador

La mano humana es una de las herramientas más asombrosas de la naturaleza, tanto que no ha podido ser superada en ningún aspecto hasta el momento. Siendo el principal medio por el cual se ha creado y construido, directa o indirectamente, todo lo artificial que actualmente nos rodea, es natural pensar de que gran parte de la comunidad científica relacionada con la robótica dedique grandes esfuerzos por imitarla. En la actualidad se puede realizar un extenso catálogo de manos robóticas desarrolladas y todas buscan resolver un determinado comportamiento de la mano humana, aún así, éstas se pueden dividir en tres grupos bien definidos: las pinzas robóticas, las cuales se caracterizan por su aplicación industrial en tareas de agarre firme de elementos específicos y por su robustez, precio y vida útil; por otro lado, están las manos robóticas subactuadas en las que se buscan mecanismos cada vez más complejos que hagan disminuir la cantidad de actuadores y la complejidad de su sistema de control a favor de mejorar la funcionalidad de las pinzas robóticas en lo que se refiere a extender su capacidad de agarre a objetos con formas y tamaños cada vez más diferentes; y finalmente encontramos las demás manos robóticas en las que su objetivo es la experimentación de un determinado comportamiento de la mano humana más centrada en las tareas de manipulación. Esta tesis propone una metodología de diseño de manos robóticas desde un punto de vista particular, que es el de los estados que puede ofrecer su sistema de accionamiento, teniendo en cuenta la capacidad de combinarlos y hacerlos independientes. Los elementos móviles que componen una mano robótica son accionados por un actuador o conjunto de actuadores. El sistema accionador es el órgano principal que da vida a un determinado sistema robótico como una mano robótica, por lo tanto es preciso identificar la capacidad que tiene el mismo de hacer que ese movimiento pueda generar tareas cada vez más complejas. La forma de identificar esta capacidad se resume en los estados y la calidad de los mismos que el sistema accionador puede ofrecer. Esta metodología de diseño se basa fundamentalmente en este concepto y que si bien en este trabajo es aplicado a manos robóticas, puede ser extendido a cualquier sistema robótico que disponga de un sistema accionador y de esta forma optimizar sus recursos no sólo a nivel funcional, sino también en el ahorro de energía. En el transcurso de este trabajo se han diseñado dos manos robóticas con esta metodología y se ha realizado un ensayo de viabilidad técnica de un actuador capaz de ofrecer un número finito de estados mayor a los tres que ofrece actualmente cualquier actuador. Estos diseños han demostrado que este tipo de metodología puede ofrecer una alternativa para la optimización del sistema accionador de una mano robótica. Por otro lado, la misma también puede ser aplicada a cualquier tipo de mano robótica y para cualquier aplicación y servir como una herramienta útil para el análisis del diseño de las manos robóticas actuales y buscar puntos de optimización para futuros desarrollos