Contributions to folding mechatronics: a scissor-like elements based approach

Abstract

A mecatrônica dobrável é uma tecnologia que surge devido à necessidade de desenvolver dispositivos que possam ser transportados de forma compacta e na hora de serem utilizados podem ser desdobrados atingindo um tamanho maior de acordo com a aplicação. No projeto de um dispositivo mecatrônico, duas etapas devem ser consideradas: a primeira focada no projeto da estrutura tangível, hardware, onde o principal desafio consiste no projeto da estrutura dobrável; e a segunda etapa consiste no desenvolvimento de um algoritmo de controle, software, que considera as necesidades e restrições do sistema físico. Elementos do tipo tesoura (ETT) são usados para o projeto da estrutura dobrável. Um ETT consiste em um par de vigas unidas por um pivô, uma junta de rotação, para permitir a rotação livre de uma viga em relação à outra em torno do eixo do pivô. Existe uma grande variedade de ETT que facilita a formação de estruturas com morfologias diversas. Com o objetivo de projetar estruturas dobráveis duais são usados na análise cinemática de ETTs. Na análise cinemática, são considerados aspectos relacionados à cinemática direta e ao espaço de trabalho. A equação de estados é representada por meio de um sistema massa-mola-amortecedor cujos parâmetros são obtidos por meio da teoria de identificação de sistemas. No projeto do controlador, duas abordagens são exploradas: uma em tempo contínuo e outra em tempo discreto. Em tempo contínuo, é apresentada uma abordagem robusta baseada em desigualdades de matrizes lineares. Por outro lado, um controlador preditivo é empregado para lidar com a abordagem em tempo discreto. Restrições na entrada e saída do sistema dinâmico são consideradas pelo controlador preditivo.

Abstract: Folding Mechatronics is a technology that arises due to the need to develop devices that can be transported in a compact way, and when they are used, they can be deployed, reaching a larger size according to what is necessary. In the design of a mechatronic device, two steps must be considered: the first focused on the design of the tangible structure, hardware, where the main challenge is the design of the folding structure; and the second stage consists of the development of a control algorithm, software, which considers the needs and restrictions of the physical system. Scissor-like elements (SLE) are used for the design of the folding structure. An SLE consists of a pair of beams joined by a pivot, a rotation joint, to allow free rotation of one beam in relation to the other around the pivot axis. There is a wide variety of SLE that facilitates the formation of structures with different morphologies. In order to design lightweight folding structures, the use of origami coupled with SLEs is also explored. Dual quaternions are used in the kinematic analysis of SLEs. In the kinematic analysis, aspects related to direct kinematics and the workspace are considered. The state equation is represented by means of a mass-spring-damper system whose parameters are obtained through systems identification theory. In the controller project, two approaches are explored: one in continuous time and the other in discrete time. In a continuous-time, a robust approach based on inequalities of linear matrices is presented. On the other hand, a predictive controller is employed to handle the discrete time approach. The predictive controller handles restrictions on the input and the output of the dynamic system.