Dissertação

{en_GB=Modeling of Artificial Muscles Made of Nylon Wire} {} EVALUATED

{pt=Músculos artificiais são uma área que pode combinar os campos biomecânico, biomédico e da robótica. Apesar do esforço para criar novas tecnologias ou melhorar as atuais, a maioria das propriedades dos músculos biológicos não são reproduzidas. Como consequência, as próteses não estão optimizadas: não são leves, naturais, nem confiáveis e são caras. Isto é um problema para amputados em países em desenvolvimento, principalmente crianças, às quais as próteses deixam de servir. Recentemente, um trabalho produziu atuadores de supercoiled polymer com fio de pesca, os quais revelaram propriedades interessantes para fabricar músculos artificiais e aplicar em próteses. O presente trabalho estudou estratégias para melhorar a contração e expansão destes atuadores, e construiu uma associação agonista e antagonista, com a solução encontrada. Modelação em caixa cinzenta, baseada no modelo linear da massa-mola-amortecedor e na lei do arrefecimento de Newton, foi testada para caracterizar a associação, juntamente com um controlador PID para o ângulo. Os resultados dos atuadores individuais foram semelhantes a outros trabalhos e evidenciaram semelhanças com as propriedades dos músculos biológicos. A validação e verificação do modelo e esquema de controlo foram efetuadas por simulações e testes na associação. Os resultados podem ser melhorados explorando caminhos diferentes, mas no geral foram satisfatórios e de acordo com o esperado. A construção de atuadores foi igualmente sistematizada., en=Artificial muscles are an area where the bio-mechanical and bio-medical fields can merge their expertise with robotics. However, despite the effort to create new technologies or improve the existing ones, the majority of biological muscles’ properties are hard to duplicate. Therefore, prosthetic devices lack optimization in weight, reliability and do not feel natural and are expensive. This is a problem for amputees in developing countries, notably children, who quickly outgrow their prostheses. Recently, a work produced supercoiled polymer actuators with fishing line, which revealed attractive properties to manufacture artificial muscles to apply in prostheses. The present work studied strategies to improve the contraction and expansion of these actuators, and built an agonist and antagonist association, with the selected solution. Grey-box modeling, based on the linear mass-spring-damper model and on the Newton’s law of cooling, covered the association dynamics, together with a PID controller for the angle. Single actuators’ results were in line with other works findings and revealed some degree of similarity to biological muscles’ properties. Simulations and tests upon the association validated and verified the model and control scheme. It is possible to improve the results and explore new paths; still, they were satisfactory and in accordance with the expected behavior. The work also described the actuators’ manufacturing process.}
{pt=músculos artificiais, atuadores de supercoiled polymer, associação agonista e antagonista, modelação em caixa cinzenta, desenho de sistema de controlo, controlo de ângulo., en=artificial muscles, supercoiled polymer actuators, agonist and antagonist association, grey-box modeling, control system design, angle control.}

Novembro 9, 2020, 12:30

Orientação

ORIENTADOR

João Fernando Cardoso Silva Sequeira

Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)

Professor Auxiliar