Řídicí systém pro flexibilní modulární struktury

Abstract

Metamateriály jsou uměle navržené materiály vykazující vlastnosti, které se v~přírodě běžně nevyskytují. Ve většině případů vznikají sestavením mnoha základních elementů do pravidelných vzorů a lze je přizpůsobit konkrétní úloze. Díky tomu jsou zajímavé pro řadu oblastí, mezi které patří návrh protéz, sestavování počítačů a stavba vesmírných struktur. Dosavadní výzkum se soustředil především na návrh struktury a studium statického chování metamateriálů a mřížkových materiálů, nicméně díky svým vlastnostem by mohly najít uplatnění i při stavbě dynamických struktur, včetně robotů. V této práci se zaměříme na návrh řídicích systémů právě pro tyto struktury. V této práci představíme tři struktury: Voxelovou věž, robota ŽůžO a Digicomb. Na nich ukážeme řešení klíčových kroků při návrhu řídicího systému právě pro mřížkové struktury a popíšeme skutečnosti, které je potřeba při návrhu zohlednit. Mezi tato témata patří vyřešení způsobu aktuace mřížkových struktur a jejich modelování. Jádro této práce tvoří Voxelová věž, na které budeme zkoumat dva problémy z~oblasti automatického řízení: stabilizaci spolu s odmítáním poruch a sledování reference. K řešení těchto úloh použijeme lineárně kvadratický regulátor (LQR) a~Koopmanův prediktivní regulátor (KMPC), jejichž implementaci doplníme reálnými experimenty. Přestože zbylé dvě struktury slouží především k otestování, zda jsou mechamické metamateriály vhodné pro stavbu dynamických struktur, navrhneme a simulačně ověříme KMPC algoritmus pro sledování trajektorie také pro ŽůžA.

Metamaterials are materials engineered to exhibit properties that do not normally occur in nature. They usually comprise multiple building elements in repeating patterns and can be tailored to specific applications. This makes them a subject of great interest for numerous applications, including, but not limited to, designing prosthetics, building computers, and assembling space structures. While existing literature has predominantly focused on the structural design and static behaviour of metamaterials and lattice-based materials, their properties hold promise for building dynamic structures, including robots. This thesis centers on the design of control systems for such structures. This thesis introduces three structures: the Voxel Tower, robot ŽůžO, and Digicomb. They enable the addressing of key steps and considerations in the controller design for lattice-based structures, such as actuation methods and model acquisition process. The Voxel Tower serves as the focal point of this research, exploring two scenarios in control engineering: stabilisation together with disturbance attenuation and reference tracking. Linear Quadratic Regulator (LQR) and Koopman Model Predictive Control (KMPC) algorithms are employed to address these tasks. The implementation of said control strategies is supplemented with real hardware experiments and simulation results. The remaining two structures serve primarily as test platforms for assessing the suitability of mechanical metamaterials for building dynamic structures. Nevertheless, KMPC for reference tracking for \zuzo is also designed and its performance is validated through simulations.