Designers have faced difficulties when it comes to the interaction between robots and humans in dynamic environments. Managing the events in such scenarios involves controlling the force and velocity of the robots. There are two approaches to achieve this: controlling only the force or indirectly controlling the relationship between force and velocity through impedance. In addition to these factors, researchers have also investigated controllers for collaborative robots, legged robots and exoskeletons. This has posed a challenge for designers in determining the appropriate drive system to use. To address this issue, it is beneficial to provide a comprehensive comparison of controller-actuator combinations, which can serve as a guide for selecting the most suitable elements based on the specific application. Hence, the objective of this master's project is to systematically compare the stability and performance of force controllers in electric and hydraulic actuators. In order to achieve this goal, an experimental setup was designed, constructed and validated, along with the development of a benchmarking methodology that includes a range of metrics to assess performance, passivity, and stability. The methodology is applicable to all types of actuators and force controllers. Its approach enables the calculation of metrics regardless of loads or environments. It was implemented on three distinct actuation systems: a DC motor, a linear electric motor (PMLSM), and a hydraulic actuator (servo valve and cylinder). Various controllers, including different variations of PIDs, load velocity compensation, and disturbance observers (DOB), were tested for each actuator. The metrics obtained from the tests provided insights into the influence of different control architectures on the performance and stability of the actuators. For instance, it was observed that the derivative gain negatively affected the linear electric motor, while load velocity compensations showed more enhancements for hydraulic actuators. Moreover, linear controllers like PID exhibited poorer performance in systems with higher levels of non-linearities, such as hydraulic systems. There are both advantages and disadvantages to using the systems identified in the methodology. On the positive side, these transfer functions allow for the inclusion of metrics that can provide a more comprehensive evaluation of the system stability. However, it is important to note that these metrics can be influenced by external variables such as friction and uncertainties in the experimental data used on the identification process. Additionally, the use of this method enabled faster calculation of metrics and the capture of the most important information regarding force control in the studied cases.

A interação entre robôs e humanos em ambientes dinâmicos tem sido desafiadora para os projetistas. O controle desses eventos é feito a partir do controle da grandezas envolvidas, força e velocidade. Para tal, pode-se escolher controlar apenas a força ou, de maneira indireta, controlar a relação entre as duas variáveis a partir da impedância. Junto a esses aspectos, controladores vêm sendo estudados para robôs colaborativos, robôs com pernas e exoesqueletos, fazendo com que projetistas tenham dificuldade quanto a qual sistema de acionamento utilizar. Neste contexto, é conveniente oferecer uma comparação sistemática dos conjuntos controladores-atuadores, de modo a disponibilizar um guia que permita adequar a seleção desses elementos conforme a aplicação. Assim, o presente projeto de mestrado tem como objetivo realizar uma comparação sistemática em estabilidade e desempenho de controladores de força em atuadores elétricos e hidráulicos. Para atingir este objetivo, foi criada, construída e validada uma bancada experimental, junto com o desenvolvimento de uma metodologia de benchmarking que inclui uma série de métricas para avaliar desempenho, passividade e estabilidade dos sistemas desejados. A metodologia é aplicável a todos os tipos de atuadores e controladores. Sua abordagem permite o cálculo de métricas independente de cargas/ambientes. Ela foi implementada em três sistemas de atuação distintos: um motor DC, um motor elétrico linear (PMLSM) e um atuador hidráulico (servoválvula e cilindro). Vários controladores, incluindo diferentes variações de PIDs, compensação de velocidade de carga e observadores de distúrbios (DOB), foram testados para cada atuador. As métricas obtidas nos testes forneceram percepções sobre a influência de diferentes arquiteturas de controle no desempenho e estabilidade dos atuadores. Por exemplo, observou-se que o ganho derivativo afetou negativamente o motor elétrico linear, enquanto as compensações de velocidade de carga apresentaram mais melhorias para atuadores hidráulicos. Além disso, controladores lineares como o PID apresentaram desempenho inferior em sistemas com níveis mais elevados de não linearidades, como sistemas hidráulicos. Existem vantagens e desvantagens na utilização dos sistemas identificados na metodologia. Do lado positivo, estas funções de transferência permitem a inclusão de métricas que podem fornecer uma avaliação mais abrangente da estabilidade do sistema. Porém, é importante notar que essas métricas podem ser influenciadas por variáveis externas como atrito e incertezas nos dados experimentais usados nas identificações. Além disso, a utilização deste método possibilitou o cálculo mais rápido das métricas e a captura de informações importantes sobre o controle de força nos casos estudados.