[pt] O método da dinâmica inversa para o controle de manipuladores robóticos é apresentado. A ideia básica deste método é cancelar as não linearidades e acoplamentos, que caracterizam o comportamento dinâmico de manipuladores, através de um modelo dinâmico do mesmo (controlador primário). Com isto, o sistema resultante é linear e desaclopado, podendo ser controlado por técnicas de controle linear (controlador secundário). O método é inicialmente desenvolvido considerando o caso ideal do controlador primário (onde o modelo dinâmico é perfeito) e um PD para o controlador secundário. As implicações de imperfeições no cancelamento das não linearidades e aclopamentos do sistema pelo controlador primário são mostradas. As duas formulações existentes para o controlador primário – computed – torque e feedforward – são descritas. É sugerida uma formulação híbrida para contornar os problemas de implementação das duas formulações. Um enfoque maior é dado às versões simplificadas da formulação computed – torque. Simulações são feitas para melhor esclarecer esta questão. Em substituição ao PD, é descrito o projeto de um compensador linear robusto a partir do método das fatorações por matrizes própias e estáveis. O projeto é apresentado com análises mais detalhadas de algumas questões e com correções nos erros encontrados, em relação ao projeto existente na literatura. Análises comparativas com o PD são feitas e é explicada a influencia de frequências de amostragem no desempenho e ganhos do controlador PD. / [en] The inverse dynamics control of robot manipulators is presented. The main idea of this control method is to cancel the nonlinearities and coupling effects, that describe the dynamic behavior of manipulators, using a dynamic model of the system (primary controller). Since the resulting system is linear and uncoupled, it can be controlled by linear control techniques (secondary controller). The method is initially derived considering the ideal case of the primary controller (where the dynamic model is perfect) and a PD for the secondary controller. The implications of inexact cancelling of the system nonlinearities and coupling effects by the primary controller are shown. The two existing primary controller formulations – computed-torque and feedforward – are described. A hybrid formulations is suggested to overcome the implementation problems of the two formulations. Special attention is given to the simplified computed-torque schemes, which are subject of controversy in the literature. Simulations are performed to better illustrate this matter. A robust linear compensator design, based on the stable factorization approach, is described analyses of some questions and with corrections of the detected mistakes, regarding the existing design. Comparative analyses with the PD are done. The effects of sampling rates on the tracking performances and PD gains are explained.

[pt] Motores de passo são os motores mais utilizados em aplicações de controle de posicionamento em malha aberta. Entretanto, as limitações desta forma de atuação têm fomentado o desenvolvimento de novas técnicas que incorporem o controle em malha fechada. Motores de passo possuem boa relação entre torque e custo, tornando-os atraentes para aplicações em manipuladores robóticos. Mas as técnicas tradicionais de controle de manipuladores elétricos, que normalmente assumem o uso de motores de corrente contínua, apresentam baixo desempenho quando aplicadas a motores de passo, mesmo com o uso de sensores de posição. A forma mais comum de controle em malha fechada de motores de passo exige um encoder diretamente acoplado ao eixo do motor, formando um sistema colocado. No entanto, o projeto de muitos motores de passo não permite este acoplamento. Nesses casos, é necessário instalar os encoders na estrutura do manipulador, separados dos atuadores, caracterizando um sistema nãocolocado, que tipicamente apresenta problemas de estabilidade. Este trabalho propõe uma técnica de controle que recebe a realimentação de um encoder, não diretamente acoplado ao motor, e gera uma sequência de pulsos para o driver do motor de passo. Esse trem de pulsos é calculado de modo a não exigir acelerações excessivas, e assim prevenir a perda de passo do motor. O modelo de um sistema robótico usando este controlador é desenvolvido e simulado em Simulink/MATLAB. Um manipulador robótico de seis graus de liberdade acionado por motores de passo é especialmente projetado e construído para validar a técnica de controle apresentada, controlado por um microcontrolador PIC18F2431. O manipulador desenvolvido é modelado, e sua dinâmica analisada através de simulações. Os experimentos comprovam a eficiência da técnica de controle proposta, resultando em uma precisão absoluta na extremidade do manipulador de 1,3mm e repetibilidade 0,5mm . / [en] Stepper motors are used in most applications in open loop. However, the limitations of this type of control have encouraged the development of new techniques for closed loop control. Stepper motors have a good relationship between torque and cost, making it attractive for applications in robotic manipulators. But the limitation of traditional control deteriorates the performance of the manipulator. The most common form of closed loop control of stepper motors require an encoder directly coupled to the motor shaft. However, this is not always practical. In some cases, it is necessary to control the position of some system component that can’t be precisely known from the position of the motor. This work proposes a control technique that receives feedback from an encoder, not directly coupled to the motor shaft, and generates a sequence of pulses to the stepper motor driver. This pulse train is done so as not to require excessive accelerations, and thus prevent the loss of step. The model of a system using this controller is built using Simulink/MATLAB. A robotic manipulator of six degrees of freedom, using stepper motors, is designed and built to validate the presented control techniques, implemented on a PIC18F2431 microcontroller. The obtained absolute accuracy is 1,3mm and repeatability 0,5mm , proving the efficiency of the proposed control technique.

[pt] O controle de empuxo vetorial (TVC) é usado para o controle de atitude de foguetes aeroespaciais. No caso de propulsão usando combustível líquido, tradicionalmente o bocal é conectado ao corpo do foguete através de uma junta cardânica. Dois atuadores hidráulicos são colocados ao redor do bocal para controlar sua orientação. Nesta tese, o TVC é tratado como uma plataforma robótica de base fixa. Ao invés de usar servo-válvulas comerciais para controlar os atuadores, uma nova válvula de controle é proposta. Primeiro uma plataforma cardânica é considerada com transdutores de posição angular medindo o deslocamento da cruzeta da junta. Em seguida, uma nova configuração da plataforma é proposta substituindo o cardan por uma junta homocinética. Neste caso, a realimentação da posição da plataforma é feito usando um estimador de atitude em tempo real. Este estimador é um filtro complementar baseado em matrizes de orientação que coleta dados de uma central inercial (IMU). A modelagem do sistema começa com a cinemática. Na sequência, a modelagem dinâmica utiliza a formulação de Newton-Euler para obter a equação de movimento. A modelagem do sistema hidráulico é apresentada com o modelo da nova válvula de controle e do atuador. Inicialmente, um controlador puramente proporcional é proposto. Durante a validação experimental é mostrado que devido as características do sistema de atuação, mesmo este simples controlador é preciso e confiável. Em seguida é demonstrado um método para avaliar outras estratégias de controle. A comparação entre a plataforma cardânica e homocinética mostra que, nas condições analisadas, ambas têm um comportamento dinâmico similar. Nas duas configurações da plataforma o sistema se mostrou preciso e confiável. / [en] Thrust Vector Control (TVC) is used for the attitude control of spacecrafts. In the case of liquid-propellant fuel, the nozzle is traditionally connected to the rocket frame through a gimbal. Two hydraulic actuators are placed around the nozzle to control its orientation. In this Thesis, TVC is treated as a fixed base robotic platform. Instead of using commercial servo-valves to control the actuators, a novel control valve is proposed. First a gimbaled platform is considered with two angular position transducers to measure the angular displacement of the joint crosshead. Then, a homokinetic platform configuration is proposed replacing the gimbal by a constant velocity joint. In this case, the platform position feedback is done using a real-time attitude estimator. The estimator is a complementary filter based on orientation matrices that collects data from an inertial measurement unit (IMU). The modeling of the system begins with kinematics. Then, the dynamic modeling uses the Newton-Euler formulation to obtain the equation of motion. The modeling of the electro-hydraulic system is presented with the model of the novel control valve and the linear actuator. Initially, a full proportional controller is proposed. During the experimental validation it is shown that due to the characteristics of the actuation system, even this simple controller is accurate and reliable. Thereafter, method is demonstrated to evaluate novel control strategies. The comparison between the gimbaled and homokinetic platform shows that, under the analyzed conditions, they have a similar dynamic behavior. In both platform configurations the system is accurate and reliable.

[pt] Neste trabalho é abordado o problema do controle durante o período de transição de contato em manipuladores robóticos. Tipicamente é o controlador de força que deve atuar durante o período transiente, no entanto esse controlador não está preparado para lidar com o fenômeno altamente não-linear que representam os impactos e as perdas de contato. No trabalho, inicialmente é feita uma análise do desempenho e estabilidade dos controladores de força convencionais durante a transição de contato. Essa análise é baseada em modelos simplificados: um de manipulador rígido e outro de flexível. É mostrado que os impactos não originam instabilidade dinâmica mas podem deteriorar severamente o desempenho do sistema. Posteriormente, com a finalidade de obter modelos mais realistas que validassem a efetividade de novos controladores, é desenvolvido um modelo para um manipulador rígido-flexível de dois elos em que se colocam pastilhas piezoelétricas coladas ao longo do braço flexível. Também são estudados modelos de contato. Finalmente, são apresentados três novos controladores que são projetados especificamente para lidar com os impactos e perdas de contato que aparecem na transição de contato. A idéia do primeiro controlador é detectar o primeiro impacto e a partir dele reformular a trajetória que a extremidade do manipulador deverá seguir para atingir a superfície do meio com velocidade mínima, evitando assim outros impactos. O projeto deste controlador é feito usando a teoria de controle ótimo. O segundo controlador baseia-se na linearização do movimento de um manipulador flexível em torno do movimento do manipulador considerado rígido. A equação resultante é usada para projetar um controlador de posição de alta precisão que permite evitar, ou diminuir, a severidade do impacto inicial. A idéia do terceiro controlador é amortecer ativamente a parte flexível do manipulador através das pastilhas piezoelétricas que funcionam como atuadores e sensores colocados de maneira a garantir estabilidade em presença de dinâmica residual. O projeto do controlador é formulado como um problema de otimização que é resolvido através de técnicas de programação não-linear. / [en] In this work it is considered the problem of control during the contact transition period in robotic manipulators. Typically it is the force controller that acts during the transient period, however that controller is not prepared to deal effectively with impacts and losses of contact. In this work, it is initially performed an analysis of the stability and performance of conventional force controllers working during the contact transition. The analysis is based on simplified models for rigid and flexible manipulators. It is proved that the impacts do not cause dynamic instability, but they can severely degrade the system performance. Later, with the purpose of getting more realistic models to validate the effectiveness of new controllers, a model of a two-link rigid-flexible manipulator is developed considering glued piezoelectric sheets along the flexible arm. Contact models are also studied. Finally, three new controllers are presented which are designed to specifically deal with impacts and losses of contact during the contact transition period. The main idea of the first controller is to identify the first and unavoidable impact and then to reformulate the trajectory that the endeffector will follow to approach the collision surface with a minimum velocity, thus preventing new impacts. The controller is designed by using the theory of optimal control. The second controller is based on the equation of the motion of a flexible manipulator linearized around the motion of the manipulator when all the links are considered rigid. The obtained equation is used to design a high precision position controller to prevent or lessen the severity of the initial impact. The idea of the third controller is to actively damp the flexible part of the manipulator through the piezoelectric sheets that act as collocated actuators and sensors, this way the stability in presence of residual dynamics is guaranteed. The controller design is formulated as an optimization problem that is solved through nonlinear programming techniques.

[pt] Os avanços da Robótica nas últimas décadas permitem um aumento nas gamas de aplicações de manipuladores robóticos em diversos setores da indústria. Isto, impacta diretamente a interação Homem-Robô (HRI), resultando em um aumento de tarefas que requerem compartilhamento de ambiente de trabalho, desempenho de segurança e a habilidade de detecção de contato do manipulador robótico. Consequentemente, métodos de controle capazes de prever contato, controlar força ou trajetória para evitar danos durante colisões se tornam cada vez mais necessários seja por questões de segurança ou de desempenho. Separando a dinâmica de um manipulador de um único elo em dois modos, sendo eles modo de controle de posição (modo livre) e modo de controle de torque (modo de contato), a primeira parte desta dissertação, lida com o problema de estimação de estados para detecção do modo ativo através da implementação do método de Estimação de Estados de Horizonte móvel com Redes Neurais (NNMHSE). A efetividade do método de estimação proposto é avaliada através da comparação dos estados e modos gerados pelo MHSE e dos estimados pela Rede Neural. Este método apresentou baixos valores de RMSE, altos valores de R(2), e uma redução do tempo de processamento do algoritmo de estimação. A segunda parte desta dissertação lida com o problema de controle de posição e força chaveado para um manipulador robótico não linear, aplicando Controle Preditivo Baseado em Modelo (MPC). O algoritmo MPC chaveado implementado mostrou-se capaz de controlar efetivamente ambos os modos do sistema apresentando baixo erro na predição, aproximadamente 2 por cento no modo de controle de posição e 0.5 por cento no modo de controle de torque, mesmo considerando alterações cíclicas nos modos. Ambos os métodos provam ser adequados para controle de manipuladores robóticos colocalizados com seres humanos ou em ambientes desestruturados por meio da detecção do modo de operação e do controle chaveado posição-torque. / [en] The advances in Robotics in recent decades allow a growing range of robotic manipulator applications in various industry sectors. This directly impacts Human-Robot Interaction (HRI), increasing tasks that require a shared work environment, safety performance, and the contact detection ability of the robotic manipulator. Consequently, control methods capable of predicting contact, and controlling force or trajectory to avoid damage during collisions become increasingly necessary either for safety or performance reasons. Separating the dynamics of a single-link manipulator into two modes, namely position control mode (free mode) and torque control mode (contact mode), the first part of this dissertation deals with the estimation problem of states for active mode detection through the implementation of the Moving Horizon State Estimation with Neural Networks (NNMHSE) method. The effectiveness of the proposed estimation method is evaluated by comparing the states and modes generated by the MHSE and those estimated by the Neural Network. This method showed low RMSE values, high values of R(2), and a reduction in the processing time of the estimation algorithm. The second part of this dissertation deals with the position and force switching problem for a non-linear robotic manipulator, applying Model-Based Predictive Control (MPC). The implemented switched MPC algorithm effectively controlled both modes of the system, presenting low prediction error, approximately 2 percent in position control mode and 0.5 percent in torque control mode, even considering cyclical changes in the modes. Both methods prove to be suitable for controlling co-located robotic manipulators with humans or in unstructured environments through operation mode detection and position-torque switching control.