[pt] Apresentamos uma formulação de um robô-manipulador como uma viga em rotação engastada num eixo fixo que tem uma parte rígida de comprimento variável e uma parte flexível, com uma carga no extremo livre. O movimento é decomposto em duas partes: um movimento global rígido e outro devido a deformações da viga em torno de uma configuração variável. Para possibilitar futuro controle na estrutura simplificamos o modelo supondo que a parte flexível da viga com respeito a um referencial móvel sofre apenas pequenas deformações. A contribuição principal da tese consiste no desenvolvimento de um código simbólico-numérico. A formulação da dinâmica, a partir do lagrangeano e das forças generalizadas é feita simbolicamente. As equações são discretizadas no espaço pelo método dos elementos finitos e as matrizes de massa, rigidez, amortecimento e as forças generalizadas são construídas simbolicamente por elemento e então montadas, sendo que todo este processo é automático. / [en] The formulation of a manipulator robot is presented as a rotating beam which is clamped in a fixed shaft and hás a stiff parto f variable length and a flexible part with na applied load at the free end. The motion is decomposed in two parts: a global rigid motion and another one due to beam deformations around a variable configuration. Looking forward to controlling the structure, the model is simplified with the assumption that the flexible part of beam suffers only small deformations with respect to a moving reference frame. The main contribution of this thesis consists in the development of a symbolic-numerical code. The dynamics formualtion obtained through the Lagrangean and generalized forces in computed symbolically. The equations are written in discrete form in PI2 using the finite element method and the mass steffness, damping and generalized forces matrices are symbolically constructed by element and then assembled, the whole process being automatic.

[pt] Esta dissertação propõe um exemplo prático de desenvolvimento e integração de um sistema robotizado que dispensa um operador com conhecimentos mais profundos em robótica. A interface com o usuário é amigável, tanto quanto possível. O objetivo ao final do trabalho é ter um sistema que seja capaz de manipular peças mecânicas com um simples comando dado, pela voz do operador do sistema. Para tanto, realiza-se uma integração de diversos sistemas independentes que, colocados para trabalhar em conjunto, irão proporcionar um certo grau de Inteligência ao sistema como um todo. O trabalho utiliza: um sistema de reconhecimento de voz, para permitir que a voz do operador interaja com o controle central; um sistema de reconhecimento de imagens, para possibilitar a identificação de objetos; e um robô, para manipular pequenas peças. / [en] This dissertation discusses a practical example development and integration of a robotics system that does not require an expert operator. The interface is as much as possible user friendly. For that purpose, it will be shown how the integration of diverse independent systems, working together, make possible to the whole system to acquire some degree of intelligence. Techniques of voice recognition were used to give the system the ability of recognize voice commands. The system was completed using a computer vision system and a servo robot.

[pt] Nos últimos anos, os robôs móveis com pernas têm despertado o interesse da comunidade robótica, pois tais mecanismos apresentam maior versatilidade em relação aos robôs móveis de rodas e aéreos. Neste trabalho, o autor considera o problema de modelagem e projeto de controle robusto para uma classe de robôs móveis com pernas usando a abordagem de controle por modos deslizantes. Um estudo comparativo entre um algoritmo de planejamento baseado em técnicas de Fourier e controladores via modo deslizante é apresentado para o problema de estabilização de um robô móvel saltitante na fase de vôo. O autor também propõe a estabilização da postura de robôs móveis multipernas, como hexapod e robô bípede, utilizando duas abordagens de controle diferentes, o controle de regulação Cartesiana e o controle via modos deslizantes. A teoria de estabilidade de Lyapunov é usada para demonstrar as propriedades de estabilidade dos sistemas de controle em malha-fechada. Simulações numéricas em ambiente de simulação MATLAB e simulações computacionais em Gazebo, um simulador robótico 3D de código aberto, são incluídas para ilustrar o desempenho e a viabilidade da metodologia proposta. / [en] In the last years, legged mobile robots have increased the interest of the robotics community because such mechanisms have higher versatility compared to wheeled and aerial mobile robots. These characteristics make robot with legs a viable solution for rescue and monitoring operations in irregular terrains and difficult to access locations. Although singlelegged or multi-legged mechanisms can transverse any terrain, some of their disadvantages are higher complexity in modelling and control design and higher power consumption. In this work, the author considers the problem of modelling and robust control design for a class of legged mobile robots using the sliding mode control approach. A comparative study between a planning algorithm based on Fourier techniques and sliding mode controllers is presented for the stabilization problem of a hopping robot in flight phase. The author also proposes the stabilization of the posture of multilegged mobile robots such as, hexapod and biped robot, using two different control approaches, the Cartesian regulation control and the sliding mode control. The Lyapunov stability theory is used to demonstrate the stability properties of the closed-loop control systems. Numerical simulations in MATLAB simulation software and computer simulations in Gazebo, an open-source 3D robotic simulator, are included to illustrate the performance and feasibility of the propose methodology.

[pt] A inspeção interna de tanques de armazenamento pode ser uma tarefa longa, custosa e até nociva à saúde do inspetor. Uma alternativa à inspeção humana é a utilização de sistemas robóticos. Esses sistemas podem ser teleoperados de fora dos tanques, permitindo realizar a inspeção de maneira mais segura, rápida, e em alguns casos, sem que seja necessário esvaziá-lo. Para poder fornecer a localização de eventuais defeitos no tanque, o robô móvel precisa ser capaz de conhecer sua posição relativa dentro dele. Auto-localização é de grande importância para a navegação de robôs móveis. Robôs de inspeção são, na sua maioria, veículos de rodas ou esteiras magnéticas fixas. Esta configuração adiciona duas dificuldades que precisam ser abordadas na tarefa de localização. Devido à sua configuração, neste tipo de veículo, deslizamento das rodas é intrínseco ao seu funcionamento, sendo essencial levar em conta seu efeito para modelar seu comportamento adequadamente. Outra dificuldade está no uso de rodas magnéticas, devido ao forte campo magnético gerado por estes elementos, que interferem nas medições de sensores magnéticos, como por exemplo bússolas. Neste trabalho, um filtro de Kalman foi desenvolvido e implementado para a localização de um robô de quatro rodas magnéticas fixas, a partir da fusão de sensores inerciais e odometria. Na modelagem do veículo, foi utilizado um modelo cinemático como base para um modelo dinâmico, o que permitiu considerar o deslizamento intrínseco do sistema. Na fusão de sensores, foram dispensadas as medições do magnetômetro embarcado, devido à grande interferência produzida pelas rodas e à grande distância que seria necessária entre eles para não ser afetado pelo ruído. Simulações e experimentos comprovaram a eficiência do filtro implementado. / [en] Internal inspection of storage tanks can be long, costly and even detrimental to the health of the inspector. An alternative to human inspection is the use of robotic systems. These systems can be teleoperated from outside the tanks, making it possible to carry out the inspection more safely, quickly and in some cases without having to empty it. In order to provide the location of any defects in the tank, the mobile robot must be able to know its relative position within it. Self-localization is of great importance for mobile robot navigation. Inspection robots are, for the most part, vehicles with wheels or tracks. This configuration adds two difficulties that need to be addressed in the localization task. Due to its configuration, in this type of vehicle, wheel slip is intrinsic to its operation, being essential to take into account its effect to model its behavior properly. Another difficulty is the use of magnetic wheels, due to the strong magnetic field generated by these elements, which interfere with the measurements of magnetic sensors, such as compasses. In this work, a Kalman filter was developed and implemented for the localization of a four-wheel fixed magnetic robot, from the fusion of inertial sensors and odometry. In the modeling of the vehicle, a kinematic model was used as the basis for a dynamic model, which allowed to consider the intrinsic slippage of the system. In the sensor fusion, measurements of the magnetometer on board were discarded, due to the great interference produced by the wheels and the great distance that would be necessary between them to be unaffected by noise. Simulations and experiments have proven the efficiency of the implemented filter.

[pt] As tecnologias de manufatura para desenvolvimento de produtos evoluíram exponencialmente com o contínuo avanço dos algoritmos matemáticos e das interfaces de softwares cada vez mais intuitivos. Esse binômio potencializou a atual revolução digital, na qual se destaca a tecnologia de impressão 3D. Essa tecnologia cada vez mais acessível possibilita que usuários possam desenvolver protótipos físicos e até mesmo produzir por conta própria produtos para o mercado consumidor, atividade até então exclusiva das indústrias de manufatura. Uma das principais barreiras do processo ainda é o desenvolvimento de arquivos tridimensionais digitais, tornando-se necessário um entendimento específico na combinação do meio virtual com o meio físico. A compreensão do processo fomenta as diversas possibilidades que a impressão 3D pode oferecer no desenvolvimento de produtos inovadores. Essa tecnologia revoluciona a forma como projetamos, produzimos e consumimos. Para essa dissertação, estudos de casos focados em combate de robôs, uma área específica da robótica, foram desenvolvidos de forma inovadora, com comprovada eficácia em atuação. / [en] Manufacturing technologies for product development have evolved exponentially with the continued advancement of mathematical algorithms and increasingly intuitive software interfaces. This binomial has potentiated the current digital revolution, in which 3D printing technology stands out. This increasingly accessible technology enables users to develop physical prototypes and even produce products for the consumer market, a previously unique activity in the manufacturing industries. One of the main barriers of the process is still the development of three-dimensional digital files, making it necessary a specific understanding in the combination of the virtual environment with the physical environment. Understanding the process fosters the many possibilities that 3D printing can offer in the development of innovative products. This technology revolutionizes the way we design, produce and consume. In this dissertation, case studies focused on robot combat, a specific area of robotics, were developed in an innovative way, with proven effectiveness in action.

[pt] Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um controle híbrido de um robô do tipo humanoide Atlas em regime de locomoção estática para a frente. Nos experimentos faz-se uso do ambiente de simulação Gazebo, que permite uma modelagem precisa do robô. O sistema desenvolvido é composto pela modelagem da mecânica do robô, incluindo as equações da dinâmica que permitem o controle das juntas por torque computado, e pela determinação das posições que as juntas devem assumir. Isto é realizado por agentes que utilizam o algoritmo de aprendizado por reforço Q-Learning aproximado para planejar a locomoção do robô. A definição do espaço de estados, que compõe cada agente, difere da cartesiana tradicional e é baseada no conceito de pontos cardeais para estabelecer as direções a serem seguidas até o objetivo e para evitar obstáculos. Esta definição permite o uso de um ambiente simulado reduzido para treinamento, fornecendo aos agentes um conhecimento prévio à aplicação no ambiente real e facilitando, em consequência, a convergência para uma ação dita ótima em poucas iterações. Utilizam-se, no total, três agentes: um para controlar o deslocamento do centro de massa enquanto as duas pernas estão apoiadas ao chão, e outros dois para manter o centro de massa dentro de uma área de tolerância de cada um dos pés na situação em que o robô estiver apoiado com apenas um dos pés no chão. O controle híbrido foi também concebido para reduzir as chances de queda do robô durante a caminhada mediante o uso de uma série de restrições, tanto pelo aprendizado por reforço como pelo modelo da cinemática do robô. A abordagem proposta permite um treinamento eficiente em poucas iterações, produz bons resultados e assegura a integridade do robô. / [en] This dissertation presents the development of a hybrid control for an Atlas humanoid robot moving forward in a static locomotion regime. The Gazebo simulation environment used in the experiments allows a precise modeling of the robot. The developed system consists of the robot mechanics modeling, including dynamical equations that allow the control of joints by computed-torque and the determination of positions the joints should take. This is accomplished by agents that make use of the approximate Q-Learning reinforcement learning algorithm to plan the robot s locomotion. The definition of the state space that makes up each agent differs from the traditional cartesian one and is based on the concept of cardinal points to establish the directions to be followed to the goal and avoid obstacles. This allows the use of a reduced simulated environment for training, providing the agents with prior knowledge to the application in a real environment and facilitating, as a result, convergence to a so-called optimal action in few iterations. Three agents are used: one to control the center of mass displacement when the two legs are poised on the floor and other two for keeping the center of mass within a tolerance range of each of the legs when only one foot is on the ground. In order to reduce the chance of the robot falling down while walking the hybrid control employs a number of constraints, both in the reinforcement learning part and in the robot kinematics model. The proposed approach allows an effective training in few iterations, achieves good results and ensures the integrity of the robot.

[pt] A aprendizagem por reforço, uma técnica influente para treinar sistemas inteligentes, ganhou destaque na academia e na indústria devido à sua capacidade de resolver problemas complexos sem modelos pré-existentes. No entanto, sua aplicação a sistemas do mundo real é desafiadora devido à sua complexidade causada por altas não linearidades, amostras limitadas e restrições. Consequentemente, a pesquisa nessa área tem se concentrado principalmente em simulação, onde os modelos podem ser facilmente testados e refinados. Neste trabalho, foi proposta uma estratégia de aprendizagem por reforço para um robô bípede do mundo real aprender o comportamento de caminhada do zero. Também é apresentado um desenho de sistema focado na redução de estresse e simplicidade, garantindo um desempenho robusto, incluindo uma placa de circuito impresso personalizada para o manuseio eficiente dos componentes elétricos. O software do sistema é dividido entre a placa do sistema mestre e o sistema baseado em ROS, permitindo a comunicação entre os componentes e resolvendo o problema de perda de dados e atraso na comunicação. A simulação do modelo do robô é desenvolvida na plataforma Mujoco, incorporando propriedades físicas e parâmetros ambientais. Os algoritmos DDPG, TD3 e SAC foram utilizados para aprendizado e avaliação da técnica de destilação de política para transferência de conhecimento para uma rede mais eficiente. Finalmente, foi avaliada a transferência do aprendizado para o mundo real apresentando um experimento preliminar de aprendizado do zero no mundo real. Os resultados demonstram a eficácia do projeto do sistema robótico e dos algoritmos de aprendizado, alcançando uma caminhada estável na simulação e um máximo de catorze passos na vida real com a destilação de política do algoritmo SAC. / [en] Reinforcement learning, an influential technique for training intelligent systems, has gained prominence in academia and industry due to its ability to solve complex problems without pre-existing models. However, its application to real-world systems is challenging due to its complexity caused by high non-linearities, limited samples, and constraints. Consequently, research in this area has mainly focused on simulation, where models can be easily tested and refined. In this work, a reinforcement learning strategy towards a real-world bipedal robot to learn walking behavior from scratch was proposed. We present a robot system design focused on stress reduction and simplicity, ensuring robust performance, including a custom printed circuit board (PCB) for efficient handling of electrical components. The system s software is divided into the master system board and the ROS system, allowing communication between components and addressing data loss and communication delay issues. The robot model simulation is developed on the Mujoco platform, incorporating physical properties and environmental parameters. We utilize Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG), Twin-Delayed Deep Deterministic Policy Gradient (TD3), and Soft Actor-Critic (SAC) algorithms for learning and evaluating the policy distillation technique for transferring knowledge to a more efficient network. Finally, we evaluate the transfer of learning to the real world and present a preliminary experiment of learning from scratch in the real world. Our results demonstrate the effectiveness of the robotic system design and the learning algorithms, achieving stable walking in simulation and a maximum of fourteen steps in real life with the policy distillation of the SAC algorithm.

[pt] Este trabalho apresenta uma estratégia de distribuição de torque para a locomoção de robôs móveis em terrenos desafiadores. O principal objetivo é promover a conversão eficaz de torque em movimento. Utilizando uma abordagem adaptativa de otimização multiobjetivo, equações correlacionando torques nas rodas com trajetórias estáveis dentro do espaço de trabalho do robô são obtidas por meio de algoritmos genéticos baseados em modelo. O controle reativo de torque, com base em feedback de sensor de medição inercial e sensor de corrente, permite o controle automático da distribuição de torque com base na orientação do chassi. Esta metodologia acomoda diversas funções objetivo individuais, permitindo que o robô navegue em obstáculos como degraus e inclinações com comportamentos adaptáveis. A validação experimental utilizando diversas plataformas e configurações de robôs móveis demonstra a eficácia da abordagem em diversos terrenos, superando técnicas convencionais em termos de robustez e eficácia. Uma heurística é empregada para permitir o controle reativo em tempo real, correlacionando o estado do robô com a distribuição de torque. Esta metodologia permite a aplicação de robôs móveis com rodas em condições menos exploradas, facilitando a navegação em terrenos desafiadores, como subir rampas íngremes e transpor pequenos degraus. Ao integrar metodologias de otimização, a pesquisa contribui para o avanço da mobilidade de robôs móveis, oferecendo perspectivas promissoras para aplicações em diversas indústrias. / [en] This thesis proposes a torque distribution strategy for skid-steering drive mobile robot locomotion in challenging terrains. The main objective is to promote effective torque conversion into motion. Employing an adaptive multi-objective optimization approach, the methodology derives equations correlating wheel torques to stable trajectories within the robot s workspace through a model-based genetic algorithm. Reactive torque control, facilitated by inertial sensors and torque feedback, enables automatic torque distribution control based on chassis orientation. This approach accommodates various individual objective functions, enabling adaptable behaviors for navigating beyond various obstacles. Experimental validation across diverse mobile robot platforms and configurations underscores the approach s efficacy, surpassing conventional techniques in terms of robustness and effectiveness. Real-time control implementation using a heuristic, correlating the robot s state with torque distribution, further enhances the maneuverability of skid-steer configurations in less-explored conditions, facilitating navigation through challenging terrains such as climbing steep slopes and negotiating small steps. By integrating optimization methodologies, the research contributes to advancing wheeled robot mobility, offering promising prospects for applications across industries.

[pt] Os Robôs Móveis são cada vez mais inteligentes, para que eles tenham a capacidade de semover livremente no interior deumambiente, evitando obstáculos e sem assistência de um ser humano, precisam possuir um conhecimento prévio do ambiente e de sua localização. Nessa situação, o robô precisa construir um mapa local de seu ambiente durante a execução de sua missão e, simultaneamente, determinar sua localização. Este problema é conhecido como Mapeamento e Localização Simultâneas (SLAM). As soluções típicas para o problema de SLAM utilizam principalmente dois tipos de sensores: (i) odômetros, que fornecem informações de movimento do robô móvel e (ii) sensores de distância, que proporcionam informação da percepção do ambiente. Neste trabalho, apresenta-se uma solução probabilistica para o problema SLAM usando o algoritmo DP-SLAM puramente baseado em medidas de um LRF (Laser Range Finder), com foco em ambientes internos estruturados. Considera-se que o robô móvel está equipado com um único sensor 2DLRF, sem nenhuma informação de odometria, a qual é substituída pela informação obtida da máxima sobreposição de duas leituras consecutivas do sensor LRF, mediante algoritmos de Correspondência de Varreduras (Scan Matching). O algoritmo de Correspondência de Varreduras usado realiza uma Transformada de Distribuições Normais (NDT) para aproximar uma função de sobreposição. Para melhorar o desempenho deste algoritmo e lidar com o LRF de baixo custo, uma reamostragem dos pontos das leituras fornecidas pelo LRF é utilizada, a qual preserva uma maior densidade de pontos da varredura nos locais onde haja características importantes do ambiente. A sobreposição entre duas leituras é otimizada fazendo o uso do algoritmo de Evolução Diferencial (ED). Durante o desenvolvimento deste trabalho, o robô móvel iRobot Create, equipado com o sensor LRF Hokuyo URG-04lx, foi utilizado para coletar dados reais de ambientes internos, e diversos mapas 2D gerados são apresentados como resultados. / [en] The robot to have the ability to move within an environment without the assistance of a human being, it is required to have a knowledge of the environment and its location within it at the same time. In many robotic applications, it is not possible to have an a priori map of the environment. In that situation, the robot needs to build a local map of its environment while executing its mission and, simultaneously, determine its location. A typical solution for the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem primarily uses two types of sensors: i) an odometer that provides information of the robot’s movement and ii) a range measurement that provides perception of the environment. In this work, a solution for the SLAM problem is presented using a DP-SLAM algorithm purely based on laser readings, focused on structured indoor environments. It considers that the mobile robot only uses a single 2D Laser Range Finder (LRF), and the odometry sensor is replaced by the information obtained from the overlapping of two consecutive laser scans. The Normal Distributions Transform (NDT) algorithm of the scan matching is used to approximate a function of the map overlapping. To improve the performance of this algorithm and deal with low-quality range data from a compact LRF, a scan point resampling is used to preserve a higher point density of high information features from the scan. An evolution differential algorithm is presented to optimize the overlapping process of two scans. During the development of this work, the mobile robot iRobot Create, assembled with one LRF Hokuyo URG-04LX, is used to collect real data in several indoor environments, generating 2D maps presented as results.

[pt] Esta dissertação apresenta uma abordagem para a coordenação de enxames de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT), baseada na comunicação via Internet provida pelas redes de telefonia móvel. Um grande número de atividades pode ser coberto com uma missão conjunta de VANTs voando em formação, como a vigilância e monitoramento de grandes eventos, tarefas de busca e salvamento, controle de pestes agrárias, fiscalização e conservação florestal, inspeção de oleodutos e redes de distribuição elétrica ou mesmo em missões militares de ataque e reconhecimento. A coordenação de enxame de VANTs pode ser fatorada na comunicação entre os membros do enxame e o algoritmo de controle e interrelacionamento entre os membros. A solução proposta consiste no uso de smartphones acoplados a VANTs capazes de prover o nível necessário de comunicação confiável sobre a Internet móvel, e processar o algoritmo proposto para a coordenação dos enxames de VANTs. Experimentos foram feitos através da emulação de VANTs e redes de dados de telefonia que demostraram a eficácia do algoritmo proposto e analisam o impacto da latência de rede e da velocidade dos VANTs sobre a precisão da coordenação de movimento de enxames. / [en] This work presents an approach to coordinate swarms of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) based on Internet communication provided by mobile phone networks. Several activities can be done by several UAVs flying in formation, such as surveillance and monitoring of mass events, search and rescue tasks, control of agricultural pests, monitoring and forest conservation, inspection of pipelines and electricity distribution networks or even military attack and recognition missions. Coordination of UAVs swarm can be branch in two sub-problems: communication between members of the swarm and the algorithm that controls members behaviors regarding their movements. The proposed solution assumes the use of a smartphone coupled with each UAV of the swarm, in order to provide the required level of reliable communication on the mobile Internet and run the proposed algorithm for the coordination of swarms of UAVs. Experiments were performed with emulated UAVs and WAN mobile networks. The results have demonstrated the effectiveness of the proposed algorithm, and have shown the influence of the network latency and the UAV speeds on the accuracy of the movement coordination in the swarms.