[pt] O propósito da Visão Computacional consiste em permitir que um robô entenda o ambiente em que se situa a partir de informações visuais. O mundo no qual robôs se movem é tridimensional e dinâmico. Ele se altera em função do próprio movimento do robô e do movimento dos demais objetos. A presente dissertação descreve a implementação de sistema robótico autômato, que utiliza visão para alcançar objetivos predeterminados. Consiste, essencialmente, em um robô que carrega consigo uma câmera de vídeo. Esta câmera transmite as imagens capturadas, por rádio, para um microcomputador à distancia. Este microcomputador processa a imagem e retorna ao robô (também por rádio) os comandos referentes a que trajetória deve ser seguida. Este processo ocorre sucessivamente até alcançar-se o objetivo pré-determinado. A característica multidisciplinar do presente projeto de pesquisa reúne três áreas distintas do conhecimento, sendo elas, mecânica, eletrônica (linear e digital) e processamento digital de imagens. Descreve-se a implementação de cada área isoladamente e de que forma são integradas a fim de formar um sistema único. / [en] The aim of Computer Vision is to allow a robot to understand the surrounding environment, with acquired visual information as input. The environment in which the robot moves is three-dimensional and dynamic and modifies as a function of its own movement of surrounding objects. The presente dissertation describes an automaton robotic system which makes use of computer vision to achieve some predetermined goals. Essentially, it consists of a robot that carries a video camera. The camera transmits radio captured images to a remote micromputer. In turn, the microcomputer processes the image and sends the commands back to the robot, by radio, to indicate the path that should be followed. This process is repeated until the predetermined goal has been achieved. This multi-disciplinary project tackles three different research areas, mechanics, eletronics (linear and digital) and image processing. Each parte of the project is thouroughly described as is also the integration of ecah to form a sole system.

[pt] Um novo conceito de manipulador esta sendo estudado com o intuito de realizar tarefas inviáveis para manipuladores tradicionais. Este modelo de manipulador se baseia em manipuladores contínuos. Eles apresentam uma estrutura similar a uma coluna vertebral, são altamente modulares, leves, podem ser atuados remotamente e possuem alto índice de adaptabilidade com o ambiente. Este tipo de manipulador apresenta características interessantes para utilização em diversos tipos de tarefas, principalmente em inspeções em locais com muitos obstáculos e ambientes inóspitos para os seres humanos. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um protótipo de manipulador contínuo atuado remotamente por tendões. Ele possui estrutura modular formado por vértebras ligadas serialmente. Inicialmente projetado através de ferramentas computacionais para em seguida ser construído fisicamente. São apresentados estudos cinemáticos e simulações com comparações entre a parte teórica e experimental. Por fim, é desenvolvida uma situação para simular a atuação do manipulador em uma tarefa real. / [en] A new concept of robotic manipulator is studied to perform tasks not viable for traditional manipulators. This new model is based on a continuum manipulator. It has a structure similar to a backbone, it is highly modular, lightweight, it can be remotely actuated, and it has a high level of adaptability to the environment. This type of manipulator has interesting features for uses in various types of tasks, especially in inspections in places with many obstacles and inhospitable to humans. This thesis presents the development of a remote tendon drive robotic continuum manipulator prototype. It has a modular structure composed of serially connected vertebrae. It is initially designed by computational tools, and then physically built. Kinematic studies and simulations are presented with comparisons between theoretical and experimental results. Finally, a situation is presented to simulate the performance of the manipulator in a real task.

[pt] Buscando oferecer à indústria, uma opção barata e eficiente, é desenvolvido o projeto de um equipamento que busca automatizar prensas convencionais. Com esse objetivo, é selecionada, entre várias alternativas, uma configuração de montagem das partes mecânicas, são especificados seus componentes, assim como os acionadores que produzirão os movimentos. Como última etapa, é implementado um programa interativo, BRAIN MACHINE, que, após dialogar com o operador, controla automaticamente o posicionamento da chapa e aciona a ferramenta no devido momento. / [en] In order to offer to industry an inexpensive and efficient option, it is designed an equipment that seeks to automate conventional presses. With this aim, among some alternatives, a buiding configuration of the mechanical parts is selected, its components are specified, as well as the actuators that will produce the movements. The last step involves the implementation of a interactive program, BRAIN MACHINE, that, after keeping a dialog with the user, controls automatically the positioning of the plate and puts the tool into action In the right moment.

[pt] Nos últimos anos, os robôs móveis têm emergido como uma solução alternativa para o aumento do nível de automação e mecanização na agricultura. Neste contexto, o foco da agricultura de precisão é a otimização do uso de insumos, redução de perdas nas lavouras, redução do desperdício de água e melhorar a produtividade em áreas cada vez menores, tornando a produção mais eficiente e sustentável. Os robôs agrícolas, ou AgBots podem ser controlados remotamente ou atuar de forma autônoma, utilizando diferentes sistemas de locomoção, bem como serem equipados com atuadores e sensores que lhes permitem realizar diversas tarefas agrícolas, tais como plantio, colheita, poda, fenotipagem, monitoramento e coleta de dado, entre outros. Neste trabalho será realizado um estudo em robôs móveis com rodas direcionado para os modelos de tração diferencial e no modelo similar ao carro (com atuação do sistema de direção) e suas aplicações em navegação autônoma em ambientes agrícolas. A modelagem e o projeto de controle baseiam-se em técnica clássicas e avançadas, utilizando abordagens de controle robusto por modo deslisante, tanto de primeira como de segunda ordens (Super Twisting Algorithm) para lidar com incertezas e interferências externas, comumente encontradas no tipo de ambiente agrícola a que se destina. Teste de verificação e validação são realizados através de simulações numéricas (MATLAB) e em ambiente de virtualização 3D (Gazebo). Testes experimentais preliminares são incluídos para ilustrarem as possibilidades de aplicação das metodologias de controle propostas em um ambiente real. Conclusões a respeito do trabalho são apresentadas, desenvolvendo uma discussão sobre os seus pontos mais relevantes, bem como sobre as perspectivas de melhorias futuras e pontos que ainda podem ser melhor pesquisados. / [en] In the last years, mobile robots have emerged as an alternative solution for increasing the levels of automation and mechanization in agricultural fields. In this context, the key idea of precision agriculture is to optimize the use of production inputs, crop losses, waste of water and to increase the crop production in small areas, in an efficient and sustainable manner. Agricultural robots or AgBots may be autonomous or remotely controlled, being endowed with different types of locomotion apparatus, actuation and sensory systems, as well as specialized tools which enable them to carry out a number of agricultural tasks such as, seeding, pruning, harvesting, phenotyping, monitoring and data collection. In this work, we perform a study on two type of wheeled mobile robots (i.e., differential-drive and car-like) and their application for autonomous navigation in agricultural fields. The modeling and control design is based on classical and advanced approaches, using robust control approaches such as Sliding Mode Control (first order) and Super Twisting Algorithm (second order) to deal with parametric uncertainties and external disturbances, commonly founded in agricultural fields. Verification and validation are carried out by means of numerical simulations in MATLAB and 3D computer simulations in Gazebo. Preliminary experimental tests are included to illustrate the performance and feasibility of the proposed modeling and control methodologies. Concluding remarks and perspectives are presented to summarize the strengths and weaknesses of the proposed solution and to suggest the scope for future improvements.

[pt] Este trabalho aborda o problema da Localização e Mapeamento Simultâneos em ambientes estruturados, utilizando um robô móvel equipado com sonares, bússola eletrônica e encoders. Na modelagem sugerida há a construção do mapa do ambiente e a localização do robô de forma interativa. O método proposto, denominado de LMS-H (Localização e Mapeamento Simultâneos - Híbrido), faz uso de duas formas de representação do ambiente: Mapa de Ocupação em Grade e Representação Contínua. O Mapa de Ocupação em Grade divide o ambiente em pequenas partes iguais, classificando-as em ocupadas ou vazias. A Representação Contínua utiliza retas para representar os planos detectados no ambiente, formando um mapa em duas dimensões e cada reta do mapa é considerada um marco. Sempre que um plano é novamente detectado pelo robô a reta correspondente a ele é recalculada com os novos pontos obtidos e a posição do robô é atualizada via Filtro de Kalman Estendido. A eficácia do método foi comprovada através de seis estudos de caso: três em ambientes virtuais e três em ambientes reais. Os estudos de casos em ambientes reais foram realizados utilizando-se um protótipo feito sob a plataforma LEGO Mindstorms. Os resultados obtidos comprovaram a eficácia do método proposto. / [en] This work addresses the problem of Simultaneous Localization and Mapping in structured environments using a mobile robot equipped with sonar, electronic compass and encoders. In the proposed modeling there are the construction of the environment map and the robot localization interactively. The proposed method, called H-SLAM (Hybrid - Simultaneous Localization and Mapping), makes use kinds of environment representation: Occupancy Grid Map and Continuous Representation. The Occupancy Grid Map divides the environment into small equal parts, and classifies it as occupied or empty. The Continuous Representation uses lines to represent detected planes in the environment, forming a two-dimensional map. Each line of the map is considered a landmark. Every time a plan is redetected by the robot the corresponding line to it is rebuild with the new points obtained and the robot s position is updated through Extended Kalman Filter. The model effectiveness was proved with computer simulations in three virtual environments. Using a prototype developed with LEGO Mindstorms platform three other experiments were also performed in real environments. The results demonstrated the effectiveness of the proposed method.

[pt] O sucesso de diversas tarefas de teleoperacao depende muito da habilidade do operador e de sua capacidade de perceber o ambiente de trabalho. A realimentacao visual em muitos casos nao e suficiente, por exemplo quando a qualidade da imagem do ambiente de trabalho e baixa, quando ocorrem oclusoes na visualizacao, ou quando a tarefa envolve forcas de contato associadas a folgas pequenas visualmente imperceptıveis. Para compensar essas deficiencias, os dispositivos hapticos surgem como uma alternativa a realimentacao visual, ao interagir com o usuario atraves do tato, produzindo uma sensacao de forca. Esta dissertacao apresenta o desenvolvimento e modelagem de um sistema de interface haptica de cinco graus de liberdade para a teleoperacao de robos manipuladores, com foco naqueles que realizam trabalhos em ambientes perigosos ou hostis ao ser humano. A interface e desenvolvida a partir do acoplamento de dois dispositivos hapticos comerciais Novint Falcon, de tres graus de liberdade cada. O sistema resultante do acoplamento e modelado como um manipulador paralelo, capaz de fornecer ao operador, realimentacao de forca 3D (em tres direcoes) e realimentacao de torque em duas direcoes. Para demonstrar a eficiencia do sistema haptico desenvolvido, um ambiente virtual e implementado com o auxılio de tecnicas de computacao grafica e bibliotecas como OpenGL, ODE e Chai3D. Os modelos cinematico e dinamico de um manipulador serial Schilling Titan IV, de seis graus de liberdade, sao implementados no ambiente virtual, incluindo sua interacao com objetos (virtuais) do ambiente de teleoperacao. Controladores nao lineares sao implementados no manipulador serial virtual, incluindo controle de torque computado, robusto, e por modos deslizantes. / [en] The success of many teleoperation tasks depends heavily on the skills of the operator and his ability to perceive the work environment. Visual feedback, in many cases, is not sufficient e.g. when the image quality of the work environment is low, occlusions occur in the display, or when the task involves contact forces associated with visually unnoticeable small clearances. To compensate for these shortcomings, haptic devices emerge as an alternative to visual feedback, in which touch interaction with the user produces force-feedback. This thesis presents the development and modeling of a haptic interface system of five degrees of freedom for the teleoperation of robot manipulators, focusing on those that work in hazardous or hostile environments for humans. The interface is developed from the coupling of two commercial haptic devices Novint Falcon, with three degrees of freedom each. The system resulting from the coupled devices is modeled as a parallel manipulator capable of providing the operator with 3D force feedback (in three dimensions) and torque feedback in two directions. To demonstrate the effectiveness of the developed haptic system, a virtual environment is implemented with the aid of computer graphics techniques and libraries such as OpenGL, ODE and Chai3D. The kinematic and dynamic models of a serial manipulator Schilling Titan IV, with six degrees of freedom, are implemented in the virtual environment, including its interaction with virtual objects for the evaluation of typical teleoperation tasks. Nonlinear controllers are implemented in the virtual serial manipulator, including computed torque and sliding mode control.

[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] Nas últimas décadas o avanço tecnológico tem atingido altos níveis de desenvolvimento, sendo as técnicas de inteligência computacional um dos principais campos em expansão devido à sua aplicabilidade nas diferentes áreas industriais. Uma das principais técnicas com aplicabilidade no setor da robótica é a Lógica Fuzzy, que permite aumentar as características de autonomia dos robôs. Atualmente a indústria brasileira vem desenvolvendo novos métodos robotizados para as tarefas de monitoramento e inspeção de gasodutos. No caso particular do gasoduto Coari-Manaus, foi desenvolvido o Robô Ambiental Híbrido Médio (RAHM), o qual possui um Sistema Primário de Navegação (SPN), mas não um Sistema Auxiliar de Navegação (SAN) para uso em caso de falha. Este trabalho tem como principal objetivo desenvolver um Sistema de Navegação Auxiliar controlado através da Lógica Fuzzy, de forma a auxiliar a navegação autônoma do robô em case de falha do SPN. O trabalho envolveu o projeto da eletrônica e de um sistema de inferência fuzzy para oferecer um controle adequado na navegação do robô em casos de emergência. O SAN é avaliado através de um estudo de caso comparativo, confirmando os benefícios que a Lógica Fuzzy oferece para o Sistema Auxiliar de Navegação. / [en] Technological progress has reached high levels of development in the last decades and computational intelligence techniques have been one of the main expanding fields due to their applicability in different industrial areas. One of those techniques that can be used in the field of robotics is Fuzzy Logic, which contributes to an increase in the autonomy of robots. Brazilian industry has been developing new robotics methods for monitoring and inspection tasks of pipelines. In the particular case of Coari-Manaus pipeline the Environmental Hybrid Medium Robot (RAHM) has been developed. This robot has a primary navigation system (PNS), but lacks an Auxiliary Navigation System (ANS) to be used in the case of failure. This dissertation has as its main objective developing an Auxiliary Navigation System controlled through Fuzzy Logic to help autonomous navigation in the case of the PNS failure. The work has involoved the electronic project and the design of a fuzzy inference system for an adequate control of the robot navigation of Robot in an emergency. The ANS is evaluated through a comparative case study and results confirm the benefits from using Fuzzy Logic in the design of the Auxiliary Navigation System.

[pt] Com a evolução da agricultura inteligente, robôs autônomos agrícolas têm sido pesquisados de forma extensiva nos últimos anos, ao passo que podem resultar em uma grande melhoria na eficiência do campo. No entanto, navegar em um campo de cultivo aberto ainda é um grande desafio. O RTKGNSS é uma excelente ferramenta para rastrear a posição do robô, mas precisa de mapeamento e planejamento precisos, além de ser caro e dependente de qualidade do sinal. Como tal, sistemas on-board que podem detectar o campo diretamente para guiar o robô são uma boa alternativa. Esses sistemas detectam as linhas com técnicas de processamento de imagem e estimam a posição aplicando algoritmos à máscara obtida, como a transformada de Hough ou regressão linear. Neste trabalho, uma abordagem direta é apresentada treinando um modelo de rede neural para obter a posição das linhas de corte diretamente de uma imagem RGB. Enquanto a câmera nesses sistemas está, geralmente, voltada para o campo, uma câmera próxima ao solo é proposta para aproveitar túneis ou paredes de plantas formadas entre as fileiras. Um ambiente de simulação para avaliar o desempenho do modelo e o posicionamento da câmera foi desenvolvido e disponibilizado no Github. Também são propostos quatro conjuntos de dados para treinar os modelos, sendo dois para as simulações e dois para os testes do mundo real. Os resultados da simulação são mostrados em diferentes resoluções e estágios de crescimento da planta, indicando as capacidades e limitações do sistema e algumas das melhores configurações são verificadas em dois tipos de ambientes agrícolas. / [en] Autonomous robots for agricultural tasks have been researched to great extent in the past years as they could result in a great improvement of field efficiency. Navigating an open crop field still is a great challenge. RTKGNSS is a excellent tool to track the robot’s position, but it needs precise mapping and planning while also being expensive and signal dependent. As such, onboard systems that can sense the field directly to guide the robot are a good alternative. Those systems detect the rows with adequate image processing techniques and estimate the position by applying algorithms to the obtained mask, such as the Hough transform or linear regression. In this work, a direct approach is presented by training a neural network model to obtain the position of crop lines directly from an RGB image. While, usually, the camera in these kinds of systems is looking down to the field, a camera near the ground is proposed to take advantage of tunnels or walls of plants formed between rows. A simulation environment for evaluating both the model’s performance and camera placement was developed and made available on Github, also four datasets to train the models are proposed, being two for the simulations and two for the real world tests. The results from the simulation are shown across different resolutions and stages of plant growth, indicating the system’s capabilities and limitations. Some of the best configurations are then verified in two types of agricultural environments.

[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.