Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a estratégia de controle de posição de um atuador pneumático para uma dada aplicação em um equipamento florestal, através de tratamentos teóricos, simulações numéricas e testes experimentais. Tal mecanismo é utilizado para acionamento de uma ferramenta e está inserido em um projeto executado pela Unijuí Campus Panambi, oriundo de uma parceria entre a Associação IPD e a CELPE (Companhia Energética de Pernambuco), desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela ANEEL (código ANEEL PD-0043-0311/2011). Atuadores pneumáticos são sistemas muito atrativos para diversas aplicações, em especial na robótica, porque eles têm a vantagem de baixo custo, leveza, durabilidade e são limpos quando comparados com os atuadores hidráulicos, também possuem facilidade de manutenção, têm boa relação força/tamanho e flexibilidade de instalação, e além disso o ar comprimido está disponível na maioria das instalações industriais. Em despeito dessas vantagens, sistemas de posicionamento pneumático possuem algumas características indesejáveis as quais limitam o uso destes em aplicações que requerem uma resposta precisa. Estas características indesejáveis derivam da alta compressibilidade do ar e das não-linearidades presentes em sistemas pneumáticos, tais como o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da válvula e sua zona morta, além do atrito nas vedações do cilindro linear. A modelagem matemática como estratégia de pesquisa empregada nos mais variados campos do conhecimento tornou-se uma importante ferramenta para fins de simulações computacionais utilizadas em análises de comportamento das variáveis de estado do sistema. Devido à necessidade de um modelo matemático adequado contendo explicitamente o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da servoválvula, a dinâmica das pressões nas câmaras do cilindro, o movimento do êmbolo do cilindro e a dinâmica do atrito, obteve-se um modelo matemático não linear de 5ª ordem, derivado do estudo de modelos matemáticos utilizados anteriormente em acionamentos pneumáticos. Com base no modelo não linear adotado é implementada uma estratégia de controle clássico. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e encontram-se descritos detalhadamente no decorrer deste trabalho. O modelo adotado foi validado em testes experimentais em malha aberta e fechada com planejamento da trajetória polinomial sem e com a compensação da zona morta, estes resultados são apresentados por meio de gráficos que ilustram as características do modelo, comparando o comportamento experimental do atuador com os resultados da simulação computacional. Esta pesquisa contribui para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de equipamentos pneumáticos. / 108 f.

Máquinas manuais são utilizadas em diversos processos, como na usinagem mecânica. Apesar da existência de máquinas automatizadas, com boa precisão e conformidade, as máquinas manuais de usinagem possuem baixo custo inicial e alta flexibilidade de produção, sendo empregadas para produção de lotes pequenos ou peças únicas, como protótipos ou peças empregadas em pesquisas científicas. O operador humano possui mais flexibilidade que qualquer sistema automatizado por ter a capacidade de tomar decisões. O posicionamento da ferramenta de usinagem através de uma mesa linear com parafuso e porca, acionada manualmente com um manípulo, exige perícia do operador e impacta no custo final das peças produzidas. Um dispositivo robótico acoplado ao mecanismo de posicionamento poderia trabalhar em cooperação com o operador humano, sendo utilizado como um recurso optativo para auxiliá-lo na tarefa de posicionamento. Atuadores passivos do tipo freio são seguros para a manipulação humana direta e naturalmente estáveis ao manter uma posição estática, além de baratos e simples. Sendo controlado por computador e com a posição desejada facilmente programável, o freio eliminaria a preocupação do operador com o posicionamento crítico, permitindo concentrar-se em outros detalhes do trabalho de usinagem ao delegar a tarefa de posicionamento ao freio. Literatura ou índices de desempenho escassos e iniciais foram encontrados sobre a utilização de freios neste contexto. Desta forma, este trabalho estuda os mecanismos típicos de máquinas manuais de usinagem e de freios por atrito, propondo então algoritmos de controle e avaliando seu desempenho. Desenvolveu-se dois tipos de controladores para lidar com as fortes não linearidades do atrito e fatores estocásticos do mesmo: um primeiro que utiliza pré-alimentação de um modelo do atuador e um segundo que tenta diminuir a influência de perturbações no posicionamento final diminuindo a velocidade do sistema nas imediações da posição desejada de frenagem. Um protótipo foi montado e permitiu avaliar experimentalmente os algoritmos, que apresentaram bons índices de desempenho que confirmam seu potencial de utilização, baseados em trabalhos anteriores e normas técnicas de tolerâncias gerais. / Manual machines are those with minimum or non-existent automation, being employed in many processes, like in the mechanical machining, where the operator have the task to position a machining tool to manufacture pieces. Despite the existence of automated machines, with good precision and production regularity in its produced pieces, the manual machines has low initial cost and high production flexibility, being used for the production of small or unique batches, like prototypes or pieces for scientific research. The human operator has greater flexibility than any automated system as it has the ability to make decisions. The positioning of the machining tool, thru a linear work table with screw and nut, manually operated by a hand wheel, requires operator skills which impacts the final cost of the manufactured pieces. A robotic device coupled to the positioning mechanism would work in cooperation with the human operator, being used as a resource to help with the task of positioning. Passive actuators, like brakes, are safe for human direct manipulation and naturally stable to maintain a position, despite being simple and cheap. Being computer-controlled, with the desired position easily programmable, the brake would eliminate the operators worry with the positioning task, leaving it to the brake. This work studies typical machine mechanisms of manual machines and friction brakes, leading to the development and evaluation of control algorithms. Two main types of feedback controllers were developed to deal with the brakes hard nonlinearities of friction and stochastic factors: one that uses a feedforward model to compensate for modeled disturbances and a second that tries to lower the disturbances influence by lowering the velocity nearby the desired position. A prototype were built and allowed to experimentally evaluate the proposed algorithms, which presented good performance in relation to early works and tolerance standards.

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a estratégia de controle de posição de um robô pneumático para fins de aplicações industriais, incluindo-se os resultados de testes experimentais. Tal robô foi desenvolvido no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) da Unijuí Câmpus Panambi. Atuadores pneumáticos são sistemas muito atrativos para diversas aplicações, em especial na robótica, porque eles têm a vantagem de baixo custo, leveza, durabilidade e são limpos, também possuem facilidade de manutenção, têm boa relação força/tamanho e flexibilidade de instalação, e além disso o ar comprimido está disponível na maioria das instalações industriais. Entretanto, sistemas de posicionamento pneumático possuem algumas características indesejáveis as quais limitam o uso destes em aplicações que requerem uma resposta precisa. Estas características indesejáveis são causadas pela compressibilidade do ar e pelas não linearidades presentes em sistemas pneumáticos, tais como o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da válvula e sua zona morta, além do atrito nas vedações do cilindro pneumático. Neste trabalho obtém-se um modelo matemático não linear de 10ª ordem (total) para os dois primeiros graus de liberdade do robô que tem a estrutura cinemática do tipo Gantry. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e o modelo proposto foi validado em malha aberta para a primeira junta. É implementada uma estratégia de controle clássico com compensação da não linearidade da zona morta em testes experimentais com malha fechada e planejamento da trajetória desejada senoidal e trapezoidal, sem e com a compensação da zona morta, cujos resultados ilustram as características do controlador utilizado e a importância da compensação da zona morta. Este trabalho de pesquisa contribui para o desenvolvimento e o controle de posição de robôs pneumáticos de baixo custo para aplicação industrial. / 131 f.

É apresentado o projeto completo de uma garra antropomórfica de robô de três dedos, com nove graus de liberdade e acionamento por cabos de aço, no qual são aplicados técnicas de modelagem computacional, simulações, controle de posição e controle de força com intuito de fornecer características de confiabilidade e destreza na manipulação com objetos. Realizando análises dinâmicas experimentais na garra, os valores de rigidez e amortecimento nas articulações de seus dedos são obtidos de forma aproximada. O modelo dinâmico do sistema é desenvolvido utilizando técnicas de sistemas multicorpos através de um software de modelagem de sistemas mecânicos. Esta abordagem possibilita analisar o comportamento da garra através de simulações em diversas condições de trabalho. Para o desenvolvimento e testes dos controladores aplicou-se a técnica de co-simulação para se unir o ambiente de modelagem e simulação ao ambiente de controle. No controle de interação das pontas dos dedos da garra com um objeto, é apresentada e implementada uma ferramenta baseada na Teoria Helicoidal juntamente com um controle PID em uma aplicação onde a tarefa é suspender um objeto de uma bancada mantendo as forças internas constantes. / A complete design of an antrophomorfic gripper is presented. The gripper has three fingers, each of them with three degrees-of-freedom. The system uses transmission by cables in order to reduce the gripper\'s weight. Modelling techniques are applied to simulate and control the position and force of the fingers gripper in order to obtain dexterity and reliability features in objects manipulation. Specials features of the gripper are included in this model e.g. the stiffness and damping characteristics of the transmition cables were estimated using multi body systems methods along with experimental techniques. This approach makes possible to analyze the behavior of the gripper through simulations in several working conditions. The co-simulation techniques are applied to develop and test the controls by the connection between modeling and control environment. It is presented and implemented a tool based in the screw theory together with a PID control to control the gripper\'s finger interaction with an object.

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3802026 bytes, checksum: a4d2c7c653bac2c5343accc2b54bfc46 (MD5) Previous issue date: 2010-04-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work presents the project of fuzzy controllers for a X-Y coordinate table with two degrees of freedom. Both bases of the table moves horizontally, powered by tree-phases induction motors operated by frequency inverts. For detection position of bases, optical encoders were engaged to the axes of the engines to be obtained the angular displacement. A data acquisition board made the interface between a 1.4 GHz Pentium computer and the system. This board catches signals from the encoders and provides control signals to the frequency inverters. Fuzzy controllers, implemented im LabVIEM® software, determinate the control variables to power the engines. Step, sine and cosine reference were used to evaluate the system performance, in position control and following trajectory. Experimental results are presented. / No presente trabalho apresenta-se um projeto de controladores fuzzy para uma mesa de coordenadas X-Y com dois graus de liberdade. Ambas as bases que compõem a mesa se deslocam horizontalmente, sendo acionadas por motores de indução trifásicas alimentados através de inversores de frequência. Para a detecção de posição das bases, encoders ópticos foram acoplados aos eixos dos motores, a fim de serem obtidos os deslocamentos angulares desses últimos. Uma placa de aquisição de dados realizou a interface entre um computador Pentium 1,4 GHz e a planta, para captar os sinais provenientes dos encoders e fornecer os sinais de controle aos inversores de frequência. No ambiente de programação LabVIEW®, implementaram-se os controladores fuzzy, os quais determinam as variáveis de controle que acionam os motores. Sinais de referência do tipo degrau, senoidal e cosenoidal foram utilizados para a avaliação do desempenho do sistema, no controle de posição e acompanhamento de trajetória. Resultados experimentais são apresentados.

Made available in DSpace on 2015-05-08T15:00:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1366150 bytes, checksum: 91eeeb49bf7b5f1a1e12de73985e1fa1 (MD5) Previous issue date: 2011-02-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work presents the design of neural controllers for a X-Y table with two degrees of freedom. Both bases of the table moves horizontally, powered by tree-phases induction motors operated by frequency inverters. For detection position of bases, optical encoders were engaged to the axes of the engines to be obtained the angular displacement. A data acquisition board made the interface between a 2.4 GHz Core2Duo computer and the system. This board catches signals from the encoders and provides control signals to the frequency inverters. Neural controllers implemented in LabVIEW® software, determinate the control variables to power the engines. Step, sine and cosine reference were used to evaluate the system performance, in position control and following trajectory. Experimental results are presented. / No presente trabalho apresenta-se um projeto de controladores neurais para uma mesa de coordenadas X-Y com dois graus de liberdade. Ambas as bases que compõem a mesa se deslocam horizontalmente, sendo acionadas por motores de indução trifásicos alimentados através de inversores de freqüência. Para a detecção de posição das bases, encoders ópticos foram acoplados aos eixos dos motores, a fim de serem obtidos os deslocamentos angulares desses últimos. Uma placa de aquisição de dados realizou a interface entre um computador Core2Duo 2,4 GHz e a planta, para captar os sinais provenientes dos encoders e fornecer os sinais de controle aos inversores de frequência. No ambiente de programação LabVIEW®, implementaram-se os controladores neurais, os quais determinam as variáveis de controle que acionam os motores. Sinais de referência do tipo degrau e acompanhamento de trajetória foram utilizados para a avaliação do desempenho do sistema. Resultados experimentais são apresentados.

Máquinas manuais são utilizadas em diversos processos, como na usinagem mecânica. Apesar da existência de máquinas automatizadas, com boa precisão e conformidade, as máquinas manuais de usinagem possuem baixo custo inicial e alta flexibilidade de produção, sendo empregadas para produção de lotes pequenos ou peças únicas, como protótipos ou peças empregadas em pesquisas científicas. O operador humano possui mais flexibilidade que qualquer sistema automatizado por ter a capacidade de tomar decisões. O posicionamento da ferramenta de usinagem através de uma mesa linear com parafuso e porca, acionada manualmente com um manípulo, exige perícia do operador e impacta no custo final das peças produzidas. Um dispositivo robótico acoplado ao mecanismo de posicionamento poderia trabalhar em cooperação com o operador humano, sendo utilizado como um recurso optativo para auxiliá-lo na tarefa de posicionamento. Atuadores passivos do tipo freio são seguros para a manipulação humana direta e naturalmente estáveis ao manter uma posição estática, além de baratos e simples. Sendo controlado por computador e com a posição desejada facilmente programável, o freio eliminaria a preocupação do operador com o posicionamento crítico, permitindo concentrar-se em outros detalhes do trabalho de usinagem ao delegar a tarefa de posicionamento ao freio. Literatura ou índices de desempenho escassos e iniciais foram encontrados sobre a utilização de freios neste contexto. Desta forma, este trabalho estuda os mecanismos típicos de máquinas manuais de usinagem e de freios por atrito, propondo então algoritmos de controle e avaliando seu desempenho. Desenvolveu-se dois tipos de controladores para lidar com as fortes não linearidades do atrito e fatores estocásticos do mesmo: um primeiro que utiliza pré-alimentação de um modelo do atuador e um segundo que tenta diminuir a influência de perturbações no posicionamento final diminuindo a velocidade do sistema nas imediações da posição desejada de frenagem. Um protótipo foi montado e permitiu avaliar experimentalmente os algoritmos, que apresentaram bons índices de desempenho que confirmam seu potencial de utilização, baseados em trabalhos anteriores e normas técnicas de tolerâncias gerais. / Manual machines are those with minimum or non-existent automation, being employed in many processes, like in the mechanical machining, where the operator have the task to position a machining tool to manufacture pieces. Despite the existence of automated machines, with good precision and production regularity in its produced pieces, the manual machines has low initial cost and high production flexibility, being used for the production of small or unique batches, like prototypes or pieces for scientific research. The human operator has greater flexibility than any automated system as it has the ability to make decisions. The positioning of the machining tool, thru a linear work table with screw and nut, manually operated by a hand wheel, requires operator skills which impacts the final cost of the manufactured pieces. A robotic device coupled to the positioning mechanism would work in cooperation with the human operator, being used as a resource to help with the task of positioning. Passive actuators, like brakes, are safe for human direct manipulation and naturally stable to maintain a position, despite being simple and cheap. Being computer-controlled, with the desired position easily programmable, the brake would eliminate the operators worry with the positioning task, leaving it to the brake. This work studies typical machine mechanisms of manual machines and friction brakes, leading to the development and evaluation of control algorithms. Two main types of feedback controllers were developed to deal with the brakes hard nonlinearities of friction and stochastic factors: one that uses a feedforward model to compensate for modeled disturbances and a second that tries to lower the disturbances influence by lowering the velocity nearby the desired position. A prototype were built and allowed to experimentally evaluate the proposed algorithms, which presented good performance in relation to early works and tolerance standards.

É apresentado o projeto completo de uma garra antropomórfica de robô de três dedos, com nove graus de liberdade e acionamento por cabos de aço, no qual são aplicados técnicas de modelagem computacional, simulações, controle de posição e controle de força com intuito de fornecer características de confiabilidade e destreza na manipulação com objetos. Realizando análises dinâmicas experimentais na garra, os valores de rigidez e amortecimento nas articulações de seus dedos são obtidos de forma aproximada. O modelo dinâmico do sistema é desenvolvido utilizando técnicas de sistemas multicorpos através de um software de modelagem de sistemas mecânicos. Esta abordagem possibilita analisar o comportamento da garra através de simulações em diversas condições de trabalho. Para o desenvolvimento e testes dos controladores aplicou-se a técnica de co-simulação para se unir o ambiente de modelagem e simulação ao ambiente de controle. No controle de interação das pontas dos dedos da garra com um objeto, é apresentada e implementada uma ferramenta baseada na Teoria Helicoidal juntamente com um controle PID em uma aplicação onde a tarefa é suspender um objeto de uma bancada mantendo as forças internas constantes. / A complete design of an antrophomorfic gripper is presented. The gripper has three fingers, each of them with three degrees-of-freedom. The system uses transmission by cables in order to reduce the gripper\'s weight. Modelling techniques are applied to simulate and control the position and force of the fingers gripper in order to obtain dexterity and reliability features in objects manipulation. Specials features of the gripper are included in this model e.g. the stiffness and damping characteristics of the transmition cables were estimated using multi body systems methods along with experimental techniques. This approach makes possible to analyze the behavior of the gripper through simulations in several working conditions. The co-simulation techniques are applied to develop and test the controls by the connection between modeling and control environment. It is presented and implemented a tool based in the screw theory together with a PID control to control the gripper\'s finger interaction with an object.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2073889 bytes, checksum: df5e3780835b90ebdd638d4b8a4d38fb (MD5) Previous issue date: 2011-09-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work consists of developing a system for position control of a three phase induction motor for positioning systems, using the technique of vectorial control in quadrature with the rotor flux. Several applications make use of this control, such as robot manipulators for welding and painting machines, tables and positioners coordinates in general. For a long time the machine most used in these systems was the DC for its simplicity of control, until the vector techniques were developed and improved, and significant advances in the power electronics allowing a drive high performance and lower cost using AC machines. To implement the drive with variable speed the asynchronous machine should be powered from a three-phase voltage source with variable frequency and amplitude, this source is obtained by static converters. The converter employed in this work uses the configuration with three arms, each containing two keys with controlled trigger and block, with one arm for each motor phase. A digital signal processor (DSP) was used to receive signals of voltage, current, position and generate the pulse width modulation (PWM). / Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de controle de posição de um motor de indução trifásico para sistemas de posicionamento, utilizando a técnica de controle vetorial em quadratura com o fluxo rotórico. Várias aplicações se utilizam deste controle, como robôs manipuladores para máquinas de pintura e soldagem, mesas de coordenadas e posicionadores de um modo geral. Por muito tempo a máquina mais utilizada nestes sistemas era a de corrente contínua pela sua simplicidade de controle, até que foram desenvolvidas e aprimoradas as técnicas vetoriais, e avanços significativos na eletrônica de potência permitindo um acionamento de alto desempenho e menor custo utilizando máquinas de corrente alternada. Para implementar o acionamento com velocidade variável, a máquina assíncrona deve ser alimentada através de uma fonte de tensão trifásica de frequência e amplitude variáveis, fonte esta que é obtida por meio de conversores estáticos. O conversor empregado neste trabalho utiliza a configuração com três braços, cada um contendo duas chaves com disparo e bloqueio controlados, sendo um braço para cada fase do motor. Um processador digital de sinais (DSP) foi utilizado para receber os sinais de tensão, corrente, posição e gerar a modulação por largura de pulso (PWM).

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2002299 bytes, checksum: 8157401052d865ab5779e6f1b23383d8 (MD5) Previous issue date: 2012-04-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work presents the position control of a robotic manipulator with two degrees of freedom. Such control is accomplished by applying a multilayer neural network, emulating a PD2 controller. The choice of the number of neurons in the hidden layer is made with the aid of a Genetic Algorithm, whose role is to generate populations where individuals will be the number of neurons in the hidden layer and evaluate the performance of the control system when subjected to different references signals. The two best individuals of each generation will give origin to the population of the next iteration, noting the probabilities of crossover and mutation, using the criterion of elitism as a warranty of optimization. The evaluation of the overall performance of the control system, in turn, is based on trajectory following response (sinusoidal reference signals) and on position response (step reference signals). / No presente trabalho trata-se do controle de posicionamento de um manipulador robótico com dois graus de liberdade. Tal controle é realizado por meio da aplicação de uma rede neural multicamadas, emulando um controlador do tipo PD2. A escolha do número de neurônios na camada oculta é feita com auxílio de um Algoritmo Genético, cujo papel é gerar populações em que os indivíduos serão o número de neurônios na camada oculta e avaliar o desempenho do sistema de controle quando submetido a diferentes referências. Os dois melhores indivíduos de cada geração darão origem a população da iteração seguinte, observando as probabilidades de cruzamento e mutação, utilizando assim o critério do elitismo como garantia de otimização. A avaliação do desempenho geral do sistema de controle, por sua vez, é feita com base na resposta ao acompanhamento de trajetória (sinais senoidais) e a resposta de posicionamento (sinais do tipo degrau).