The need for mechanisms that assist human movements has been increasing due to the rising number of people that has some kind of movement disability. In this scenario, it is of great importance the development of control methods that assist the interface between a motor assistive device and its user. This work proposes a controller for an exoskeleton with one degree of freedom, using surface electromyography signals from the user as the input signal. An exoskeleton was adapted to serve as platform for the developed control method. To create an EMG-to-Angle model, a set of experiments were carried out with six subjects. The experiment consisted of a series of continuous and discrete elbow flexion and extension movements with different load levels. Using the experimental data, linear (ARIMAX) and non linear (Hammerstein-Wiener) system identification methods were evaluated to determine which is the best candidate for the estimation of the EMG-to-Angle model, based on its accuracy and ease of implementation. A new experiment wasconducted to develop a real-time controller, based on FIR model and tested in a real-timeapplication. Tests showed that the controller is capable of estimating the elbow joint angle with correlation above 70% and root-mean-square error below 25° when compared to the measured elbow joint angles. / A necessidade por mecanismos que auxiliam os movimentos do ser humano vem crescendo devido ao aumento do número de pessoas portadores de deficiências que afetam a capacidade motora. Nesse cenário, é de grande importância o desenvolvimento de métodos de controle que auxiliem a interface entre o dispositivo de assistência motora e o seu usuário. Esse trabalho propõe um controlador para um exoesqueleto com um grau de liberdade, usando sinais de eletromiografia de superfície do usuário como sinal de entrada. Um exoesqueleto foi adaptado para servir de plataforma para o método de controle desenvolvido. Para criar um modelo EMG-ângulo, um conjunto de experimentos foi conduzido com seis voluntários. O experimento consistiu em uma série de movimentos de flexo-extensão do cotovelo contínuos e discretos com diferentes níveis de carga. Utilizando os dados do experimento, métodos de identificação de sistemas linear (ARIMAX) e não linear (Hammerstein-Wiener) foram avaliados para determinar qual o melhor candidato para a estimação do modelo EMG-ângulo, baseado em sua acurácia e facilidade de implementação. Um novo experimento foi conduzido para desenvolver um controlador em tempo real, baseado no modelo FIR e testado em uma aplicação em tempo real. Testes indicaram que o controlador é capaz de estimar o ângulo da junta do cotovelo com valores de correlação acima de 70% e raiz do erro quadrático médio menor que 25º, quando comparados aos valores medidos de ângulo da junta do cotovelo.

O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um projeto para auxílio no ensino de robôs manipuladores em nível superior utilizando uma plataforma PC com sistema de segurança e software de tempo real. O sistema permite aos alunos testar soluções já existentes e configurar suas próprias alternativas para simulação e controle de um robô manipulador real com até seis graus de liberdade. / This text describes the project development to aid the robot manipulator learning at undergraduate courses using a PC-based architecture with security system and real time software. The system allows the students to test previous solutions and configure their own alternatives for simulating and controlling a real robot manipulator with up to six degrees-of-freedom

Esta tese trata de um robô bípede em caminhar dinâmico. Neste robô, que normalmente é um sistema sub-atuado, fazemos uso de um disco de inércia que funciona num certo sentido como um atuador adicional. Através deste disco, obtém-se mais liberdade para a elaboração de passos repetitivos e um aumento na robustez. Por outro lado, o sistema de controle dos passos deve controlar, além do passo propriamente dito, também a velocidade do disco, de modo que não sejam saturados os atuadores (motores elétricos). Apresentamos então um controlador capaz de realizar estas ações simultaneamente. / This Thesis is about a bipedal robot in a dynamic walking gait. In this robot, which is usually a under-actuated system, a inertial wheel is employed and acts as an additional actuator. By using this wheel, one can design a cyclic walking gait with increased robustness and with more freedom. On the other hand, the control system must take care of the step itself, and also must ensure that the wheel speed does not exceed the actuators (motors) limits. We present a controller able to perform this tasks.

A presente tese trata do estudo dos estimadores algébricos aplicados a sistemas de controle. Tais estimadores são filtros variantes no tempo que estimam as derivadas dos sinais de entrada e funcionam como uma alternativa ao uso de observadores. Este trabalho inclui uma contribuição teórica que permite determinar um limite superior do erro do estimador algébrico. Também, mostramos um resultado que garante estabilidade em malha fechada no contexto do princípio da separação para esta classe particular de sistemas. Um exemplo de levitação magnética baseado em linearização exata com estimadores algébricos de derivadas até segunda ordem implementados digitalmente é tratado com detalhe. Simulações em computador são apresentadas mostrando excelentes resultados. / This thesis deals with the algebraic estimators and their application in closed loop control systems. The algebraic estimators can be implemented as time-varying filters that produce an estimation of the derivatives of the input signal, and they can be an interesting alternative for substituting classical observers. This work includes a theoretic contribution that allows to compute a bound of the estimation error of the algebraic estimator. Furthermore it is shown that any derivative estimator that respects this bound will assure closed loop stability in the context of the separation principle, at least for a class of nonlinear systems. An example of magnetic levitation based on exact linearization and in closed loop with an estimator of the first and second derivatives is considered. A digital implementation of the algebraic estimation is also discussed, and simulations are presented, showing excellent results.

Human machine interface has been a growing field of scientific research for the last years. Conventional robots have been conceived as rigid metallic structures and, when metal meets human tissue, it is necessary to break the mindset in order to achieve better interaction. Exoskeletons, often called wearable robots, shares the same challenges with applications ranging from industry, to military, medicine and entertainment. This work introduces a systematic design of a development platform for exoskeleton research supported by Requirement Engineering and implemented through prototyping. The dynamics of the human joint and the robotic joint are modelled with different couplings between them. A Model Reference Adaptive Control is proposed as a solution for exoskeleton control and simulations indicate that it is capable of estimating human joint parameters in real time. The Model Reference controller is implemented, with successful modulation of the robotic joint apparent impedance. From a practical perspective, we present the design and construction of an experimental workbench and the use of an on-line repository for the control software development. The on-line repository results in a viable way for collaborative project management, software versioning and scientific contribution. The experimental workbench which was designed to meet the stakeholders needs - the university, patients and therapists - being of modular application, easy to operate and relatively low cost, can be used to conduct motor control experiments and rehabilitation tasks. / Interface homem e máquina tem sido um campo crescente de pesquisa científica nos últimos anos. Robôs convencionais têm sido concebidos como estruturas metálicas rígidas que, quando em contato com o tecido humano, faz necessário romper com o modo de pensar corrente para atingir uma melhor interação. Exoesqueletos, chamados também de robôs vestíveis, compartilham destes desafios e abrangem aplicação na indústria, militar, medicina e entretenimento. Este trabalho introduz uma abordagem sistemática, baseada em Engenharia de Requisitos e Prototipagem, para projeto de uma plataforma de desenvolvimento para pesquisa em exoesqueletos. A dinâmica da junta humana e da junta robótica são modeladas para diferentes acoplamentos entre si. O Controle Adaptativo por Modelo de Referência é proposto como uma solução para controle de exoesqueletos; simulações indicam ser capaz de estimar os parâmetros da junta humana em tempo real. O controlador por Modelo de Referência foi implementado, tendo sucesso na modulação da impedância aparente da junta robótica. De uma perspectiva mais prática, é apresentado o projeto e construção de uma bancada experimental e o uso de um repositório online para desenvolvimento do software de controle. O repositório on-line viabiliza gestão de projetos colaborativos, focado em versionamento de software e contribuição científica. A bancada experimental foi projetada para atender as necessidades de diferentes stakeholders - a universidade, os pacientes e terapeutas - sendo de aplicação modular, de fácil operação e relativo baixo custo, é capaz de conduzir experimentos de controle motor e tarefas de reabilitação.

Neste trabalho, consideramos o problema de desacoplamento de perturbações por realimentação dinâmica regular do estado para sistemas não lineares afins. Utilizando a abordagem geométrica-diferencial, estabelecemos condições necessárias e suficientes de solução de tal problema. Mostramos que tais condições são baseadas na geometria de um sistema estendido, obtido pela colocação de integradores em série com as entradas do sistema original. Quando tal problema e solúvel, mostramos também que o algoritmo de extensão dinâmica permite a construção do compensador solução. Como um subproduto de tais técnicas, obtemos uma forma geométrica de determinação da estrutura algébrica no infinito, através da geometria do sistema estendido. / In this work we consider the Problem of Disturbance Decoupling by Regular Dynamic Feedback for the class of affine nonlinear systems. We use the so-called Differential Geometric Approach to derive the necessary and sufficient conditions for this problem\'s solution. We show that the solvability of this problem is governed by the geometry of an Extended System obtained by putting integrators in series with the inputs of the original system. When the necessary conditions are satisfied, we show that the well known dynamic extension algorithm can be used to construct a solution. We also show that the algebraic structure at infinity can be computed by geometric methods with the aid of the Extended System.

O Motor Assíncrono Tubular para Aplicação na Extração de Óleo do Subsolo MATÆOS foi desenvolvido na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) com a função de acionar diretamente uma bomba de sucção, instalada no fundo de um poço de petróleo em terra. Dando continuidade aos trabalhos realizados na EPUSP envolvendo sistemas de levitação magnética, foi desenvolvido um mancal magnético ativo (AMB - Active Magnetic Bearing), aplicado ao protótipo do motor em substituição ao mancal mecânico tradicional existente. O projeto abrange a construção de um protótipo de mancal magnético composto das partes mecânicas, elétricas e de software necessárias ao funcionamento do sistema. O projeto do eletroímã foi realizado por meio do método dos elementos finitos (MEF), para análise da densidade de fluxo e da relação entre a força radial e a corrente elétrica nas bobinas. O controle da levitação do mancal é realizado por meio de controlador digital com placas conversoras AD/DA e algoritmo de controle implementado em hardware FPGA. Utilizando o modelo do sistema, os controladores são sintonizados para atender aos requisitos de estabilidade e rejeição de perturbações, que desviem o entreferro do seu valor nominal. Na configuração do AMB, ao invés do sistema tradicional com oito pólos, um conceito diferente é adotado. Neste, uma máquina primitiva bearingless é excitada com corrente contínua e usada como mancal magnético. Os resultados experimentais obtidos com o protótipo em funcionamento mostram que o sistema em malha fechada é estável e apresenta uma resposta transitória satisfatória. / A tubular linear induction motor applied to onshore oil exploitation, named MATÆOS (which is in the Portuguese acronym for Tubular Asynchronous Motor for Onshore Oil Exploitation) was built at Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Its purpose is to directly drive the sucker-rod pump installed in the down hole of the oil well. In continuing the research accomplished at EPUSP concerning magnetic levitation systems, an Active Magnetic Bearing (AMB) was developed and applied to the prototype of the motor in substitution to the existing traditional bearing. The design includes the construction of the magnetic bearing prototype composed of mechanical, electric and software components required to the operation of the system. The electromagnet design was accomplished using the Finite Element Method (FEM) in the analysis of both the flux density and the relationship between the radial force and the suspension winding current. The magnetic bearing levitation control is executed by a digital controller using an AD/DA converter and a control algorithm implemented in FPGA hardware. Using the system model, the controllers are tuned to provide both stability and rejection of disturbances that tend to move the air gap from its nominal value. Instead of the usual eight-pole AMB, a different concept is adopted where a DC-excited primitive bearingless machine is used as a magnetic bearing. The experimental results obtained with the prototype in operation show that the closed-loop system is stable and exhibits a satisfactory transient response.

Este trabalho versa sobre técnicas de estimação de derivadas de forma não assintótica conforme abordagem algébrica de Michel Fliess, e sua aplicação na determinação quase instantânea do estado interno de um sistema dinâmico, cria-se assim estimadores de estado que não se baseiam no observador de Luenberger. Resumo No desenvolvimento do trabalho demonstramos algumas características destes estimadores e apresentamos uma contribuição teórica para viabilizar a implementação destes estimadores em sistemas de controle de tempo real. Posteriormente, um sistema mecânico de dinâmica não linear foi construído e permitiu ensaios em laboratório que atestam, através dos resultados experimentais encontrados, a funcionalidade deste tipo de estimador de estados. / This work is about derivative estimation technique based on a algebraic and non-asymptotically approach, as devised by Michel Fliess, applied on quasi-instantaneous determination of the internal state of a dynamical system, using state estimators that aren\'t based on the Luenberger observer. Abstract Over this work we present some particularities of these estimators and a theoretical contribution that will able to implement these algebraic estimators in a real time control system. After that, a non-linear mechanical system was built to verify the functionality of these state estimators.

This text presents the development of a four-degree-of-freedom (4DOF) quadcopter prototype that allows the vehicle to rotate around the three axes (yaw, pitch and roll) and linear movement along z-axis (altitude). The goal is to obtain a prototype bench that uses a good amount of components used in commercial quadcopters (sensors and actuators) and use it to apply attitude and altitude controllers, using techniques such as PID, LQR and Sliding-Mode. Starting from the system modeling, its specifications are shown followed by listing the components used, finishing with the development of the controllers and their simulations and applications. / Este texto apresenta o desenvolvimento de um protótipo de quadricóptero com quatro graus de liberdade (4DOF), o qual possibilita a rotação do veículo em torno dos três eixos (yaw, pitch e roll) e o deslocamento ao longo do eixo z (altitude). O objetivo é obter um protótipo de bancada que use a maior quantidade de componentes de um quadricóptero comercial (sensores e atuadores) e usá-lo para a aplicação de controladores de atitude e altitude, utilizando técnicas PID, LQR e Sliding-Mode. Partindo da modelagem do sistema, mostra-se as especificações do mesmo, os componentes utilizados e finaliza-se com o desenvolvimento dos controladores, simulação e aplicação deles.

Esta dissertação apresenta técnicas de ajuste de estabilizadores de sistemas de potência (PSS) com um enfoque nos desafios encontrados por um engenheiro durante o comissionamento do sistema de excitação estático de uma unidade geradora de médio porte. Os métodos de ajuste tratados neste trabalho são principalmente os aplicáveis aos estabilizadores do tipo PSS2B. É dada prioridade às situações nas quais o engenheiro não dispõe de dados detalhados do modelo do gerador e do sistema de potência. Simulações computacionais nos domínios do tempo e da frequência são empregadas com objetivos didáticos ao longo do texto. A estrutura do PSS2B é detalhada, explicitando-se a função de cada parâmetro. São apresentados diferentes métodos de estabilizadores, dentre eles ressaltam-se: os métodos de comparação de grandezas no domínio do tempo e o método de compensação de fase. São mostrados resultados práticos obtidos durante comissionamentos em duas usinas hidrelétricas distintas. Comparam-se os diferentes métodos com o auxílio destes resultados práticos e de simulações computacionais / This work presents techniques for tuning power system stabilizers (PSS) with focus on the challenges faced by an engineer during the commissioning of a static excitation system of a medium sized hydro generator. The tuning methods discussed in this study are primarily those applicable to the PSS2B stabilizers. Priority is given to circumstances in which the engineer does not have a detailed model of the generator and power system. Computer simulations in the time and frequency domains are presented with didactic purposes throughout the text. The structure of PSS2B is detailed, the function of each parameter is explained. Among the different methods for tuning the PSS2B, two approaches stand out: the methods based on the comparison of magnitudes in the time domain and the method of phase compensation. The practical results obtained during commissioning of two hydroelectric power plants are presented. The different PSS tuning methods are compared with the aid of these practical results and computer simulations.