É apresentada uma aproximação para controle simultâneo de força e posição para garras antropomórficas, a fim de se obter uma manipulação segura de objetos e ferramentas. Para que a aproximação seja satisfatória, deve-se levar em consideração a variação da força e da posição no tempo, a geometria da garra, as características de rigidez, a geometria do objeto, as possibilidades e tipos de contato. A análise cinestática do sistema garra-objeto, é feita com o auxílio da Teoria Helicoidal. Esta teoria permite análises e representações de problemas complexos do espaço dimensional igual a seis, no espaço Euclidiano tridimensional. Isso é possível pois esta teoria foi desenvolvida utilizando as coordenadas de Plücker, que descrevem uma reta com seis informações. Essa abordagem traz vantagens quando comparada a métodos tradicionais e torna possível a obtenção de um controlador que considera a influência de cada dedo no processo da pega. No caso de robôs trabalhando de forma cooperativa, e no sistema de pega e manipulação de objetos, a mesma abordagem pode ser utilizada. / This work presents a simultaneous force and position control approach - a kinestatic controller -, applied to the manipulation of objects and tools using an anthropomorphic gripper. To approximate in a efficient way, the functions accomplished by a human hand, the controller should be conceived taking into consideration: the time-variable information of space and forces, the gripper geometry, the gripper elastic characteristics, the object geometry and the intermittent contacts possibilities. To take the gripper and object characteristics into consideration the screw theory was employed. The screw theory allows the analysis in the three-dimensional Euclidean space of six-dimensional complex problems. This is possible since the theory was based on Plücker coordinates, which are used to describe lines in space using six inputs. This theory provides severaI advantages when compared to anothers traditional methods. Using this theory it is possible to construct a controller that takes in account the fingers or robots (when it works cooperatively) influences in the grasping and manipulating processes.

É apresentada uma aproximação para controle simultâneo de força e posição para garras antropomórficas, a fim de se obter uma manipulação segura de objetos e ferramentas. Para que a aproximação seja satisfatória, deve-se levar em consideração a variação da força e da posição no tempo, a geometria da garra, as características de rigidez, a geometria do objeto, as possibilidades e tipos de contato. A análise cinestática do sistema garra-objeto, é feita com o auxílio da Teoria Helicoidal. Esta teoria permite análises e representações de problemas complexos do espaço dimensional igual a seis, no espaço Euclidiano tridimensional. Isso é possível pois esta teoria foi desenvolvida utilizando as coordenadas de Plücker, que descrevem uma reta com seis informações. Essa abordagem traz vantagens quando comparada a métodos tradicionais e torna possível a obtenção de um controlador que considera a influência de cada dedo no processo da pega. No caso de robôs trabalhando de forma cooperativa, e no sistema de pega e manipulação de objetos, a mesma abordagem pode ser utilizada. / This work presents a simultaneous force and position control approach - a kinestatic controller -, applied to the manipulation of objects and tools using an anthropomorphic gripper. To approximate in a efficient way, the functions accomplished by a human hand, the controller should be conceived taking into consideration: the time-variable information of space and forces, the gripper geometry, the gripper elastic characteristics, the object geometry and the intermittent contacts possibilities. To take the gripper and object characteristics into consideration the screw theory was employed. The screw theory allows the analysis in the three-dimensional Euclidean space of six-dimensional complex problems. This is possible since the theory was based on Plücker coordinates, which are used to describe lines in space using six inputs. This theory provides severaI advantages when compared to anothers traditional methods. Using this theory it is possible to construct a controller that takes in account the fingers or robots (when it works cooperatively) influences in the grasping and manipulating processes.

Este trabalho versa sobre o projeto e implementação de um controlador de força/torque para um manipulador robótico industrial. Uma proposta de cunho prático, considerando-se as características da planta, foi implementada no manipulador industrial Puma 560 com um sensor de força/torque de seis eixos montado em seu pulso. Considerando-se a inacessibilidade do controle de posicionamento do Puma 560 e a não modificação do projeto original do robô, foi implementada uma malha externa de controle de força/torque sobreposta à malha interna de controle de posição do controlador original. Uma das contribuições deste trabalho foi o desenvolvimento de um simulador geral de manipuladores robóticos de elos seriais rígidos, no ambiente do MATLAB/SIMULINKâ. O simulador desenvolvido, por generalidade, difere dos simuladores usuais que utilizam MATLAB/SIMULINKâ, devido sua flexibilidade advinda da possibilidade de se simular qualquer manipulador dessa categoria e da facilidade de utilização devido à interface desenvolvida para o usuário. O mesmo foi amplamente usado neste trabalho, tanto para o projeto e sintonia dos ganhos do controlador externo de força/torque, quanto para simulações. Finalizando, o trabalho objetiva contribuir no esclarecimento de uma metodologia para aplicação destes controladores em manipuladores em contato com o "ambiente".

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.

Orientador: Prof. Dr. Magno Enrique Mendoza Meza / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2013.

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 2016-12-06T17:07:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fabio.pdf: 1333634 bytes, checksum: ba66af05f0145d83e4b237a603a81d74 (MD5) Previous issue date: 2011-03-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study aimed to examine the influence of the postural control in the handgrip strength modulation of the non paretic upper limb during activity to pick up an object and in individuals with hemiparesis after Stroke. We evaluated 15 subjects with hemiparesis (EG) and 15 healthy subjects (CG) aged 57.3 ± 55.5 and 10.17 ± 11.27 years old respectively. To characterize the EG, tests were performed for maximum grip strength, Fugl-Meyer, Semmes-Weinstein monofilament (SWM), sensitivity test moving touch-pressure (MTP) and balance testing BERG. The parameters for the control of grip strength were: force at the time of lifting the cup (Grip lift off), peak grip force (PGF), peak velocity (Pvel), latency (LT), static force (SF) and difference time (DT), made through an instrumented glass with a force sensor and a three axial accelerometer. The subjects performed a task of picking and lifting an object at a predetermined height and keep it statically suspended for a time and reposition it back on the table. For the parameter EF, LT and DT, any significant data was found. Grip strength parameters Grip lift off, Pvel were different between positions. The grip force modulation (PGF) was different between groups. When asked to raise the object the EG didn´t modulate the grip force in response to the withdrawal additional object weight. Through this study it was possible to determine the possible involvement in the control parameters of grip strength of non-paretic upper limb of subjects with hemiparesis. / Este trabalho teve como objetivo analisar a influência da condição postural sentado e em pé na adaptação do controle da força de preensão manual do membro superior não parético durante a atividade de pegar e levantar um objeto, em indivíduos com hemiparesia após acidente vascular encefálico (AVE). Foram avaliados 15 indivíduos com hemiparesia (GE) e 15 indivíduos saudáveis (GC) com idade de 57,3 ±10,17 e 55,5±11,27 anos respectivamente. Para caracterização do GE foram realizados os testes de força de preensão máxima, Fugl-Meyer, monifilamento de Semmes-Weinstein (MSW), teste de sensibilidade moving touch-pressure (MTP) e o teste de equilíbrio de BERG. Os parâmetros para o controle da força de preensão foram: força no momento de levantar o copo (FNML), pico da força de preensão (PFP), pico de velocidade (Pvel), latência (LT), força estática (FE) e diferença temporal (DT) realizado através de um copo instrumentado com um sensor de força e um acelerômetro triaxial. Os indivíduos realizaram uma tarefa de pegar e levantar um objeto uma altura pré-estabelecida, mantê-lo por um tempo e reposicioná-lo novamente a mesa realizaram 7 repetições com carga e 7 sem carga. A modulação da força de preensão nos parâmetros FNML e Pvel ocorreu de forma diferente nas posições sentado e em pé em ambos os grupos. A modulação da PFP foi diferente entre grupos. Ao levantar o objeto o GE não modulou a força de preensão em resposta a retirada do peso adicional do objeto. Para o parâmetro FE, LT e DT, não foram encontrados dados significantes. Através deste estudo foi possível verificar o possível comprometimento nos parâmetros do controle da força de preensão do membro superior não parético de indivíduos com hemiparesia.

A automação de cirurgias é uma realidade que tem contribuído para a melhoria de qualidade e eficiência tão necessárias na área de saúde. O projeto de uma serra ortopédica conduzida por um sistema robótico foi idealizado com base em uma necessidade de se desenvolver um sistema que permite um médico automatizar processos cirúrgicos envolvendo manipulação de membros. Neste contexto, o trabalho proposto apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de controle para o movimento translacional desta serra mecatrônica, uma vez que este é o movimento mais complexo da serra. Para o desenvolvimento desta estratégia de controle, o índice de desempenho - sobresinal - é o parâmetro que deve ser controlado para se evitar um avanço brusco do suporte das lâminas da serra. O monitoramento do comportamento desse parâmetro é feito através de um sensor de força que será inserido na serra mecatrônica, já que a força de corte também fornece a condição de parada da serra. Os resultados obtidos em laboratório e via simulação mostraram que a estratégia de controle adotada foi satisfatória, pois se verificou que a resposta do sistema eliminou o índice de sobresinal, o que equivale dizer que a força de corte foi devidamente monitorada pelo sensor e assim, o programa de controle consegue indicar o momento exato de parada da serra.

Made available in DSpace on 2016-12-06T17:07:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daniela.pdf: 2419593 bytes, checksum: 894152ce479aae16445a360b52fda72a (MD5) Previous issue date: 2010-03-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study investigated the effect of Carpal Tunnel Syndrome (CTS) on hand function. It was analyzed the parameters of the grip force and their associations with the characteristics of CTS; and also, the control of the grip force in individuals with CTS during functional tasks and the effect of muscle fatigue and the object‟s weight. It was evaluated 13 women with CTS (GE) and 13 without STC (GC) aged 43.54 ± 7.70 and 43.23 ± 7.89, respectively. The GE was assessed by the symptoms severity and functional status (Boston Questionnaire for CTS), the threshold of tactile sensibility and the manual dexterity (Moberg test). The maximal voluntary grip force was evaluated using a dynamometer. The parameters of the grip force analyzed were: maximal grip force (Fmax), time do reach the maximal grip force (TFmax), force rate (TDF) and area under the curve force-time (AFmax). To analyze the grip force control, the subjects performed two functional tasks while an object (instrumented with force sensor and triaxial accelerometer) was manipulated: i) drinking to bring the object close to the mouth and ii) "transition" - to lift the object 11 times sequentially and to leave it on the table after 5 s; in the trials 6-8, the object‟s weight was increased; therefore, the trials without object‟s additional load (average of 1-5, OBJP1) and the second lift with object‟s additional load (OBP2) were compared. The parameters analyzed were: peak of the velocity (Pvel), time lag (DT), peak of the grip force (PFP), mean of the grip force in movement‟s acceleration (Fac) and deceleration (Fdc) and safety margin (MS). The subjects performed the functional tasks before the fatigue protocol (FAD1) and with the muscles fatigued (FAD2). At group‟s comparison, the GE showed lower values of Fmax, TDF and AFmax and higher TFmax. There were high and moderate associations between TFmax and the characteristics of the GE and a moderate association between manual dexterity and the parameters of the grip force. The temporal parameters (Pvel and DT) were not affected by the CTS, fatigue and object‟s weight. Before the fatigue protocol, the GE applied higher PFP than the GC (drinking task); furthermore, both groups increased the PFP and the MS (transition task) while lifting the object with additional load. When the subjects performed the tasks with fatigued muscles, it was found a decreased of Fdc for the GE (drinking task) and also of PFP and MS for both groups (transition task); there was no difference on PFP between OBJP1 and OBJP2 for the GE. The analysis of the parameters of the grip force was useful to detect the muscle function impairments in CTS. It was identified that the TFmax might be the best parameter to indicate these changes. Moreover, it is suggested that the sensibility of the fingertips is important to avoid the excessive grip forces in functional tasks and that the manipulation of the objects with muscles of prehension fatigued may increase the likelihood of accidental slips, especially in individuals with CTS. / Este estudo investigou efeito da Síndrome do Túnel do Carpo (STC) na função manual. Foram analisados os parâmetros da força de preensão e suas associações com as características da STC, bem como o controle da força de preensão de indivíduos com STC em tarefas funcionais e o efeito causado pela fadiga e peso do objeto. Foram avaliadas 13 mulheres com STC (GE) e 13 sem STC (GC) com idade de 43,54 ± 7,70 e 43,23 ± 7,89 anos, respectivamente. O GE foi classificado quando à gravidade dos sintomas e estado funcional (Questionário de Boston para STC), o limiar de sensibilidade tátil e a destreza manual (Teste de Moberg). Foi realizado teste de força de preensão voluntária máxima em um dinamômetro. Os parâmetros da força de preensão analisados foram: força de preensão máxima (Fmax), tempo para atingir a força de preensão máxima (TFmax), taxa de desenvolvimento da força de preensão (TDF) e área sob a curva força-tempo (AFmax). Para análise do controle da força de preensão os indivíduos manipularam um objeto (instrumentado com sensor de força e acelerômetro triaxial) em duas tarefas funcionais: i) beber - levar o objeto até próximo à boca e ii) transição - realizar 11 levantamentos seqüenciais do objeto e reposicioná-lo sobre a mesa após 5 s, sendo que seu peso era aumentado nas repetições 6-8; foram comparadas as tentativas sem peso adicional do objeto (média 1-5, OBJP1) e o segundo levantamento com peso adicional (OBJP2). Os parâmetros analisados foram: pico da velocidade (Pvel), diferença temporal (DT), pico da força de preensão (PFP), média de força de preensão na aceleração (Fac) e desaceleração (Fdc) do movimento e margem de segurança (MS). Os indivíduos realizaram as tarefas funcionais antes de um protocolo de fadiga (FAD1) e com os músculos da preensão fadigados (FAD2). Os parâmetros da força de preensão foram diferentes entre grupos. GE mostrou menores valores de Fmax, TDF e AFmax e maior TFmax do que o GC. Foram encontradas associações moderadas e altas entre o TFmax e características do GE e moderada entre destreza manual e os parâmetros da força de preensão. Os parâmetros Pvel e DT não foram alterados pela STC, fadiga e peso do objeto. Antes do protocolo de fadiga, o GE aplicou maior PFP do que o GC (tarefa beber); ao levantar o objeto com peso adicional, ambos os grupos aumentaram o PFP e a MS (tarefa transição). Com os músculos fadigados, houve decréscimo da Fdc para GE (tarefa beber) e do PFP e da MS (tarefa transição) para ambos os grupos; o GE não mostrou diferença do PFP entre OBJP1 e OBJP2. A análise dos parâmetros da preensão apresentou-se útil para detectar prejuízo da função muscular na STC. Foi identificado que o TFmax pode ser o melhor parâmetro para indicar este comprometimento. Além disso, sugere-se que a sensibilidade é importante para evitar forças de preensão excessivas em tarefas funcionais e que a manipulação de objetos com músculos da preensão fadigados pode aumentar a probabilidade de deslizes acidentais, especialmente em indivíduos com STC.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:32:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARCELO ANDERSON BRACHT.pdf: 528517 bytes, checksum: fda430f0ee52869b14f2380311059025 (MD5) Previous issue date: 2013-05-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neck pain is a highly prevalent disease that leads to disability; individuals with neck pain experience changes in pressure pain threshold, latency activation of the neck muscles and in grip force control. However, there are few studies investigating the effectiveness of physiotherapy interventions on these changes, for example, cervical manipulation. The aim of this study was to investigate the effects of cervical manipulation on pain and upper limb motor control in subjects with neck pain. Thirty subjects with neck pain were instructed to grasp an object that was placed on a table, pre and post intervention, which consisted of or cervical manipulation (n = 15) or sham manipulation (n = 15). The data of the pain threshold, grip force and electrical activity of the upper limb muscles were collected during the task. A blinded evaluator assessed the variables of grip force control and latency of muscles in relation to the object lifting. The analysis of covariance (ANCOVA) identified a statistically significant difference (F = 7.46, P = 0.01) between groups for pressure pain threshold in the upper trapezius region, no significant differences were found for the other variables. The results of this study showed that cervical manipulation causes immediate local hypoalgesia, without however, change the motor control of the upper limb muscles. These results encourage future studies to investigate the cervical manipulation effects on motor control, in the medium and long term, using this and other dynamic tasks. / A cervicalgia é uma doença de alta prevalência que leva a incapacidade funcional; indivíduos com cervicalgia apresentam alterações no limiar de dor à pressão, na latência de ativação dos músculos cervicais e no controle da força de preensão manual. No entanto, são escassos os estudos que investigam a efetividade de intervenções fisioterapêuticas sobre essas alterações, por exemplo, a manipulação cervical. O objetivo do presente estudo foi investigar os efeitos da manipulação cervical sobre a dor e o controle motor do membro superior em indivíduos com cervicalgia. Trinta sujeitos com cervicalgia foram instruídos a pegar e levantar um objeto que foi posicionado sobre uma mesa, pré e pós intervenção, que consistiu de ou manipulação cervical (n=15) ou manipulação placebo (n=15). Os dados do limiar de dor, da força de preensão e da atividade elétrica dos músculos do membro superior foram coletados durante a tarefa. Um avaliador cego analisou as variáveis de controle de força de preensão e a latência dos músculos em relação ao levantamento do objeto. Através da análise de covariância (ANCOVA) identificou-se uma diferença estatisticamente significativa (F= 7.46, p=0.01) entre os grupos para o limiar de dor à pressão na região do trapézio superior; não foram encontradas diferenças significativas para as demais variáveis estudadas. Os resultados desse estudo mostraram que a manipulação cervical provoca hipoalgesia imediata local, sem no entanto, alterar o controle motor dos músculos do membro superior. Esses resultados incentivam futuros estudos a investigar os efeitos da manipulação cervical a médio e longo prazo sobre o controle motor, mediante essa e outras tarefas dinâmicas.