O seguinte trabalho visa o estudo, desenvolvimento e teste de um controlador de impedância genérico, que seja adequado para controle de exoesqueletos e outros sistemas robóticos, e que permita a utilização de um atuador de liga de memória de forma (SMA), entre outros tipos de atuador. Um segundo objetivo é avaliar a viabilidade da utilização de atuadores de SMA em aplicações de exoesqueletos para humanos, partindo dos resultados obtidos com o controlador e atuador propostos. Para atingir estas metas, foi projetado e construído um protótipo de exoesqueleto de membro inferior com um grau de liberdade, sendo que um atuador baseado em fios de liga de memória de forma foi utilizado. O algoritmo de controle de impedância foi desenvolvido e testes foram realizados primeiro por meio de simulações e posteriormente em ensaios práticos com o protótipo. Os resultados experimentais confirmaram a expectativa indicada pelos resultados numéricos. Embora o controlador de impedância haja funcionado como se pretendia, o atuador deixou a desejar devido, sobretudo, à sua lentidão de resposta. O texto apresenta uma breve revisão teórica sobre controle de impedância, exoesqueletos biomecatrônicos e ligas de memória de forma. Ademais, detalha o modelo matemático do problema e o aparato experimental projetado para realizar os ensaios que serviram de base para a análise do problema. Após apresentação e discussão dos resultados, é feita uma análise da viabilidade de aplicação destes conceitos a exoesqueletos para uso em humanos, concluindo que ainda há desafios tecnológicos importantes a serem vencidos antes da implementação prática de exoesqueletos com atuadores de SMA; contudo, esta implementação não pode ser descartada. Detalhes construtivos e programas desenvolvidos para simulações e controle do protótipo são apresentados nos apêndices. / This work proposes the study, development and test of a generic impedance controller, which must be adequate to control exoskeletons as well as other robotic systems, and must allow the use of a shape memory alloy (SMA) actuator, among others kinds of actuation. A second objective is to evaluate if it is possible to use SMA actuators in exoskeletons for humans, taking into account the results obtained with the proposed controller and actuator. To achieve such goals, a one degree of freedom, lower limb exoskeleton prototype was designed and built, while an actuator based on SMA wires was used. The impedance control algorithm was developed and tests were made, first by means of simulations and later by tests on the prototype. Experimental data confirmed the expected results obtained by simulations. Although the impedance controller has worked as desired, the actuator did not meet the expectations, especially because of its slow response. The text brings a brief theoretical review about impedance control, biomechatronic exoskeletons and shape memory alloys. In addition, it details the mathematical model of the problem and the experimental apparatus, designed to the execution of tests which would serve as a foundation to the problem analysis. After the results are presented and discussed, the viability of use of the proposed concepts to SMA-actuated-exoskeletons is analyzed, concluding that there are still important technological challenges to be overcome before the practical implementation of exoskeletons with SMA actuators; however, this implementation cannot be discarded. Constructive details of the prototype and the programs developed to simulate and control it are presented in the appendixes.

O seguinte trabalho visa o estudo, desenvolvimento e teste de um controlador de impedância genérico, que seja adequado para controle de exoesqueletos e outros sistemas robóticos, e que permita a utilização de um atuador de liga de memória de forma (SMA), entre outros tipos de atuador. Um segundo objetivo é avaliar a viabilidade da utilização de atuadores de SMA em aplicações de exoesqueletos para humanos, partindo dos resultados obtidos com o controlador e atuador propostos. Para atingir estas metas, foi projetado e construído um protótipo de exoesqueleto de membro inferior com um grau de liberdade, sendo que um atuador baseado em fios de liga de memória de forma foi utilizado. O algoritmo de controle de impedância foi desenvolvido e testes foram realizados primeiro por meio de simulações e posteriormente em ensaios práticos com o protótipo. Os resultados experimentais confirmaram a expectativa indicada pelos resultados numéricos. Embora o controlador de impedância haja funcionado como se pretendia, o atuador deixou a desejar devido, sobretudo, à sua lentidão de resposta. O texto apresenta uma breve revisão teórica sobre controle de impedância, exoesqueletos biomecatrônicos e ligas de memória de forma. Ademais, detalha o modelo matemático do problema e o aparato experimental projetado para realizar os ensaios que serviram de base para a análise do problema. Após apresentação e discussão dos resultados, é feita uma análise da viabilidade de aplicação destes conceitos a exoesqueletos para uso em humanos, concluindo que ainda há desafios tecnológicos importantes a serem vencidos antes da implementação prática de exoesqueletos com atuadores de SMA; contudo, esta implementação não pode ser descartada. Detalhes construtivos e programas desenvolvidos para simulações e controle do protótipo são apresentados nos apêndices. / This work proposes the study, development and test of a generic impedance controller, which must be adequate to control exoskeletons as well as other robotic systems, and must allow the use of a shape memory alloy (SMA) actuator, among others kinds of actuation. A second objective is to evaluate if it is possible to use SMA actuators in exoskeletons for humans, taking into account the results obtained with the proposed controller and actuator. To achieve such goals, a one degree of freedom, lower limb exoskeleton prototype was designed and built, while an actuator based on SMA wires was used. The impedance control algorithm was developed and tests were made, first by means of simulations and later by tests on the prototype. Experimental data confirmed the expected results obtained by simulations. Although the impedance controller has worked as desired, the actuator did not meet the expectations, especially because of its slow response. The text brings a brief theoretical review about impedance control, biomechatronic exoskeletons and shape memory alloys. In addition, it details the mathematical model of the problem and the experimental apparatus, designed to the execution of tests which would serve as a foundation to the problem analysis. After the results are presented and discussed, the viability of use of the proposed concepts to SMA-actuated-exoskeletons is analyzed, concluding that there are still important technological challenges to be overcome before the practical implementation of exoskeletons with SMA actuators; however, this implementation cannot be discarded. Constructive details of the prototype and the programs developed to simulate and control it are presented in the appendixes.

Este trabalho propõe um sistema de manipulação robótica para interação física segura com objetos ou humanos em ambientes não estruturados. A proposta considera a execução de tarefas de manipulação e a prevenção e tratamento de colisões utilizando apenas uma lei de controle, o controle de impedância. A inovação científica consiste em um sistema multifuncional implementado com uma única lei de controle em contraste com os sistemas já existem que utilizam chaveamento entre controladores para cada diferente funcionalidade do sistema, e que apresentam diversas desvantagens como instabilidade e oscilações, aumento da complexidade de programação, entre outras. Inicialmente é proposto um planejador de manipulação e regrasping baseado na combinação de trajetórias suaves e na adaptação dos parâmetros de um controle de impedância em tempo de execução. A mudança da impedância para cada etapa é obtida pela modificação dos parâmetros de inércia, rigidez e amortecimento do controlador. A estabilidade desta mudança dinâmica é possível pela utilização de trajetórias suaves obtidas com planejador Squeezed Screw modificado, cujas trajetórias geradas são livres de descontinuidades na posição e na velocidade. Adicionalmente, a prevenção de colisões é realizada com o auxílio de campos potenciais de forças de repulsão formados pela análise de dados de um sistema de visão também proposto. Estes mesmos dados são utilizados para a construção de um mapa de impedâncias ao redor do objeto cuja finalidade é suavizar efeitos de colisões indesejadas. Experimentos com um robô de arquitetura aberta e com um sistema de visão de baixo custo foram realizados na execução tarefa de manipulação de referência para se avaliar o desempenho da metodologia proposta em diferentes condições de operação encontradas em ambientes não estruturados, como por exemplo: erros de medida de posição, de calibração, ocorrência de colisões, etc. A tarefa de manipulação eleita foi a reorientação em 60° de um objeto circular no plano. Os resultados obtidos nos experimentos mostram a capacidade do controle de impedância associado a trajetórias suaves de realizar a tarefa eleita segundo avaliação utilizando como métricas de desempenho a porcentagem de reorientação, que apresentou uma média de 80% mesmo na presença de erros de medida do sensor de visão e erros de determinação da posição do objeto. / Recent applications in various robotics areas consider interaction between robots and objects or humans in non-structured environments. Under these conditions, in addition to the desire of robots to be able to perform their main tasks, handling, navigation, rehabilitation, etc, it is also desired to prevent and properly handle possible unwanted collisions, whether with objects, with other robots, animals or humans. There are several proposed methods for avoidance, handling and reaction for collisions, however, a widely used strategy is the controller switching between different robot states. There are several drawbacks within this strategy: instability and oscillation, increased programming complexity and consequent increased failure risk, need for different sensors and consequent increase in cost, among others. This work proposes a system applied to the robotic manipulation which is based on only one control law, the impedance control, whose expected capacity is, further performing manipulation tasks, avoidance and handling of potential undesired collisions. It is initially proposed a manipulation planner based the combination of smooth trajectories and the adjustment of parameters an impedance control at runtime. The change of impedance for each phase is achieved by modifying the parameters: mass, spring and damping controller. The stability of this dynamic change is possible by using smooth trajectories obtained with a modified Squeezed Screw trajectory planner, whose paths are discontinuities free in the position and speed. Additionally, collision avoidance is achieved through potential fields the repulsive forces of formed by analysis of data vision. The same data is used to construct an impedance map surrounding the object which objective is collision handling. Experiments with an open architecture robot and a low cost vision system are carried out in the execution of a benchmark manipulation task to evaluate the proposal performance under different operating conditions found in unstructured environments, for example, position measurement errors, calibration problems, occurrence of collisions, among others.

Manipulação robótica em ambientes não estruturados desafia intensamente a comunidade científica. Grandes esforços tem sido empregados em sistemas de visão computacional culminando em resultados notáveis. Entretanto, a informação obtida de sistemas de visão diversas vezes é incompleta, ruidosa e imprecisa devido a limitações técnicas dos sensores empregados ou devido a posição em que o sensor se encontra em relação ao ambiente. Além disso, pouca atenção tem sido destinada a utilização do tato como informação adicional para enriquecer a percepção do ambiente. Este trabalho apresenta um estudo experimental de exploração do ambiente através de contato estável utilizando controle de impedância aplicado a um manipulador robótico. Um framework de manipulação robótica é apresentado e o trabalho é posicionado neste framework na forma de sub-tarefas do mesmo. A descrição do sistema robótico utilizado assim como o detalhamento da implementação de comunicação e controle dos diversos sub-sistemas que o compõem são apresentadas. O trabalho descreve uma série de ensaios experimentais onde o manipulador executa o contato físico com o ambiente. Nestes ensaios é realizada a modificação dos parâmetros do controlador de impedância do manipulador com o objetivo de analisar a influência dos mesmos no resultado. A análise é feita com relação a estabilidade durante o contato e ao erro de acompanhamento de posição após a perda de contato. Em seguida, uma série de estratégias de alteração dos parâmetros do controlador de impedância durante a execução da tarefas é apresentada juntamente com os resultados experimentais e análises comparativas entre elas e os resultados anteriores. O objetivo destas estratégias é melhorar o desempenho e a estabilidade da tarefa garantindo uma medida precisa e estável da posição do objeto no ambiente. A análise dos resultados obtidos mostra que as estratégias efetivamente melhoram o desempenho do sistema em relação aos parâmetros de análise adotados. Finalmente são apresentados os resultados de um teste de repetibilidade da medição da posição de conjunto através da abordagem apresentada. Estes resultados são comparados com resultados de precisão de sistemas de visão computacional. Este teste suporta a conclusão que confirma a viabilidade do método explorado no trabalho. / Robotic manipulation in unstructured environments is a major challenge to the research community. Great efforts are being directed to computational vision systems development and incredible outcome has been achieved. However, the information retrieved from vision systems is often incomplete, noisy or inaccurate due to technical limitations linked to the sensors used in such systems or the positioning of the system in the environment. Furthermore, few attention is been delivered to the application of tactile information to increase the information quality about the environment. This work presents an experimental study about the environment exploration using stable contact and impedance controlled manipulators. A framework for robotic manipulation is presented and this work is positioned in such framework in a tasks and subtasks style. The detailed information about the manipulator system and the implementation is also outlined including all the control levels and communication layers is also outlined. The work describes a series of experimental tests where the manipulator performs physical contact to the environment. The impedance control parameters are than changed aiming to analyse and determine their influence into the observed results. The contact stability and the following error are used as performance indicators. Following such experimental series, four impedance control parameter change strategies are proposed, tested and analysed when performing a task of touching the environment. The results are also compared to the results obtained from the fix parameter tests. The strategies objective is improve the contact stability ensuring a accurate measurement of the environment position. The results show a real improvement of the environment position measurement towards the same measurement when using fixed impedance control parameters. Finally, results from a repeatability test for the results of environment position measurement using the best approach proposed where presented. Such results are compared from the results achieved from vision systems and show a greater performance for the tactile environment exploration approach.

Robôs de reabilitação como próteses ativas e exoesqueletos necessitam de atuadores capazes de atender certos requisitos como baixa impedância de saída, backdrivability, geração de torques grandes e precisos, e uma estrutura leve e compacta. Este trabalho apresenta o projeto de um Atuador Elástico em Série rotacional (AESr) para ser usado em uma prótese ativa para auxiliar na flexão/extensão da articulação do joelho durante a fisioterapia. O dispositivo é constituído de um motor de corrente contínua, um redutor de velocidade do tipo coroa e rosca sem-fim e uma mola torcional personalizada. Uma vez que o elemento elástico é o componente mais importante no projeto do AESr, um procedimento de análise baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado para cumprir os requisitos definidos para a reabilitação do joelho. Com uma massa total de 2,53 Kg, é possível montar diretamente o atuador proposto em uma estrutura de prótese de joelho. Controladores de torque e impedância são implementados para assegurar uma interação segura com o paciente, permitindo que novas estratégias de reabilitação sejam avaliadas. As especificações do projeto bem como o desempenho dos controladores são validados experimentalmente. / Wearable robots, like prostheses, active orthosis and exoskeletons need of actuators able to meet certain requirements as low output impedance, backdrivability, precise and large torque generation, and a compact and lightweight design. This work presents the design of a rotary Series Elastic Actuator (rSEA) to be used in an active orthosis to assist in flexion/extension of the knee joint during physical therapy. The device includes a DC motor, a worm gear and a customized torsion spring. Since the elastic element is the most important component in the design of the rSEA, an analysis procedure based on Finite Element Method (FEM) is used in order to meet the requirements for the specific application. With a total weight of 2.53 kg, it is possible to directly mount the actuator on the frame of a knee orthosis. Torque and impedance controllers are implemented to ensure secure interaction with the patient and enable new strategies for rehabilitation. The design specifications as well as the controllers performance are verified by experiments.

Robôs de reabilitação como próteses ativas e exoesqueletos necessitam de atuadores capazes de atender certos requisitos como baixa impedância de saída, backdrivability, geração de torques grandes e precisos, e uma estrutura leve e compacta. Este trabalho apresenta o projeto de um Atuador Elástico em Série rotacional (AESr) para ser usado em uma prótese ativa para auxiliar na flexão/extensão da articulação do joelho durante a fisioterapia. O dispositivo é constituído de um motor de corrente contínua, um redutor de velocidade do tipo coroa e rosca sem-fim e uma mola torcional personalizada. Uma vez que o elemento elástico é o componente mais importante no projeto do AESr, um procedimento de análise baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) é utilizado para cumprir os requisitos definidos para a reabilitação do joelho. Com uma massa total de 2,53 Kg, é possível montar diretamente o atuador proposto em uma estrutura de prótese de joelho. Controladores de torque e impedância são implementados para assegurar uma interação segura com o paciente, permitindo que novas estratégias de reabilitação sejam avaliadas. As especificações do projeto bem como o desempenho dos controladores são validados experimentalmente. / Wearable robots, like prostheses, active orthosis and exoskeletons need of actuators able to meet certain requirements as low output impedance, backdrivability, precise and large torque generation, and a compact and lightweight design. This work presents the design of a rotary Series Elastic Actuator (rSEA) to be used in an active orthosis to assist in flexion/extension of the knee joint during physical therapy. The device includes a DC motor, a worm gear and a customized torsion spring. Since the elastic element is the most important component in the design of the rSEA, an analysis procedure based on Finite Element Method (FEM) is used in order to meet the requirements for the specific application. With a total weight of 2.53 kg, it is possible to directly mount the actuator on the frame of a knee orthosis. Torque and impedance controllers are implemented to ensure secure interaction with the patient and enable new strategies for rehabilitation. The design specifications as well as the controllers performance are verified by experiments.