<p>Robotic manipulators have been introduced in industry as a form of increasing productivity. Today, there exist an interest to enlarge the application of these manipulators to outdoor environments. Forestry cranes used in the forestry industry are a clear example. A long term goal in this industry is the development of autonomous systems to increase the logging efficiency. In this thesis, we consider how to control the rotator of these cranes, which is an electro-hydraulically actuated motor, and is used to control the end ffector tool. Control system design for the rotator is a challenging task since the sensing is not available to full extent. The main reason is the harsh environment that these machines are exposed to and sensors such as encoders are very fragile and cannot be used. In this thesis we use alternative sensing devices, such as a magnetic sensor and a stereo camera. In the case of the camera we face a problem with big delay. A prediction method has been used to compute desired values. Due to various reasons certain measuring devices can not be used in the industry. We consider four cases for control system design where dfferent combinations of available sensors have been used. Initially angular position of the rotator is controlled using only the magnetic sensor. A cascade control setup is used where pressure and position are measurable, first using the magnetic sensor and later using the camera. When only pressure measurements are available identified models have replaced sensors for position feedback. All tests and experiments have been done using a scaled version of a real forestry crane. The available crane has similar configuration and dynamics as the real one and is therefor useful for experimental purposes.</p>

All mechanical systems with moving parts are affected by friction, including industrial robots. Being able to design an accurate friction model would further increase the performance of todays robots. Friction is a complex dynamic phenomena that is constantly changing depending on the state and environment of the robot. It is therefore beneficial to update the parameters of the friction model online. An estimate of the friction will be made using the feedback control signal with the help of a feedforward control scheme in a two axis simulation setup. The friction estimate is then used for an offline identification of three friction model parameters in a static Lugre friction model. Improvements on the identification will be done by introducing some shut-off rules that will improve the estimate. The normalized least mean square method (NLMS) will then be used to update the parameters online. A simulation of friction compensation with a fixed friction model, and with an adaptive friction model will be studied. The method will also be simulated using experimental data taken from a real industrial robot.

Robotic manipulators have been introduced in industry as a form of increasing productivity. Today, there exist an interest to enlarge the application of these manipulators to outdoor environments. Forestry cranes used in the forestry industry are a clear example. A long term goal in this industry is the development of autonomous systems to increase the logging efficiency. In this thesis, we consider how to control the rotator of these cranes, which is an electro-hydraulically actuated motor, and is used to control the end ffector tool. Control system design for the rotator is a challenging task since the sensing is not available to full extent. The main reason is the harsh environment that these machines are exposed to and sensors such as encoders are very fragile and cannot be used. In this thesis we use alternative sensing devices, such as a magnetic sensor and a stereo camera. In the case of the camera we face a problem with big delay. A prediction method has been used to compute desired values. Due to various reasons certain measuring devices can not be used in the industry. We consider four cases for control system design where dfferent combinations of available sensors have been used. Initially angular position of the rotator is controlled using only the magnetic sensor. A cascade control setup is used where pressure and position are measurable, first using the magnetic sensor and later using the camera. When only pressure measurements are available identified models have replaced sensors for position feedback. All tests and experiments have been done using a scaled version of a real forestry crane. The available crane has similar configuration and dynamics as the real one and is therefor useful for experimental purposes.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

No presente trabalho, é realizada a modelagem e identificação de um serovoposicionador hidráulico de uma bancada de testes. As expressões analíticas tradicionalmente utilizadas em uma estratégia em cascata aplicada ao controle de trajetória de posição são obtidas. A estratégia em questão utiliza, conjuntamente, a linearização por realimentação como lei de controle do subsistema hidráulico e a lei de controle de Slotine e Li no subsistema mecânico. Com base na mesma estratégia, um controlador em cascata neural é proposto. Em tal controlador, a função analítica que representa o mapa inverso, presente na linearização por realimentação, e a função de compensação de atrito utilizada na lei de Slotine e Li são substituídas por funções constituidas por meio de redes neurais de perceptrons de múltiplas camadas. Essas redes neurais têm como entradas os estados do sistema e também a temperatura do fluido hidráulico. O novo controlador é apresentado em uma versão onde as redes neurais são aplicadas sem modificações on-line e em outra, onde são apresentadas leis de controle adaptativo para as mesmas. A prova de estabilidade do sistema em malha fechada é apresentada em ambos os casos. Resultados experimentais do controle de seguimento de trajetórias de posição em diferentes temperaturas do fluido hidráulico são apresentados. Esses resultados demonstram a maior efetividade do controlador proposto em relação aos controladores clássicos PID e PID+feefforward e ao controlador em cascata com funções analíticas fixas. Os experimentos são realizados em duas situações: quando não ocorrem variações paramétricas importantes no sistema, onde é utilizado o controlador em cascata neural fixo e quando ocorrem essas variações, onde se utiliza o controlador em cascata neural adaptativo. / In this work, the modeling and identification of a hydraulic actuator testing setup are performed and the analytical expressions that are used in a cascade control strategy applyied in a position trajectory tracking control are designed. Such cascade strategy uses the feedback linearization control law in the hydraulical subsystem and the Slotine and Li control law in the mechanical one. Based on this cascade strategy, a neural cascade controller is proposed, for which the analytical function used as inversion set in the feedback linearization control law and the friction function compensation of the Slotine and Li control law are replaced by multi layer perceptrons neural networks where the inputs are the states of the system and the hydraulic fluid temperature. The novel controller is introduced in two different aproachs: the first one where the neural networks do not have on-line modifications and the second one where adaptive control laws are proposed. For both of them the stability proof of the closed-loop system is presented. Experimental results about some position tracking controls performed in different fluid temperature are showed. The results show that the novel controller is more efective than the classical PID, PID+feedforward and the traditional analytical cascade controller. The experiments are performed in two different setups: considering the system without importants parametric variations where is applied the non adaptive cascade neural controller and in the presence of parametric variations where is applied the adaptive cascade neural controller.

No presente trabalho, é realizada a modelagem e identificação de um serovoposicionador hidráulico de uma bancada de testes. As expressões analíticas tradicionalmente utilizadas em uma estratégia em cascata aplicada ao controle de trajetória de posição são obtidas. A estratégia em questão utiliza, conjuntamente, a linearização por realimentação como lei de controle do subsistema hidráulico e a lei de controle de Slotine e Li no subsistema mecânico. Com base na mesma estratégia, um controlador em cascata neural é proposto. Em tal controlador, a função analítica que representa o mapa inverso, presente na linearização por realimentação, e a função de compensação de atrito utilizada na lei de Slotine e Li são substituídas por funções constituidas por meio de redes neurais de perceptrons de múltiplas camadas. Essas redes neurais têm como entradas os estados do sistema e também a temperatura do fluido hidráulico. O novo controlador é apresentado em uma versão onde as redes neurais são aplicadas sem modificações on-line e em outra, onde são apresentadas leis de controle adaptativo para as mesmas. A prova de estabilidade do sistema em malha fechada é apresentada em ambos os casos. Resultados experimentais do controle de seguimento de trajetórias de posição em diferentes temperaturas do fluido hidráulico são apresentados. Esses resultados demonstram a maior efetividade do controlador proposto em relação aos controladores clássicos PID e PID+feefforward e ao controlador em cascata com funções analíticas fixas. Os experimentos são realizados em duas situações: quando não ocorrem variações paramétricas importantes no sistema, onde é utilizado o controlador em cascata neural fixo e quando ocorrem essas variações, onde se utiliza o controlador em cascata neural adaptativo. / In this work, the modeling and identification of a hydraulic actuator testing setup are performed and the analytical expressions that are used in a cascade control strategy applyied in a position trajectory tracking control are designed. Such cascade strategy uses the feedback linearization control law in the hydraulical subsystem and the Slotine and Li control law in the mechanical one. Based on this cascade strategy, a neural cascade controller is proposed, for which the analytical function used as inversion set in the feedback linearization control law and the friction function compensation of the Slotine and Li control law are replaced by multi layer perceptrons neural networks where the inputs are the states of the system and the hydraulic fluid temperature. The novel controller is introduced in two different aproachs: the first one where the neural networks do not have on-line modifications and the second one where adaptive control laws are proposed. For both of them the stability proof of the closed-loop system is presented. Experimental results about some position tracking controls performed in different fluid temperature are showed. The results show that the novel controller is more efective than the classical PID, PID+feedforward and the traditional analytical cascade controller. The experiments are performed in two different setups: considering the system without importants parametric variations where is applied the non adaptive cascade neural controller and in the presence of parametric variations where is applied the adaptive cascade neural controller.

Sistemas pneumáticos se tornaram cada vez mais presentes em vários segmentos do mercado e são amplamente utilizados na indústria, principalmente devido à sua facilidade de manutenção, baixo custo, segurança e aplicabilidade em diversos processos. O desenvolvimento contínuo da tecnologia conduziu a um aumento nas pesquisas relacionadas ao controle de sistemas de servoposicionamento pneumático, resultando em algoritmos que têm avançado na direção da disponibilização de controle mais preciso destes sistemas. O presente trabalho se propõe ao desenvolvimento de um manipulador tipo SCARA composto por dois atuadores rotativos e um prismático, todos pneumáticos. Estes dispositivos apresentam grandes não linearidades, que dificultam seu controle. Assim, visa-se no presente trabalho o desenvolvimento de um controlador baseado em um modelo que possa superar as principais dificuldades relacionadas a essas não linearidades, como o comportamento não linear da relação pressão-vazão na servoválvula, a dinâmica dos gases na aleta e as forças de atrito O principal objetivo dessa tese é propor uma estratégia de controle baseada na Lei do Torque Computado Adaptativo com compensação explícita do atrito que contemple as peculiaridades dinâmicas estruturais deste tipo de sistema com aplicação de controle de trajetória. O modelo matemático para o atuador pneumático rotativo proposto no âmbito do presente trabalho e utilizado na síntese desse controlador foi avaliado por meio de resultados de simulações e experimentos executados em um protótipo projetado e construído também no escopo do presente trabalho. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de trajetórias contínuas indicam que a estratégia de controle do Torque Computado Adaptativo, em conjunto com o esquema de compensação explícita do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição quando comparado com as técnicas do Torque Computado com parâmetros fixos, Torque Computado com parâmetros fixos com compensação explícita do atrito e Torque Computado Adaptativo sem a compensação explícita do atrito. / Pneumatic systems become increasingly present in different segments of the market and are widely used in industry, mainly due to their ease of maintenance, low cost, safety and applicability in various processes. The continued development of technology resulted in an increase in the research related to the control of pneumatic servo drive positioning systems, resulting in algorithms that have advanced in the direction of the availability of more precise control of these systems. This study has the purpose of to develop a type pneumatic driven SCARA manipulator that consists of a prismatic and two rotary actuators. These devices present highly nonlinear, which harder their control. Thus, the target of this work is to develop a controller based on a model that can overcome the main difficulties related to these nonlinearities, such as the nonlinear behavior of the pressure-flow ratio in the servo valve, the gas dynamics in the fin and friction. The main objective of this thesis is to propose a control strategy based on the Adaptive Computed Torque Law with explicit compensation of the friction that contemplates the structural dynamic peculiarities of this type of system with application of trajectory control The mathematical model for the rotary pneumatic actuator proposed in the present work and used in the synthesis of this controller was evaluated through simulations results and experiments executed in a prototype designed and also built in the scope of the present work. The results of the application of the proposed controller, operating in continuous trajectories tracking regime, indicate that the Adaptive Computed Torque control strategy, together with the explicit friction compensation scheme, leads the system to a reduction of the following errors trajectory in position when compared to techniques as Computed Torque with fixed parameters, Torque Computed with explicit friction compensation and Computed Torque Adaptive without explicit friction compensation.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

Sistemas pneumáticos se tornaram cada vez mais presentes em vários segmentos do mercado e são amplamente utilizados na indústria, principalmente devido à sua facilidade de manutenção, baixo custo, segurança e aplicabilidade em diversos processos. O desenvolvimento contínuo da tecnologia conduziu a um aumento nas pesquisas relacionadas ao controle de sistemas de servoposicionamento pneumático, resultando em algoritmos que têm avançado na direção da disponibilização de controle mais preciso destes sistemas. O presente trabalho se propõe ao desenvolvimento de um manipulador tipo SCARA composto por dois atuadores rotativos e um prismático, todos pneumáticos. Estes dispositivos apresentam grandes não linearidades, que dificultam seu controle. Assim, visa-se no presente trabalho o desenvolvimento de um controlador baseado em um modelo que possa superar as principais dificuldades relacionadas a essas não linearidades, como o comportamento não linear da relação pressão-vazão na servoválvula, a dinâmica dos gases na aleta e as forças de atrito O principal objetivo dessa tese é propor uma estratégia de controle baseada na Lei do Torque Computado Adaptativo com compensação explícita do atrito que contemple as peculiaridades dinâmicas estruturais deste tipo de sistema com aplicação de controle de trajetória. O modelo matemático para o atuador pneumático rotativo proposto no âmbito do presente trabalho e utilizado na síntese desse controlador foi avaliado por meio de resultados de simulações e experimentos executados em um protótipo projetado e construído também no escopo do presente trabalho. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de trajetórias contínuas indicam que a estratégia de controle do Torque Computado Adaptativo, em conjunto com o esquema de compensação explícita do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição quando comparado com as técnicas do Torque Computado com parâmetros fixos, Torque Computado com parâmetros fixos com compensação explícita do atrito e Torque Computado Adaptativo sem a compensação explícita do atrito. / Pneumatic systems become increasingly present in different segments of the market and are widely used in industry, mainly due to their ease of maintenance, low cost, safety and applicability in various processes. The continued development of technology resulted in an increase in the research related to the control of pneumatic servo drive positioning systems, resulting in algorithms that have advanced in the direction of the availability of more precise control of these systems. This study has the purpose of to develop a type pneumatic driven SCARA manipulator that consists of a prismatic and two rotary actuators. These devices present highly nonlinear, which harder their control. Thus, the target of this work is to develop a controller based on a model that can overcome the main difficulties related to these nonlinearities, such as the nonlinear behavior of the pressure-flow ratio in the servo valve, the gas dynamics in the fin and friction. The main objective of this thesis is to propose a control strategy based on the Adaptive Computed Torque Law with explicit compensation of the friction that contemplates the structural dynamic peculiarities of this type of system with application of trajectory control The mathematical model for the rotary pneumatic actuator proposed in the present work and used in the synthesis of this controller was evaluated through simulations results and experiments executed in a prototype designed and also built in the scope of the present work. The results of the application of the proposed controller, operating in continuous trajectories tracking regime, indicate that the Adaptive Computed Torque control strategy, together with the explicit friction compensation scheme, leads the system to a reduction of the following errors trajectory in position when compared to techniques as Computed Torque with fixed parameters, Torque Computed with explicit friction compensation and Computed Torque Adaptive without explicit friction compensation.

O elemento final de controle mais usado nas malhas de processo na indústria é a válvula de controle. Portanto, é necessário assegurar que ela possua o melhor desempenho possível, a fim de assegurar um funcionamento satisfatório da malha de controle. Devido ao desgaste natural das partes móveis e o ressecamento das gaxetas, as válvulas apresentam atrito que insere oscilações na abertura da válvula e devido a seu comportamento não linear que diminui a eficiência do controle. A presença de oscilações nas malhas de controle aumenta a variabilidade das variáveis de processo, o desgaste dos componentes e o consumo de energia, além de provocar o desperdício de materiais. Por isto, no presente trabalho são estudados e implementados diferentes compensadores de atrito existentes na literatura, visando reduzir o efeito do atrito nas válvulas e, por sua vez as oscilações na variável do processo. Estes métodos são aplicados na Planta Piloto de Neutralização de pH do Laboratório de Controle de Processos Industriais (LCPI). O processo de neutralização de pH é não-linear e apresenta características variantes no tempo, as quais tornam mais complexo o controle do processo. Inicialmente foi feita a implementação dos compensadores em um software acadêmico (MATLAB®), devido à familiaridade que se tem com ele, o que facilitou um melhor entendimento dos métodos de compensação junto com o controlador PID no processo. Em uma segunda etapa, a fim de trazer os estudos a um ambiente mais prático, foram implementados os algoritmos de compensação de atrito em um sistema de controle industrial (ABB®). Nos dois casos se realizaram testes em modo servo e regulatório e se avaliaram os resultados obtidos usando o índice ITAE (Integral Time Absolute Error). Os resultados evidenciam que os compensadores conseguem diminuir a variabilidade na válvula de controle, sendo que o compensador CR2 apresentou o melhor desempenho para o modo servo e regulatório. / The most used final control element in process loops in the industry is the control valve. It must ensure that it has the best possible performance in order to guarantee a satisfactory operation of the control loop. Due of the natural wear of moving parts and drying gaskets, valves exhibit friction. This friction inserts oscillations in the valve opening and due to its non-linear behavior; this causes the efficiency to decrease. The presence of oscillations in the control loop increases the variability of the process variables, the component wear, energy consumption and cause a waste of materials. Therefore, in this work we studied and implemented different friction compensation methods that exist in literature, in order to reduce the effect of friction on the valves and in turn the oscillations in the process variable. These methods are applied in the Pilot Plant Neutralization pH of Industrial Process Control Laboratory (LCPI), the pH neutralization process is nonlinear and presents time-varying characteristics, these characteristics become the control process more complex. Initially, it was made the implementation of compensation methods in academic software (MATLAB®), due to the familiarity that already exist with it, which facilitated a better comprehension of the compensation methods with the PID controller in the process. In a second step, in order to bring the study to a more practical environment, the friction compensation algorithms were implemented in an industrial control system (ABB®). In both cases were performed tests inn servo and regulatory mode, and evaluated the results using the ITAE index (Integral Time Absolute Error). The results show that in general terms that the compensating methods showing a very satisfactory performance, with the compensator CR2 showed the best performance for the servo and regulatory mode.