Supondo-se que os robôs coexistirão conosco num futuro próximo, é então evidente a necessidade de Arquiteturas de Controle Inteligentes voltadas para a Interação Humano-Robô. Portanto, este trabalho desenvolveu uma Organização de Arquitetura de Controle Inteligente comportamental, cujo objetivo principal é permitir que o robô interaja com as pessoas de maneira intuitiva e que motive a colaboração entre pessoas e robôs. Para isso, um módulo emocional sintético, embasado na teoria bidimensional de emoções, foi integrado para promover a adaptação dos comportamentos do robô, implementados por Esquemas Motores, e a comunicação de seu estado interno de modo inteligível. Esta Organização subsidiou a implantação da Arquitetura de Controle em uma aplicação voltada para a área assistencial da saúde, consistindo, destarte, em um estudo de caso em robótica social assistiva como ferramenta auxiliar para educação especial. Os experimentos realizados demonstraram que a arquitetura de controle desenvolvida é capaz de atender aos requisitos da aplicação, conforme estipulado pelos especialistas consultados. Isto posto, esta tese contribui com o projeto de uma arquitetura de controle capaz de agir mediante a avaliação subjetiva baseada em crenças cognitivas das emoções, o desenvolvimento de um robô móvel de baixo-custo, e a elaboração do estudo de caso em educação especial. / Assuming that robots will coexist with humans in the near future, it is conspicuous the need of Intelligent Control Architectures suitable for Human-Robot Interaction. Henceforth, this research has developed a behavioral Control Architecture Organization, whose main purpose is to allow the intuitive interaction of robot and people, thus fostering the collaboration between them. To this end, a synthetic emotional module, based on the Circumplex emotion theory, promoted the adaptation of the robot behaviors, implemented using Motor Schema theory, and the communication of its internal state. This Organization supported the adoption of the Control Architecture into an assistive application, which consists of the case study of assistive social robots as an auxiliary tool for special education. The experiments have demonstrated that the developed control architecture was able to meet the requirements of the application, which were conceived according to the opinion of the consulted experts. Thereafter, this thesis contributes with the design of a control architecture that is able to act upon the subjective evaluation based on cognitive beliefs of emotions, the development of a low-cost mobile robot, and the development of the case study in special education.

In robotic rehabilitation therapies, knowledge of human joint torques is important for patient safety, to provide a reliable data for clinical assessment and to increase control performance of the device, nevertheless, its measurement can be complex or have a highcost implementation. The most of techniques for torque estimation have been developed for upper limb robotic rehabilitation devices, in addition, they typically require detailed anthropometric and musculoskeletal models. In this dissertation is presented the ankle torque estimation for the Anklebot robot, the estimation uses an ankle/Anklebot dynamic model that consider the ankle joint angular displacement and velocity measurement, its mechanical impedance parameters are obtained through a second-order modeled mechanical impedance of the ankle and an identification of frictional and gravitational torques. Three approaches for the ankle torque estimation were proposed to be implemented in the Anklebot robot, the Generalized Momentum, the Kalman filter and finally a combination of both the above mentioned approaches. The validation of such approaches was developed first on a physical mockup configured to reproduce the human ankle joint movement, by assessing its performances, the Kalman filter approach was selected to be implemented on a voluntary subject. A set of experiments were performed considering the physical activity that the subject may realize when interacting with the Anklebot, the developed ankle torque estimation proved to be successful for passive torque and in most of the proposed scenarios where active torque is performed. / Em terapias de reabilitação robótica, o conhecimento dos torques da articulação humana é importante para a segurança do paciente, para fornecer dados confiáveis na avaliação clínica e aumentar o desempenho de controle do dispositivo, no entanto, sua medição pode ser complexa ou costoso de implementar. A maioria das técnicas de estimativa de torque tem sido desenvolvidas para dispositivos de reabilitação robótica de membros superiores, além disso, eles normalmente requerem modelos antropométricos e musculoesqueléticos detalhados. Nesta dissertação é apresentada a estimativa do torque do tornozelo no robô Anklebot, a estimação utiliza um modelo dinâmico tornozelo + Anklebot o qual considera a medição da posição e velocidade angular do tornozelo, os parametros de impedancia mecânica do tornozelo são obtidos por meio de um modelo simples de segunda ordem e são identificados os torques gravitacionais e de atrito. Três abordagens para a estimativa de torque de tornozelo foram propostas para serem implementadas, o momento generalizado, o filtro de Kalman e, finalmente, uma abordagem que combina tanto o momento generalizado e o filtro de Kalman. A validação de tais abordagens foi desenvolvida primeiro em um mock-up físico configurado para reproduzir o movimento articular do tornozelo humano, avaliando seus desempenhos. A segunda abordagem proposta foi selecionada para ser implementada em um usuário voluntário. Um conjunto de experimentos foi realizado considerando a atividade física que o sujeito pode realizar ao interagir com o Anklebot, a estimativa desenvolvida de torque de tornozelo demostrou ser bem sucedida para o torque passivo e na maioria dos cenários propostos onde o torque ativo é realizado.

A robótica social representa um ramo da interação humano-robô que visa desenvolver robôs para atuar em ambientes não estruturados em parceria direta com seres humanos. O relatório A Roadmap for U.S. Robotics From Internet to Robotics, de 2013, preconiza a obtenção de resultados promissores em 12 anos desde que condições apropriadas sejam disponibilizadas para a área. Uma das condições envolve a utilização de ambiente de referência para desenvolver, avaliar e comparar o desempenho de sistemas cognitivos. Este ambiente é denominado Robot City com atores, cenários (casas, ruas, cidade) e auditores. Até o momento esse complexo ambiente não se concretizou, possivelmente devido ao elevado custo de implantação e manutenção de uma instalação desse porte. Nesta dissertação é proposto um caminho alternativo através da definição e implementação do simulador de sistemas cognitivos denominado Robot House Simulator (RHS). O simulador RHS tem como objetivo disponibilizar um ambiente residencial composto por sala e cozinha, no qual convivem dois agentes, um robô humanoide e um avatar humano. O agente humano é controlado pelo usuário do sistema e o robô é controlado por uma arquitetura cognitiva que determina o comportamento do robô. A arquitetura cognitiva estabelece sua percepção do ambiente através de informações sensoriais supridas pelo RHS e modeladas por uma ontologia denominada OntSense. A utilização de uma ontologia garante rigidez formal aos dados sensoriais além de viabilizar um alto nivel de abstração. O RHS tem como base a ferramenta de desenvolvimento de jogos Unity sendo aderente ao conceito de código aberto com disponibilização pelo repositório online GitHub. A validação do sistema foi realizada através de experimentos que demonstraram a capacidade do simulador em prover um ambiente de validação para arquiteturas cognitivas voltadas à robótica social. O RHS é pioneiro na integração de um simulador e uma arquitetura cognitiva, além disto, é um dos poucos direcionados para robótica social provendo rica informação sensorial, destacando-se o modelamento inédito disponibilizado para os sentidos de olfato e paladar. / Social robotics represents a branch of human-robot interaction that aims to develop robots to work in unstructured environments in direct partnership with humans. The Roadmap for Robotics from the Internet to Robotics, 2013, predicts achieving promising results in 12 years as long as appropriate conditions are made available to the area. One of the conditions involves the use of a reference environment to develop, evaluate and compare the performance of cognitive systems. This environment is called Robot City with actors, scenarios (houses, streets, city) and auditors. To date, this complex environment has not been materialized, possibly due to its high cost of installing and maintaining. In this dissertation an alternative way is proposed through the definition and implementation of the simulator of cognitive systems called Robot House Simulator (RHS). The RHS simulator aims to provide a residential environment composed of living room and kitchen, in which two agents live together, a humanoid robot and a human avatar. The human avatar is controlled by the user of the system and the robot is controlled by a cognitive architecture that determines the behavior of the robot. The cognitive architecture establishes its perception of the environment through sensorial information supplied by the RHS and modeled by an ontology called OntSense. The use of an ontology guarantees formal rigidity to the sensory data in addition to enabling a high level of abstraction. The RHS simulator is based on the Unity game engine and is adheres to the open source concept, available on the GitHub online repository. The validation of the system was performed through experiments that demonstrated the simulators ability to provide a validation environment for cognitive architectures aimed at social robotics. The RHS simulator is a pioneer in the integration of a simulator and a cognitive architecture. In addition, it is one of the few for social robotics to provide rich sensory information where it is worth noting the unprecedented modeling available to the senses of smell and taste.