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.

[pt] Um novo conceito de manipulador esta sendo estudado com o intuito de realizar tarefas inviáveis para manipuladores tradicionais. Este modelo de manipulador se baseia em manipuladores contínuos. Eles apresentam uma estrutura similar a uma coluna vertebral, são altamente modulares, leves, podem ser atuados remotamente e possuem alto índice de adaptabilidade com o ambiente. Este tipo de manipulador apresenta características interessantes para utilização em diversos tipos de tarefas, principalmente em inspeções em locais com muitos obstáculos e ambientes inóspitos para os seres humanos. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um protótipo de manipulador contínuo atuado remotamente por tendões. Ele possui estrutura modular formado por vértebras ligadas serialmente. Inicialmente projetado através de ferramentas computacionais para em seguida ser construído fisicamente. São apresentados estudos cinemáticos e simulações com comparações entre a parte teórica e experimental. Por fim, é desenvolvida uma situação para simular a atuação do manipulador em uma tarefa real. / [en] A new concept of robotic manipulator is studied to perform tasks not viable for traditional manipulators. This new model is based on a continuum manipulator. It has a structure similar to a backbone, it is highly modular, lightweight, it can be remotely actuated, and it has a high level of adaptability to the environment. This type of manipulator has interesting features for uses in various types of tasks, especially in inspections in places with many obstacles and inhospitable to humans. This thesis presents the development of a remote tendon drive robotic continuum manipulator prototype. It has a modular structure composed of serially connected vertebrae. It is initially designed by computational tools, and then physically built. Kinematic studies and simulations are presented with comparisons between theoretical and experimental results. Finally, a situation is presented to simulate the performance of the manipulator in a real task.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:13:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JessicleyFF_DISSERT.pdf: 589195 bytes, checksum: f447360e04132272a9816158f417ea7a (MD5) Previous issue date: 2013-03-19 / Universidade Federal do Rio Grande do Norte / Os manipuladores de alimentos e bebidas exercem papel fundamental na transmiss?o das Doen?as Transmitidas por Alimentos- DTAS, de forma que o presente estudo objetivou analisar uma popula??o de trabalhadores do segmento de alimentos e bebidas participantes de processo formativo com foco nos perfis s?cio-demogr?fico, ocupacional e de forma??o em uma capital da regi?o nordeste do Brasil. Avaliou-se 116 manipuladores de alimentos e bebidas participantes de processo formativo de qualifica??o profissional junto a Escola de Hotelaria e Turismo- Barreira Roxa do Estado do RN localizada na regi?o nordeste do Brasil, no per?odo de janeiro a julho de 2010. Utilizou-se question?rio estruturado contendo quest?es referentes aos aspectos s?cios demogr?ficos, ocupacionais e de forma??o profissional. Observou-se que 51% da amostra eram mulheres com idade m?dia de 30?8,2 anos; 78% possu?am o ensino m?dio completo, 88,8% dos sujeitos n?o apresentavam forma??o t?cnica para a fun??o exercida e 57% trabalhavam como promotores de vendas em supercados. Al?m disto, apresentou-se um alto turn over entre os participantes. Os resultados apontam a presen?a de trabalhadores sem ascens?o profissional e escolar atuando no segmento de alimentos. Portanto, h? a necessidade de programas de qualifica??o aliadas a a??es diversas que contribuam para a produ??o de alimentos seguros

Robôs manipuladores vem desempenhando um importante papel em operações orbitais, e isso foi possível devido ao grande avanço da robótica espacial nas últimas décadas. Porém, o planejamento do movimento ainda é considerado um dos maiores desafios nesse campo, embora diversos métodos e considerações tenham sido propostas para resolver esse problema. As primeiras contribuições na área de planejamento de movimento dependiam de uma representação explícita do espaço de configuração do robô. Dessa forma, o planejamento de movimento para sistemas robóticos com muitos graus de liberdade era impraticável. Para lidar com esse problema, surgiram os métodos baseados em amostragem, dentre eles, o método de Árvore Aleatória de Exploração Rápida - RRT (do inglês, Rapidly- Exploring Random Tree). Estes métodos, ao invés da construção de todo o conjunto de configurações livre de colisões, requerem apenas a verificação de colisão com obstáculos para um conjunto discreto e finito de configurações do robô. Consequentemente, para este tipo de problema, são métodos mais vantajosos em termos computacionais. Com esta motivação, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um planejador de rota e de um planejador de trajetória para um robô manipulador espacial de base livre flutuante com dois braços, ambos planejadores com suporte a desvio de obstáculos estáticos. O conceito de manipulador dinamicamente equivalente é utilizado para modelar o manipulador espacial. Isso permite que o planejamento seja feito para um manipulador de base fixa subatuado dinamicamente equivalente ao manipulador de base livre flutuante. Os algoritmos baseados em amostragem RRT* e RRTControl disponibilizados na biblioteca OMPL (do inglês, Open Motion Planning Library) foram adaptados para resolver este problema de planejamento. O algoritmo RRT* é usado para o planejamento de rota, e o RRTControl para o planejamento de trajetória. Ambos planejadores utilizam o espaço de configuração das juntas do robô. Para possibilitar que a orientação e posição final dos dois efetuadores do robô pudessem ser especificadas no espaço da tarefa, um algoritmo de cinemática inversa baseado em algoritmo genético também foi desenvolvido para encontrar a solução da cinemática inversa do manipulador. / Robot manipulator has played an important role in orbital missions and this was possible due to the advance of space robotics in recent decades. However, motion planning is still considered one of the biggest challenges of the field though various methods and considerations were proposed by researchers to handle this problem. The first contributions in this field were dependent on an explicit representation of the free configuration space. Consequently, it was impractical to solve the motion planning problem for robotic systems with many degrees of freedom. In order to cope with this limitation, sampling-based methods were proposed, in particular, the Rapidly-Exploring Random Tree – RRT. Sampling-based methods only requires a procedure to verify collision with obstacles for a discrete amount of robot configuration during planning. Therefore, they are more advantageous in computational terms. In this work a path planner and a trajectory planner were developed for a free-floating planar manipulator with two arms with support for static obstacle avoidance. The Dynamically Equivalent Manipulator approach was used for modelling the robot. Thus, the planners were developed based on a fixed-base underactuated manipulator model which is dynamically equivalent to the free-floating manipulator. The sampling-based algorithms RRT* and RRTControl of the Open Motion Planning Library (OMPL) were adapted to solve this motion planning problem. The RRT* were used for path planning, and the RRTControl for trajectory planning, both carried out in the robot joint space. As the desired orientations and positions of the two end-effectors were specified in the task-space, a genetic algorithm was also developed to compute the inverse kinematics of the manipulator.

Robôs manipuladores vem desempenhando um importante papel em operações orbitais, e isso foi possível devido ao grande avanço da robótica espacial nas últimas décadas. Porém, o planejamento do movimento ainda é considerado um dos maiores desafios nesse campo, embora diversos métodos e considerações tenham sido propostas para resolver esse problema. As primeiras contribuições na área de planejamento de movimento dependiam de uma representação explícita do espaço de configuração do robô. Dessa forma, o planejamento de movimento para sistemas robóticos com muitos graus de liberdade era impraticável. Para lidar com esse problema, surgiram os métodos baseados em amostragem, dentre eles, o método de Árvore Aleatória de Exploração Rápida - RRT (do inglês, Rapidly- Exploring Random Tree). Estes métodos, ao invés da construção de todo o conjunto de configurações livre de colisões, requerem apenas a verificação de colisão com obstáculos para um conjunto discreto e finito de configurações do robô. Consequentemente, para este tipo de problema, são métodos mais vantajosos em termos computacionais. Com esta motivação, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um planejador de rota e de um planejador de trajetória para um robô manipulador espacial de base livre flutuante com dois braços, ambos planejadores com suporte a desvio de obstáculos estáticos. O conceito de manipulador dinamicamente equivalente é utilizado para modelar o manipulador espacial. Isso permite que o planejamento seja feito para um manipulador de base fixa subatuado dinamicamente equivalente ao manipulador de base livre flutuante. Os algoritmos baseados em amostragem RRT* e RRTControl disponibilizados na biblioteca OMPL (do inglês, Open Motion Planning Library) foram adaptados para resolver este problema de planejamento. O algoritmo RRT* é usado para o planejamento de rota, e o RRTControl para o planejamento de trajetória. Ambos planejadores utilizam o espaço de configuração das juntas do robô. Para possibilitar que a orientação e posição final dos dois efetuadores do robô pudessem ser especificadas no espaço da tarefa, um algoritmo de cinemática inversa baseado em algoritmo genético também foi desenvolvido para encontrar a solução da cinemática inversa do manipulador. / Robot manipulator has played an important role in orbital missions and this was possible due to the advance of space robotics in recent decades. However, motion planning is still considered one of the biggest challenges of the field though various methods and considerations were proposed by researchers to handle this problem. The first contributions in this field were dependent on an explicit representation of the free configuration space. Consequently, it was impractical to solve the motion planning problem for robotic systems with many degrees of freedom. In order to cope with this limitation, sampling-based methods were proposed, in particular, the Rapidly-Exploring Random Tree – RRT. Sampling-based methods only requires a procedure to verify collision with obstacles for a discrete amount of robot configuration during planning. Therefore, they are more advantageous in computational terms. In this work a path planner and a trajectory planner were developed for a free-floating planar manipulator with two arms with support for static obstacle avoidance. The Dynamically Equivalent Manipulator approach was used for modelling the robot. Thus, the planners were developed based on a fixed-base underactuated manipulator model which is dynamically equivalent to the free-floating manipulator. The sampling-based algorithms RRT* and RRTControl of the Open Motion Planning Library (OMPL) were adapted to solve this motion planning problem. The RRT* were used for path planning, and the RRTControl for trajectory planning, both carried out in the robot joint space. As the desired orientations and positions of the two end-effectors were specified in the task-space, a genetic algorithm was also developed to compute the inverse kinematics of the manipulator.

Como tópico de fundamental importância na robótica, o planejamento de rotas tem encontrado excelentes resultados nos últimos anos através da utilização de algoritmos baseados no conceito de árvore de exploração rápida, RRT. No entanto, a aplicação desses métodos em sistemas robóticos espaciais revela um cenário ainda a ser explorado. O comportamento não-holonômico e a presença de singularidades dinâmicas são alguns fatores que dificultam a consideração de obstáculos no planejamento de rotas desses sistemas. Além disso, os trabalhos relacionados ao planejamento de movimento para manipuladores espaciais mostram-se concentrados na estratégia ponto-a-ponto, com interesse especial nos aspectos particulares da dinâmica desses sistemas. De modo geral, para manipuladores espaciais, o planejamento de trajetória envolvendo o desvio de obstáculos depende de uma rota previamente computada. Contudo, essa tarefa carece de formulações ou técnicas solidificadas, sobretudo para manipuladores espaciais de base livre flutuante. Com esta motivação, o trabalho proposto nesta dissertação de mestrado cria um planejador de rotas com suporte a desvio de obstáculos para um manipulador espacial planar de base livre flutuante. O modelo dinâmico utilizado é baseado no conceito de manipulador dinamicamente equivalente e incorporado a um algoritmo baseado no conceito de RRT. / As major challenge in the field of robotics, path planning has experienced successful results in recent years by means of the RRT algorithm. However, the application of such algorithms in space manipulators reveals a scenario yet to be explored. The non-holonomic behavior, added to the presence of dynamic singularities are only a few factors that make collision-avoidance path planning of these systems such a hard task. Besides, works in the field of motion planning of space manipulators often concentrate in the strategy pointto- point, with particular interest in the complex dynamics of such systems. As a rule of thumb, collision-avoidance for space manipulators depends on a previous computed path. However, this task still lacks robust formulations, specially in the case of free-floating manipulators. With this motivation, the proposed work creates a collision-avoiding path planning for a free-floating planar manipulator. The dynamic model is based on the Dynamically Equivalent Manipulator and the concept of Rapidly-Exploring Random Trees serves as a frame for the developed algorithm.

Como tópico de fundamental importância na robótica, o planejamento de rotas tem encontrado excelentes resultados nos últimos anos através da utilização de algoritmos baseados no conceito de árvore de exploração rápida, RRT. No entanto, a aplicação desses métodos em sistemas robóticos espaciais revela um cenário ainda a ser explorado. O comportamento não-holonômico e a presença de singularidades dinâmicas são alguns fatores que dificultam a consideração de obstáculos no planejamento de rotas desses sistemas. Além disso, os trabalhos relacionados ao planejamento de movimento para manipuladores espaciais mostram-se concentrados na estratégia ponto-a-ponto, com interesse especial nos aspectos particulares da dinâmica desses sistemas. De modo geral, para manipuladores espaciais, o planejamento de trajetória envolvendo o desvio de obstáculos depende de uma rota previamente computada. Contudo, essa tarefa carece de formulações ou técnicas solidificadas, sobretudo para manipuladores espaciais de base livre flutuante. Com esta motivação, o trabalho proposto nesta dissertação de mestrado cria um planejador de rotas com suporte a desvio de obstáculos para um manipulador espacial planar de base livre flutuante. O modelo dinâmico utilizado é baseado no conceito de manipulador dinamicamente equivalente e incorporado a um algoritmo baseado no conceito de RRT. / As major challenge in the field of robotics, path planning has experienced successful results in recent years by means of the RRT algorithm. However, the application of such algorithms in space manipulators reveals a scenario yet to be explored. The non-holonomic behavior, added to the presence of dynamic singularities are only a few factors that make collision-avoidance path planning of these systems such a hard task. Besides, works in the field of motion planning of space manipulators often concentrate in the strategy pointto- point, with particular interest in the complex dynamics of such systems. As a rule of thumb, collision-avoidance for space manipulators depends on a previous computed path. However, this task still lacks robust formulations, specially in the case of free-floating manipulators. With this motivation, the proposed work creates a collision-avoiding path planning for a free-floating planar manipulator. The dynamic model is based on the Dynamically Equivalent Manipulator and the concept of Rapidly-Exploring Random Trees serves as a frame for the developed algorithm.

Manipuladores paralelos são aqueles que possuem mais de uma cadeia cinemática que liga a base ao efetuador final. Esta característica proporciona vantagens sobre os manipuladores em série, como maior robustez, maior carga útil e maior velocidade. Por outro lado, as singularidades presentes nos manipuladores paralelos diminuem a área de trabalho prejudicando o desempenho dos mesmos. Uma técnica para evitar as singularidades é a redundância cinemática, que consiste em adicionar atuadores às cadeias cinemáticas possibilitando a reconfiguração do manipulador. Além disso, a redundância cinemática pode melhorar também a rigidez, a robustez, a precisão do sistema, entre outras características, provando ser uma boa alternativa para melhorar o desempenho de manipuladores. Entretanto, alguns dos problemas encontrados em manipuladores paralelos com níveis de redundância altos são os modelos com dinâmica acoplada, que dificultam a implementação de simulações, e o controle ainda mais complexo do que manipuladores paralelos não redundantes. Portanto, esta tese apresenta um estudo sobre o controle de um manipulador paralelo versátil redundante e o impacto dos níveis de redundância cinemática sobre seu desempenho dinâmico. O protótipo consiste de um manipulador paralelo planar atuado por três motores rotacionais e três guias lineares acionadas por motores rotacionais. O acionamento ou não do movimento da guia linear define a redundância do sistema garantindo a versatilidade do protótipo, que pode apresentar de nenhum a três níveis de redundância cinemática. Essa variação permite a avaliação do impacto de diferentes níveis de redundância cinemática no manipulador. Além disso, dois controles baseados no modelo do manipulador, o controle torque calculado e o controle com linearização por retroalimentação, foram implementados para minimizar o impacto da dinâmica acoplada e não linearidades. Estes controles foram comparados com um controle tradicional como referência de comparação. Os resultados demonstraram que o desempenho do manipulador é melhorado utilizando três níveis de redundância e o controle torque calculado em termos de erro de posição e torques executados. / Parallel manipulators are those that have more than one kinematic chain linking the base to the end-effector. This feature provides advantages over serial manipulators, such as greater robustness, higher payload and higher speed. On the other hand, the singularities present in the parallel manipulators decrease the workspace and impair their performance. One technique to avoid the singularities is the kinematic redundancy, which consists of adding actuators to the kinematic chains allowing the reconfiguration of the manipulator. In addition, kinematic redundancy can also improve stiffness, robustness, accuracy, and other features proving to be a good alternative to improve the performance of manipulators. However, some of the problems encountered in parallel manipulators with high levels of redundancy are models with coupled dynamics, that hamper simulations, and even more complex control than non-redundant parallel manipulators. Therefore, this thesis presents a study on the control of a versatile redundant parallel manipulator and the impact of kinematic redundancy levels on its dynamic performance. The prototype consists of a parallel planar manipulator actuated by three rotational motors and three linear guides driven by rotational motors. Whether or not linear motion is triggered defines the redundancy of the robotic system, ensuring the versatility of the prototype, which can vary from no to three levels of kinematic redundancy. This variation allows the impact evaluation of different levels of kinematic redundancy in the manipulator. In addition, two controls based on the manipulator model, the computed torque control and the feedback linearization control were implemented to minimize the impact of coupled dynamics and nonlinearities. These controls were compared with a traditional control as reference. The results demonstrated that the manipulator performance is improved by using three levels of redundancy and the computed torque control in terms of position error and executed torques.

Propõe-se, com este trabalho, estudar numericamente se a redundância cinemática e a redundância de atuação podem ser boas alternativas para que manipuladores planares de cinemática paralela atinjam altas acelerações. Sabe-se que estes tipos de redundância promovem uma redução de singularidades do sistema robótico entre outros benefícios. No entanto, a avaliação comparativa do desempenho dinâmico de manipuladores redundantes ainda é pouco estudada. Este estudo não é trivial pois a redundância significa não somente o aumento do torque disponível, mas também que a inércia do sistema foi aumentada. A avaliação numérica deste trabalho se dará por meio do desenvolvimento de modelos cinemáticos e dinâmicos das possíveis configurações de manipuladores paralelos planares com redundância cinemática e redundância de atuação. Esta avaliação pode ser feita pela comparação entre os manipuladores redundantes e o não-redundante para desenvolver uma mesma trajetória do end-effector. Entretanto, esta avaliação é dependente da trajetória, logo esse trabalho também propõe uma avaliação através de um índice dinâmico em toda a área de trabalho dos manipuladores. / The aim of this work is to study numerically if the kinematic redundancy and the actuation redundancy can be good alternatives for parallel planar manipulators to achieve high accelerations. It is known that types of redundancy promote, among other benefits, a significant reduction in the singularities. However, the evaluation of the redundancy as a good solution to increase the dynamic performance was not studied. This study is not trivial because the redundancy means not only that there is more torque available, but also that the inertia of the system has been considerably increased. Different configurations of the redundant manipulator will be evaluated numerically through kinematic and dynamic models. This evaluation can be performed by the comparison among the non redundant manipulator and the redundant manipulators to execute the same task. This evaluation is task dependent, so this work proposes a dynamic index to desing dynamic maps over the workspace.