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.

Manipuladores robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.

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 robóticos têm ganhado cada vez mais importância em operações espaciais por poderem substituir humanos na realização de tarefas perigosas ou demasiadamente demoradas e repetitivas. Em destaque tem-se os manipuladores de base livre, por poderem ser acoplados a satélites ou estações espaciais e representarem um grande desafio para engenheiros de controle. Tais robôs possuem dois modos de operação: com base livre controlada e com base livre flutuante. No primeiro modo a base do manipulador tem atitude e translação controladas por jatos propulsores ou rodas de reação, de modo que o comportamento do robô se aproxima de um manipulador de base fixa. Porém, há um considerável consumo de combustível e energia elétrica, além de novos distúrbios que são inseridos no sistema. No segundo modo, considerado neste trabalho de mestrado, os controles da base são desligados durante a operação e ela pode mover-se livremente em resposta aos movimentos do braço. Embora tenha-se notável economia de combustível e energia elétrica, o acoplamento dinâmico entre base e braço deve ser considerado tanto na modelagem como no projeto do controlador. Para modelar o robô espacial considerado neste projeto foi aplicado o método do Manipulador Dinamicamente Equivalente, que mapeia um manipulador de base livre flutuante através de um robô sub-atuado de base fixa. Dessa forma é possível utilizar sobre robôs espaciais técnicas de controle já desenvolvidas para manipuladores terrestres. Este trabalho trata da análise de controladores robustos e adaptativo aplicados sobre um manipulador planar de base livre flutuante com dois braços para realizar a tarefa de seguimento de trajetórias definidas no espaço de tarefa. Os sistemas de controle considerados foram: Regulador Linear Quadrático Recursivo Robusto (RLQR), controlador H-infinito robusto e controlador adaptativo com modos deslizantes. Os resultados mostraram que os controladores apresentaram desempenhos distintos mas ainda assim foram capazes de realizar a tarefa de seguir trajetórias no espaço de trabalho com erros de acompanhamento bastante pequenos. Foi elaborada também uma comparação quantitativa através de índices de desempenho considerando integral de torques e norma L2 de erros de acompanhamento. / Robotic manipulators gained greater importance in space operations by being able to replace humans in dangerous or very long and repetitive tasks. Free-floating manipulators are highlighted, because they can be coupled to satellites or space stations and represent a great challenge to control engineers. These robots have two operation modes: controlled base and free-floating base. In the first mode, the base has its attitude and translation controlled by propulsion jets or reaction wheels, so that the robot behavior is similar to a fixed-base manipulator. However, there is considerable fuel and electrical energy consumption, besides additional disturbances inserted in the system. In the second mode, which is considered in this work, the base is not controlled during operation and is able to move freely in response to movements of the arm. Even though there is a remarkable fuel and electrical energy saving, the dynamic coupling between base and arm must be taken into account during modelling and controller design. To model the space manipulator considered in this work the Dynamically Equivalent Manipulator method was used, which maps a free-floating manipulator into a underactuated fixed-base manipulator. Thus, it is possible to apply known control techniques for terrestrial manipulators on free-floating ones. This work discusses robust and adaptive controllers applied on a planar dual-arm free-floating space manipulator in order to track trajectories defined in the workspace. The considered control systems are: Robust Recursive Linear Quadratic Regulator, Robust H-infinity and Adaptive Sliding Modes. Results showed that the controllers had distinct performances but were still able to perform trajectory tracking in workspace with very small tracking errors. A quantitative comparison was also elaborated with performance indexes considering integral of torques and L2 norm of tracking errors.

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.