Orientador: Flávio Alessandro Serrão Gonçalves / Banca: Diego Colon / Banca: Fernando Pinhabel Marafão / Resumo: Este trabalho apresenta a análise, o projeto e o desenvolvimento de um manipulador robótico industrial de baixo custo, para linhas de produção que demandem menos de 10 ciclos de manipulação por minuto, denominadas de média e baixa cadência. O aparato proposto possui potencial para contribuir na melhoria das condições de utilização de células robóticas no cenário industrial nacional, auxiliando na superação dos desafios existentes para Implantação de células robóticas por pequenas e médias empresas, nomeadamente, custos de implantação, manutenção e reprogramação/reconfiguração. O manipulador robótico industrial foi projetado considerando uma estrutura metálica leve de baixo custo, com elementos mecânicos de precisão média e não dedicados, facilmente encontrados no mercado nacional. Além disso, o manipulador robótico foi projetado para ser capaz de alcançar velocidades médias provendo tempos de ciclo de operação quase equivalentes aos apresentados por robôs polares articulados convencionais, nas mesmas aplicações. O sistema de controle foi concebido para não entregar o dispendioso sistema convencional de hardware centralizado de controle de eixos, sendo esta operação realizada por algoritmo computacional executado no mesmo PC responsável pela gestão e integração dos processos. Assim, a operação emprega dispositivos acionadores descentralizados considerando o envio dos sinais de referência diretamente aos acionadores, possibilitando a compensação das restrições dos esforços da estrutura com recursos de suavização de trajetórias. A integração com o usuário possui uma interface gráfica de manipulação amigável que permite facilmente os processos de operação, manutenção e reconfiguração, com recursos de supervisão, histórico de falhas e assistência remota. Por fim, um protótipo do manipulador robótico industrial proposto é apresentado demonstrando as principais... / Abstract: This master dissertation presents the analysis, design and development of an industrial low cost robotic manipulator for production lines that require manipulation less than 10 cycles per minute, denominated medium and low cadense lines. The proposed apparatus has the potential to contribute improving the use of robotic cells in the national industrial scene, helping to overcome the existing challenges in deployment of robotic cellis by small and medium enterprises, in particular, implementation costs, maintenance and reprogramming/reconfiguration. The industrial robot manipulator was designed considering a low cost light steel structure, with average precision non-delicated mechanical elements, easily found on the national market. In addition, the robotic manipulator was designed to be able to achieve average speeds with times of operation almost equivalent to those presented by conventional polar articulated robots in the same applications. The control system was designed without the costly centralized hardware system of axes control, this operation being performed by computer algorithm running on the same PC responsible for the management and integration of processe. Thus, the operation employs descentralized devices providing the reference signals directly to the actuators, allowing the mitigation of the efforts restrictions in structure with programmable smoothing of trajectories. Integration wiht the user is designed to have a user-friendly graphical interface allowing an easy handling of operation processes, maintenance and reconfiguration, with resources for supervision, fault history and remote assistance. Finally, a prototype of the proposed industrial robot manipulator is presented in order to corroborate the construction and operational characteristics / Mestre

Neste trabalho é realizado um estudo sobre controladores adaptativos aplicados a manipuladores robóticos, dando ênfase à infuência dos seus parâmetros de projeto sobre o desempenho do sistema de controle e aos benefícios propiciados pela utilização desses controladores. Primeiramente é efetuado um resumo sobre as principais estratégias de controle adaptativo para manipuladores robóticos, ressaltando suas classificações e princípios básicos de funcionamento. Posteriormente, são projetados um Controlador Adaptativo Auto-Sintonizável (Self-Tuning) e um Controlador Adaptativo por Modelo de Referência (MRAC). Os desempenhos destes controladores são comparados com um utilizando estratégia PID, com sintonia ótima, via simulações em um manipulador com três graus de liberdade realizando tarefas de rastreamento e Pick-and-Place sujeitas a variações abruptas de carga. As estratégias adaptativas também são comparadas entre si, no que se refere, por exemplo, à facilidade para se especificar os parâmetros de projeto e à carga computacional requerida.

En este trabajo se desarrolla el modelo dinámico de un actuador hidráulico de doble efecto de la marca Fluidtek, el cual forma parte importante del simulador de marcha normal que se desarrolla en la Pontifica Universidad Católica del Perú. Asimismo, se muestra el comportamiento dinámico del actuador por medio de simulaciones ejecutadas en MatLab, para lo cual se desarrolló el algoritmo correspondiente. En primer lugar se identificaron los parámetros que caracterizan el modelo dinámico del actuador hidráulico, definiendo como variable de entrada la presión hidráulica del fluido y como variable de salida el desplazamiento del vástago. El modelo matemático se obtuvo planteando las condiciones de equilibrio correspondientes a los fenómenos físicos presentes en el accionamiento del actuador. Algunos parámetros del modelo se obtuvieron revisando la información técnica del fabricante, mientras que otros fueron obtenidos por medición y experimentación (coeficiente de fricción dinámica) y de la literatura técnica (módulo de Bulk). Los resultados obtenidos indican que el comportamiento del actuador presenta un error en estado estacionario, lo cual produce imprecisión en la señal de salida, por lo que es necesario tomar acciones de control al respecto. Sin embargo, las gráficas muestran que la simulación en el computador asemeja a lo observado en el banco de pruebas. De esta manera, se concluye que el modelo matemático obtenido describe adecuadamente al actuador. / Tesis

Dissertation submitted for obtain the degree of Doctor of Philosophy, at the University of Bristol, Faculty of Engineering, Department of Mechanical Enginnering

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T08:53:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T00:28:38Z : No. of bitstreams: 1 138956.pdf: 3606862 bytes, checksum: d61727a9d9863935fc16be997e3bd471 (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T04:43:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 240720.pdf: 5035111 bytes, checksum: 7ac137d4f93c4a8b3c2551ac8450cdd8 (MD5) / O processo de planejamento de trajetórias é uma atividade comum em operações de fabricação, que incluem soldagem, pintura, fresamento, entre outras, tanto com o uso de equipamentos de controle de operações por comando numérico (NC) quanto com robôs manipuladores. Este trabalho propõe um estudo do processo de planejamento de trajetórias para tarefas em ambientes robóticos. Para o caso em que a ferramenta descreve uma trajetória sobre a superfície, o processo de planejamento de trajetórias envolve duas etapas principais: a descrição da superfície de interesse e a definição precisa da tarefa através do cálculo da trajetória sobre a superfície.

Neste trabalho, apresenta-se um modelo de controle de trajetória para um manipulador constituído de um braço rígido e um braco flexível com atuadores e sensores piezelétricos. O modelo dinamico do manipuladoré obtido de forma fechada através da formulacao de Lagrange. O controle utiliza o torque dos motores como atuadores para controle da trajetoria do angulo das juntas e tambem para atenuar as vibracoes de baixa frequencia induzidas nos bracos do manipulador. A estabilidade deste controlador e garantida pela teoria de estabilidade de Lyapunov. Atuadores e sensores piezeletricos sao adicionados para controlar as vibracoes de alta freqüência nâo alcançadas pelo controle de torque dos motores. Além disso,é proposta uma otimização simultânea do controle e dos atuadores e sensores através da maximização da energia dissipada no sistema, devido µa ação do controle, com otimização do posicionamento e tamanho dos atuadores e sensores piezelétricos na estrutura. Simulações são obtidas através do Matlab/Simulink paraverificar a eficiência do modelo de controle.

Neste trabalho, apresenta-se um modelo de controle de trajetória para um manipulador constituído de um segmento rígido e um flexível com atuadores e sensores piezelétricos. o modelo dinâmico do manipulador é obtido de forma fechada através da formulação de Lagrange, considerando os segmentos como vigas de Euler-Bernoulli não-prismáticas. O controle utiliza o torque dos motores como atuadores para controle da trajetória do ângulo das juntas e também para atenuar as vibrações de baixa freqüência induzidas nos segmentos do manipulador. A estabilidade deste controlador é garantida pela teoria de estabilidade de Lyapunov. Atuadores e sensores piezelétricos são adicionados para contribuir no controle de vibrações de baixas freqüências e de altas freqüências não alcançadas pelo controle de torque dos motores. São propostos dois modelos de controle, um com realimentação do erro da trajetória e outro através do método de Equações de Riccati Dependentes de Estado. Além disso, é proposta uma otimização simultânea do controle e dos atuadores e sensores através da maximização da energia dissipada no sistema, devido à ação do controle, com otimização do posicionamento e tamanho dos atuadores e sensores piezelétricos na estrutura. Simulações são obtidas através do Maple e do MatlabjSimulink para verificar a eficiência do modelo de controle. / In this work, a tracking contraI model for a flexible arm robotic manipulator using piezoeletric actuators and sensors is praposed. The manipulator dynamic model is obtained in closed form by the Lagrange equations where non-prismatic Euler-Bernoulli beams are considered. The control uses the motor torques for the tracking control of the joints and aIso to reduce the induced low frequency vibration emthe manipulator arms . The stability of this control is guaranteed by the Lyapunov stability theory. Actuators and sensors are added for controlling high frequency vibrations beyond the motor torque contraI range. Two control methods are proposed: one with feedback tracking error and other with State-Dependent Riccati Equations. Additionally, a simultaneous contraI, sizing, and location optimization for actuators and sensors is proposed, maximizing the dissipated system energy damped by contraI action. Simulations on Maple and MatlabjSimulink are used to verify the efficiency of the control model.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-09-20T04:51:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 341774.pdf: 2714503 bytes, checksum: d0b7cda5fa7440d5dd3c28f8269902d9 (MD5) Previous issue date: 2016 / Robôs são amplamente utilizados em fábricas, e novas aplicações no espaço, nos oceanos, nas indústrias nucleares e em outros campos estão sendo ativamente desenvolvidas. A criação de robôs autônomos que podem aprender a agir em ambientes imprevisíveis têm sido um objetivo de longa data da robótica, da inteligência artificial, e das ciências cognitivas.Um passo importante para a autonomia dos robôs é a necessidade de dotá-los com um certo nível de independência, a fim de enfrentar as mudanças rápidas no ambiente circundante; para obter robôs que operem fora de ambientes rigidamente estruturados, tais como centros de investigação ou instalações de universidades e sem precisar da supervisão de engenheiros ou especialistas, é necessário enfrentar diferentes desafios tecnológicos, entre eles, o desenvolvimento de estratégias que permitam que os robôs interajam com o ambiente. Neste contexto, quando um contacto físico com o ambiente é estabelecido, uma força específica precisa de ser exercida e esta força tem de ser controlada em relação ao processo a fim de evitar a sobrecarga ou danificar o manipulador ou os objetos a serem manipulados.O principal objetivo deste trabalho é apresentar novas metodologias desenvolvidas para determinar a máxima carga que um mecanismo ou manipulador planar pode aplicar ou suportar (capacidade de carga), sejam eles paralelos, seriais ou híbridos e com redundância ou não. A fim de resolver o problema da capacidade de carga, neste trabalho foram propostas duas novas abordagens com base no método do fator de escala clássico e nos métodos clássicos de otimização. Essas novas abordagens deram como resultado um novo método chamado de método de fator de escala modificado utilizado para resolver a capacidade de carga em manipuladores seriais planares e quatro modelos matemáticos para resolver o problema de capacidade de carga em manipuladores paralelos planares com um grau líquido de restrição igual três, quatro, cinco ou seis (CN = 3, CN = 4, CN = 5 ou CN = 6).<br> / Abstract : Robots are now widely used in factories, and new applications of robots in space, the oceans, nuclear industries, and other fields are being actively developed. Creating autonomous robots that can learn to act in unpredictable environments has been a long-standing goal of robotics, artificial intelligence, and cognitive sciences.An important step towards the autonomy of robots is the need to provide them with a certain level of independence in order to face quick changes in the environment surrounding them; to get robots operating outside rigidly structured environments, such as research centres or universities facilities and beyond the supervision of engineers or experts, it is necessary to face different technological challenges, amongst them, the development of strategies that allow robots to interact with the environment. In this context, when a physical contact with the the environment is established, a process-specific force need to be exerted and this force has to be controlled in relation to the particular process in order to prevent overloading or damaging the manipulator or the objects to be manipulated.The main objective of this work is to present new methodologies developed for determining the maximum wrench that can be applied or sustained (wrench capability) in planar mechanisms and manipulators, whether it be serial parallel or hybrid and with redundancy or not. In order to solve the wrench capability problem, in this work two new approaches were proposed based in the classic scaling factor method and in classical optimization methods. These new approaches gave as result a new method called the modified scaling factor method used to solve the wrench capability in planar serial manipulators and four mathematical closed-form solutions to solve the wrench capability problem in planar parallel manipulators with a net degree of constraint equal to three, four, five or six (CN = 3, CN = 4, CN = 5 ou CN = 6).

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T02:24:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T01:54:11Z : No. of bitstreams: 1 182438.pdf: 2992474 bytes, checksum: 6797e648cc1a3b287d7a9a54c5f52e90 (MD5) / Neste trabalho, apresentam-se a modelagem e o controle em cascata de um manipulador hidráulico de dois graus de liberdade. Baseando-se em estudos de robôs industriais, em várias aplicações com manipulação de cargas pesadas, torna-se atrativa a utilização de manipuladores hidráulicos, devido as suas características de excelente relação torque/dimensão, resposta rápida e alta durabilidade, confirmando assim sua importância na automação flexível. Por outro lado, estes sistemas possuem características dinâmicas não-lineares e são relativamente difíceis de controlar. As não-linearidades são associadas à compressibilidade do fluido hidráulico e as complexas características da vazão da válvula. O controle clássico PID possui simplicidade e facilidade de implementação, porém diante de tais não-lineares, a resposta do sistema pode não alcançar o desempenho desejado. Com o objetivo de superar as limitações impostas pelos controladores clássicos, propõe-se uma metodologia de controle em cascata que consiste em dividir o sistema em dois subsistemas: o hidráulico e o mecânico. E a partir dos resultados das simulações conclui-se que o controle em cascata apresenta um melhor desempenho quando comparado aos controladores clássicos.