Este trabalho trata da modelagem, identificação e controle de estruturas flexíveis. A fim de estudar estes assuntos, a modelagem simbólica de manipuladores robóticos com elos flexíveis foi desenvolvida e dois experimentos foram montados e usados para o estudo do comportamento dinâmico deste tipo de estrutura. Os resultados experimentais obtidos foram comparados com os analíticos para a identificação dos modos de vibrar da estrutura. O primeiro experimento consistiu de um manipulador robótico flexível composto por uma viga de alumínio ligada a um cubo acionado por um motor DC. A dinâmica da viga foi caracterizada utilizando-se quatro tipos distintos de sensores: um acelerômetro piezoelétrico, um extensômetro, um tacômetro e um potenciômetro que fornece a posição angular da viga. O manipulador foi modelado com a aplicação do princípio estendido de Hamilton ao Lagrangiano do sistema. Devido a complexidade das equações obtidas, o sistema foi discretizado usando o Método dos Modos Assumidos e levando-se em consideração os três primeiros modos de vibrar da viga. Dois tipos de abordagens foram consideradas na discretização das equações: o modo vinculado e o modo desvinculado. Resultados experimentais, mostraram que o modelo analítico utilizando o modo desvinculado forneceu uma melhor aproximação do modelo experimental. O segundo experimento consistiu de uma estrutura multicorpos com apêndices flexíveis ligados a um cubo e também excitada por um motor DC sem escovas. A modelagem adotada também foi a formulação de Lagrange. Dois compressores (proporcional e proporcional/integral/derivativo) foram implementados em tempo real para fazer o controle da posição angular da estrutura. A técnica de controle LQG/LTR que é adequada a este tipo de sistema devido as incertezas provenientes da discretização do modelo, também foi estudada e resultados simulacionais são apresentados.

This research results from a cooperation program between research institutes of Brazil (ITA - São José dos Campos) and Germany (DLR - Oberpfaffenhofen). The global goal consists of three tasks: 1st) Analysisng the dynamics of elastic manipulators with emphasis for space applications. 2nd) Designing new adaptive control schemes for improving the manipulator performance. 3rd) Imprinting flight behaviour of space manipulators on ground using testbeds and simulation tools. Space manipulators, such as the European Robotic Arm (ERA), are light weight structures with elasticity in arms and joints, and with payload mass varying in a large range. DLR in Germany has set up a testbed, the Servicing Test Facility (STF), with a gravity-compatible replica of the ERA with counterbalancing weights. A 1:5 scaled prototype is ready and is called STF-P. These manipulators are modelled and simulated for testing new adaptive control schemes that have been developed for efficient reduction of settling time in space operation. The control design law supposes knowledge of damping (identified), mass moment of inertia (known) and the lowest eigenfrequencies, that depend also on the relative angle between upper and lower arms (links). Simplified models with exact solutions and more complex models with approximated solutions are discussed and compared for estimating these lowest eigenfrequencies with good agreement with experimental results (own and published by others). The controller has a feedforward part, that aims to make the arm to follow a given trajectory and a complementary feedback part actuates correcting the perturbations. The cases of a PI conroller for a motor velocity feedback enclosed by a P controller for load position feedback and PID controller for load position feedback only are specially studied. The design criterion is maximal distance between the imaginary axis of the system's root locus and the closest pole to it, but conceptions of relative stability are included. The poles are not strictly allocated, but their relative positions to each other are determined looking for fast step response with minimal overshoot. Numerical simulations and experiments with the STF-P and systems at the laboratories of ITA and INPE validate the results.

Este trabalho descreve o desenvolvimento e a aplicacao de umambiente computacional grafico, interativo e integrado, baseado nosistema CATIA, para o projeto e a simulacao de movimentos dos robosmanipuladores de cadeia aberta. A implementacao da metodologia deprojeto no sistema e ilustrada atraves do projeto de um robo SCARApara montagem automatica de componentes. Como o sistema CATIA naorealiza calculos da dinamica de robos manipuladores, algumas rotinasforam programadas e incorporadas ao sistema para permitir umambiente totalmente integrado de projeto.

A furação orbital é um processo de usinagem com a finalidade de abrir furos através de um duplo movimento circular, acompanhado de um deslocamento linear na direção de furação. Uma ferramenta de corte girando em alta velocidade é colocada em movimento numa orbita excêntrica e simultaneamente deslocada contra a superfície do material a ser furado. Esta excentricidade define o diâmetro final do furo, sendo que o efeito de fresar a peça reduz o esforço de furação e acarretando num furo com bom acabamento superficial e isento de rebarbas, em comparação a processos convencionais de furação. Para promover estes movimentos, um dispositivo automático de furação orbital foi projetado e desenvolvido para ser acoplado no punho de um robô manipulador industrial. O processo de desenvolvimento deste dispositivo, seus requisitos, funções e módulos funcionais são apresentados neste trabalho, culminando na construção do sistema EFORB ou Efetuador de Furação Orbital Robotizado, sendo seu desenvolvimento e construção o tema central desta tese. Os resultados obtidos atestam o funcionamento do dispositivo desenvolvido, atendendo as tolerâncias e requisitos de processo exigidos para aplicações no setor aeroespacial.

Este trabalho apresenta a modelagem e identificação de um manipulador robótico com flexibilidade mecânica distribuída ao longo dos seus elos. O aparato experimental utilizado é um manipulador robótico com dois elos flexíveis que se move no plano horizontal. O manipulador é movido por dois motores elétricos DC sem escovas e monitorado por tacômetros, extensômetros e acelerômetros. Um modelo de dimensão finita é gerado usando o método dos modos assumidos. A mecânica Lagrangeana é utilizada para encontrar as equações de movimento. Atuadores e sensores também são modelados a fim de gerar o modelo dinâmico do sistema completo. A identificação não-paramétrica é feita usando dados experimentais, gerando funções de resposta em frequência experimentais. Os parâmetros do modelo teórico são ajustados através de uma identificação paramétrica, gerando funções de resposta em frequência teóricas. A identificação não paramétrica encontrada foi satisfatória, sem evidenciar ruídos ou saturações. As FRF teóricas geradas foram satisfatoriamente próximas das experimentais, evidenciando o sucesso da identificação paramétrica.

No Brasil há um número insuficiente de profissionais capacitados em Mecatrônica para atender a demanda, o que exigirá a intensificação de formação de profissionais voltados para pesquisa, inovação, bem como para o projeto, desenvolvimento, produção e comercialização da nova geração de robôs. Um dos aspectos essenciais na formação deste profissional está relacionado com a análise de movimentação dos robôs e, portanto, com a modelagem cinemática e dinâmica desses dispositivos e sua relação com o sistema de controle. Nota-se que há necessidade de informações e de recursos computacionais apropriados para dar suporte a essa formação. Para exemplificar, os softwares de mercado, têm a arquitetura de sistema fechada com o objetivo de proteger a propriedade intelectual e interesses do fabricante, constituindo assim um inconveniente na utilização em estudos e pesquisas nos cursos de nível superior, além do alto custo associado. Este trabalho visa suprir algumas necessidades constatadas, disponibilizando recursos teórico-computacionais, como suporte ao ensino, à pesquisa e ao desenvolvimento na área de manipuladores robóticos e suas aplicações, com ênfase nas modelagens cinemática, dinâmica e geração de trajetórias para robôs manipuladores seriais e de cadeia fechada, constituindo isso em: levantar os requisitos aplicáveis a um ambiente computacional para a modelagem e simulação de manipuladores robóticos; conceber e desenvolver um ambiente moderno de software aberto com capacidade para efetuar cálculos para análise e estabelecimento de modelos numéricos e simbólicos para o estudo e determinação do movimento de tais dispositivos e ainda reunir didaticamente a base teórica associada, possibilitando aos alunos e pesquisadores experimentar soluções existentes ou criar suas próprias alternativas.

Neste trabalho uma metodologia é proposta para a implementação de um ambiente computacional para detecção e diagnose de falhas (DDF) em sensores de manipuladores robóticos. Esse ambiente computacional é formado por um subsistem de simulação de manipuladores robóticos e por um subsistema de detecção e diagnose de falhas. O subsistema de simulação de manipuladores robóticos é composto por blocos básicos de simulação e controle de manipuladores robóticos, como o bloco da planta do manipulador que se deseja simular, o bloco do sistema de controle composto por controladores do tipo PID e torque computado (que podem ser selecionados e configurados pelo usuário), o bloco do planejador de tarefas e o bloco de sensores. O subsitema de detecção e diagnose de falhas usa um método de redundância de sensores baseado na integração dos valores medidos combinado com as equações estáticas do manipulador robótico. Um sistema especialista é usado como apoio ao subsistema de detecção e diagnose de falhas, onde são implementadas regras para melhorar a capacidade de diagnóstico e produzir uma possível compensação de falhas. Um exemplo aplicativo ilustra a metodologia proposta, o qual pode ser facilmente implementada e possui baixo custo de equipamento, pois utiliza sensores comuns disponíveis em muitos manipuladores robóticos. Entretanto, este método pode exigir um esforço computacional significante e indesejado, principalmente com a utilização de manipuladores robóticos com vários graus de liberdade. Porém, caso o esforço computacional seja considerado grande em determinadas aplicações, pode-se fazer uso de controladores e processadores dedicados (por exemplo, DSPs), rápidos e de baixo custo (atualmente muito comuns no mercado).

Manipuladores robóticos são sistemas constituídos por diversos elos interligados por juntas lineares ou rotacionais que são usualmente empregados em tarefas que não demandam contato entre o manipulador e a peça (e.g. pintura, solda e operações pick-and-place). Recentemente, tem-se constatado pesquisas sobre a modernização e o controle de manipuladores para tarefas em que é requerido um controle de força de contato com o ambiente (e.g. polimento, lixamento e rebarbação). A perspectiva clássica de controle de manipuladores robóticos considera a configuração (i.e. a posição) e as derivadas temporais (i.e. a velocidade e a aceleração) da estrutura mecânica do robô. Nesse trabalho, projeta-se, especifica-se e implementa-se sistema mecânico, sistema de controle, sistema de visão e sistema sensorial de controle de força e posição para um efetuador robótico de lixamento em superfícies planas por meio de sensores de força e posição dedicados. Por meio de métodos aplicativos de controle e analise em um ambiente de manufatura e processo aeronáutico são identificados requisitos parâmetros e o meio de medição e controle de padronização para o processo de lixamento. Foram usados o robô Kuka KR500 e um efetuador de lixamento especificamente projetado e construído para a realização de vários ensaios experimentais em chapas planas aeronáuticas de dimensões 500x500 (mm). Os resultados obtidos desses ensaios permitiram concluir performance do lixamento aplicado entre o meio robótico elaborado e o método de manufatura atual. O algoritmo gerado para análise de superfície caracteriza os efeitos de rugosidade linearizados do processo de lixamento, características chave para técnica de padronização, usando a função textura e orientação dos grãos metálicos tratados como padrão de análise, assegurando a não necessidade de inspeção visual ou amostral após aplicação.

Sistemas de ferramental flexível têm sido utilizados na indústria aeronáutica para realizar a fixação de fuselagens durante operações de manufatura de aeronaves, tais como fresamento e furação. Estes sistemas tem custo elevado por causa de seus elementos constitutivos, notamente motores DC e encoders para movimentar as hastes das torres. Considerando o crescente uso de manipuladores robóticos na indústria aeronáutica, este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de ferramental flexível inovador para ser usado em diferentes geometrias de aeronaves utilizando manipulador robótico industrial, tanto para movê-lo quanto para configurar suas partes móveis. O ferramental flexível experimental é composto de quatro torres (POGO), que possuem uma haste com ventosa na sua extremidade e são posicionados e configurados pelo robô. Um protótipo desse Ferramental Flexível Robótico Passivo (FFRP) foi projetado e fabricado, o que permitiu a realização de testes diversos para verificar os sistemas de frenagem das hastes e das ventosas com atuadores pneumáticos bem como a capacidade de sucção das ventosas. A simulação virtual do sistema para criar a programação off-line do robô foi gerada, permitindo a implementação da programação real do sistema de FFRP. Os resultados obtidos mostraram a viabilidade da utilização de um manipulador robótico para realizar a configuração do FFRP de acordo com a geometria do material a ser usinado, com a programação sendo obtida a partir da simulação robótica 3D.

La importancia del estudio de la estabilidad y de la marcha o caminar de una persona ha originado que se desarrollen diversas tecnologías para su análisis y evaluación clínica. Con el paso del tiempo, las técnicas y dispositivos empleados han ido mejorando a tal punto que hoy en día existen empresas y laboratorios que se dedican únicamente a su diseño y fabricación. Tanto la marcha como estabilidad presentan parámetros que permiten a los médicos especialistas conocer si un paciente presenta alteraciones en el sistema nervioso, alguna patología o identificar otros posibles factores. Con el empleo de herramientas existentes, estas alteraciones podrían ser detectadas de manera más rápida y adecuada; con ello, si es necesario, iniciar un tratamiento al paciente y realizar un control sobre cómo es que va evolucionando hasta que logre su recuperación; o en todo caso verificar si el tratamiento que sigue es el adecuado. Estas tecnologías han sido desarrolladas desde hace muchos años; sin embargo, en nuestro país son escasas las instituciones que cuentan con algunos de estos sistemas debido a los elevados costos que presentan. Por lo descrito anteriormente, el objetivo principal de la presente tesis es el diseño de una plataforma dinamométrica de bajo costo, la cual permitirá calcular la fuerza que ejerce una persona sobre la plataforma y así se obtenga información sobre algunos parámetros asociados a la marcha y estabilidad de una persona. La plataforma emplea galgas extensiométricas como sensores, los cuales requieren una etapa de acondicionamiento para que puedan ser procesados y luego se realicen los cálculos necesarios. Se muestran también los diseños planteados como solución; así como las pruebas que se realizaron con la plataforma para verificar su correcto funcionamiento. / Tesis