Este trabalho apresenta a modelagem matemática para um manipulador móvel composto por uma base móvel (o robô móvel Twil) e um manipulador (o manipulador WAM da Barrett). Os modelos cinemático e dinâmico para a base móvel, manipulador e manipulador móvel são apresentados. Como o manipulador móvel é um sistema não linear, uma estratégia de controle baseada em linearização por realimentação da dinâmica da plataforma seguida por uma transformação não suave para tratar a não holonomicidade do modelo cinemático é proposta. Então o método de backstepping é utilizado para obter as entradas do modelo dinâmico. Um controlador de torque calculado é proposto para o manipulador, Estas técnicas de controle são utilizadas simultaneamente para controlar o manipulador móvel. A implementação dos controladores propostos, na forma de plugins para o gerenciador de controladores é feita no ROS, assim os controladores são executados em tempo real. A maioria dos controladores existentes no ROS são do tipo SISO baseados em controle PID e independentes para cada junta, sendo que neste trabalho controladores MIMO não lineares são implementados. / This work presents a mathematical modelling for a mobile manipulator composed by a mobile base (the Twil mobile robot) and a manipulator (the Barrett WAM manipulator). The kinematic and dynamic models for the mobile base, the manipulator and the mobile manipulator are presented. As the the mobilie manipulator is a non-linear system, a control strategy based on feedback linearization of the platform dynamics followed by a non-smooth transform to handle the non-holonomicity of its kinematic model is proposed. Then, the backstepping method is used to obtain the inputs for the dynamic model. A computed torque controller is proposed for the manipulador. These control techniques are used simultaneously to control the mobile manipulator. The implementation of the proposed controllers is done in ROS as plugins for the controller manager so that the controllers run in real-time. Most controllers existing in ROS are independent joint SISO controllers based on the PID control law while in this work MIMO non-linear controllers are implemented.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T16:15:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 221786.pdf: 8077246 bytes, checksum: 116ab0c3866a25bd0a6dbf195a10bcec (MD5) / Este trabalho explorou técnicas de inteligencia computacional, mais especificamente o uso de redes neurais artificiais no controle de posição e de força de um robô manipulador. Foi basicamente explorada a arquitetura de aprendizagempor retropropagação de erros na qual uma rede neural trabalha em paralelo com um controlador convencional. A vantagem

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T11:58:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 199709.pdf: 8077246 bytes, checksum: 116ab0c3866a25bd0a6dbf195a10bcec (MD5) / Este trabalho explorou técnicas de inteligencia computacional, mais especificamente o uso de redes neurais artificiais no controle de posição e de força de um robô manipulador. Foi basicamente explorada a arquitetura de aprendizagempor retropropagação de erros na qual uma rede neural trabalha em paralelo com um controlador convencional. A vantagem

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-19T02:22:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T01:58:46Z : No. of bitstreams: 1 140028.pdf: 7202346 bytes, checksum: bb82135dfaa81272197d0890d86b066a (MD5)

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-03-01T17:40:02Z No. of bitstreams: 1 159305.pdf: 1734188 bytes, checksum: 80e04cab439583f552a9dac4334f687d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-01T17:40:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 159305.pdf: 1734188 bytes, checksum: 80e04cab439583f552a9dac4334f687d (MD5) Previous issue date: 1983-03 / CNPq / Este trabalho consiste em um estado básico analítico-experimental para precisão de posicionamento de um manipulador mecânico. Ao analisar a precisão, considerou-se as deflexões causadas pelo peso aplicado na garra do manipulador e também uma influência da tolerância geométrica na construção do mesmo. Para tal análise, o protótipo de um manipulador com cinco graus de liberdade foi desenvolvido. As medidas de deflexão e a influência da tolerância foram feitas estaticamente em cada posição do manipulador. Os resultados experimentais foram comparados com os teóricos a fim de consistência dos mesmos. / This work consists of a basic analytical and experimental study for the precision of the positioning of a mechanical manipulator. On analyzing the precision, the deflection caused by the weight applied to the grip was considered, as well as aninfluence of the geometric tolerance in the construction of the manipulator. For such analysis, the prototype of a manipulator with five degrees of freedom was developed. The deflection measurement and the influence of the tolerance were made estaticaly at each position of the manipulator. The experimental results were compared with the theoretical in order to verify their consistency.

O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma estratégia de programação para um robô de cinco graus de liberdade com acionamento pneumático. A proposta para tal estratégia de programação utiliza como base a linguagem SFC (Sequential Function Chart) normatizada pela IEC 61131-3. A principal característica deste tipo de linguagem é a simplicidade na integração com diversos elementos presentes em ambiente fabril, juntamente a garantia do sequenciamento das ações e a facilidade de programação. O estudo foi realizado em três etapas: a primeira, destina-se à criação de sub-rotinas em linguagem SFC para movimentação ponto a ponto, pick and place, e paletização. Desta forma, através da definição de alguns dados de entrada, é possível reprogramar o robô de forma gráfica e intuitiva; a segunda etapa do estudo constituiu na criação de um Programa Tradutor em linguagem baseada em scripts de Matlab que, através de um servidor OPC (Ole for Process Control), faz a interpretação do programa em linguagem SFC e o traduz para a linguagem do sistema de controle do robô; já, a última etapa destina-se à realização de testes utilizando um CLP Compact Logix da AllenBradley em conjunto com o software de programação RSLogix 5000, o software Matlab e o sistema de controle do robô pneumático. A partir dos resultados, Conclui-se que a aplicação e utilização este tipo de programação para tarefas de movimentação de robôs é plenamente viável, o que pode vir a simplificar as etapas de programação, e ampliando a integração entre os diversos sistemas fabris, na medida em que os seus elementos poderão trocar facilmente informações necessárias à automação. / The present study has as main goal to present a differentiated form of programming for a prototype of a robot of five degrees of freedom with pneumatic drive. This program is based on the language SFC (Sequential Function Chart) standardized by IEC 61131-3. The main feature of this type of language is simplicity in integration with various elements present in the manufacturing environment, ensuring the sequencing of actions and ease of programming. The system used as a test bench consists of a pneumatic robot which currently control actions are carried out through specific programming routines combined with dedicated control boards, working with Matlab software. The study was conducted in three stages: the first, for creating subroutines in SFC language to linear movement, pick and place movement and palletizing movement, thus, by setting some input data it is possible to reprogram the robot for tasks in a graphical and intuitive way; the second stage of the study consisted in creating a translator program in Matlab language based on scripts that, through an OPC server (Ole for Process Control), interpreters the program in SFC language and translates it into the language of the control system robot; the last step was intended for testing this programming approach by using a PLC Compact Logix from Allen-Bradley in conjunction with RSLogix 5000 programming software, Matlab and the control system of the pneumatic robot. It was concluded that the implementation and use of this type of programming for robot handling tasks are both feasible. It simplifies the programming steps and enhances the integration between the various manufacturing systems, since the elements could directly exchange information, because they are in the same language.

Nas linhas de montagens industriais, a fim de atender os requisitos de mercado e de ciclo de vida dos produtos, os requisitos de manufatura e as novas tecnologias presentes nos equipamentos indicam a necessidade de reconfiguração e reprogramação do fluxo de processos de forma cada vez mais frequente. Atualmente, uma das opções para implantar um sistema de manufatura flexível, capaz de reagir às mudanças que ocorrem no processo de fabricação, consiste na utilização de tecnologias que forneçam maior flexibilidade, capacidade de reutilização e menor custo. Neste contexto, os robôs baseados em módulos mecatrônicos podem ser uma alternativa em relação aos manipuladores convencionais, pois apresentam uma estrutura cinemática flexível, podendo se adaptar às mudanças das linhas de produção, nas indústrias de manufatura. O presente trabalho apresenta uma proposta para o desenvolvimento de módulos mecatrônicos para a montagem de robôs manipuladores modulares, baseada em um procedimento sequencial composto das seguintes etapas: (a) elaboração do projeto mecânico modular; (b) projeto dos sistemas eletrônicos e de atuação para cada módulo; (c) definição dos agentes mecatrônicos; e (d) descrição dos modelos matemáticos e os algoritmos de comunicação entre módulos mecatrônicos. Nesta pesquisa apresenta-se um estudo no qual os módulos mecatrônicos utilizam energia de origem pneumática e são constituídos por unidades independentes utilizadas na formação de estruturas robotizadas as quais permitem a montagem de diferentes arquiteturas. Um estudo de caso é apresentado para ilustrar a construção de um robô modular cartesiano. Este robô é construído por meio de acoplamentos de módulos mecatrônicos e gerenciado pela associação dos agentes mecatrônicos presentes no sistema, os quais equacionam a cinemática da estrutura formada, planejam a trajetória a ser executada e disponibilizam informações que podem ser utilizadas para o controle, supervisão e proteção do sistema por exemplo. A arquitetura proposta permite a reconfiguração dos recursos de hardware e software, de forma que todos os módulos do robô podem ser reorganizados e/ou substituídos, dependendo da função, aplicação para as quais se destinam. / In industrial manufacturing lines, in order to meet the market requirements and life cycle of manufactured products, the manufacturing requirements and the present of new technologies in equipment, indicate the need for reconfiguration and reprogramming processes, which are becoming more frequent. Currently, one of the options to deploy a flexible manufacturing system that is capable of reacting to changes in the manufacturing process is the use of technologies that provide greater flexibility, reusability and lower cost. In this context, the robots based on mechatronic modules can be an alternative to conventional manipulators, since they have a flexible kinematic structure, which can adapt to the changes in production lines in manufacturing industries. This paper presents a proposal for the development of mechatronic modules for assembly robots modular manipulators, based on a sequential procedure consists of the following steps: (a) Develop a modular mechanical design; (b) design electronic systems and operations for each module; (c) definition of mechatronic agents; and (d) a description of mathematical models and algorithms of the communication between mechatronic modules. This research presents a study where the mechatronic modules use pneumatic energy and consist of independents units used in the formation of robotic structures, thus allowing the assembly of different architectures. In a case study, the construction of a modular Cartesian robot is presented. This robot is built by mounting the mechatronic modules and is managed by mechatronic agents present in the system (Multi-Agent System). This system obtains the kinematic equations of the formed structure, realize the path planning, and provide information that can be used for the control, like supervision and protection system for example. The proposed architecture allows reconfiguration of hardware and software resources, so that all robot modules can be rearranged and/or replaced, depending on the function or, the final application.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.

Esta dissertação refere-se `a simulação de um sistema de controle em um manipulador robótico para compensação dos movimentos do coração em cirurgias cardíacas minimamente invasivas. No intuito de compensar os movimentos do batimento cardíaco utilizam-se técnicas de controle híbrido de posição/força e dados dos movimentos do coração obtidos in vivo, utilizadas como elementos básicos para a constituição deste sistema. Tópicos de modelagem de manipuladores robóticos e, em especial, a modelagem da relação entre as forças e deslocamentos na superfície do coração compõe a base estrutural. Focalizou-se, ainda, o papel do controle de força em relação `a posição da ferramenta do manipulador na superfície do coração. Pretende-se que a principal contribuição deste trabalho seja demonstrar que o controlador híbrido segue as restrições impostas pela dinâmica do sistema coração-pulmão. / This paper refers to the simulation of a control system for a robotic manipulator to compensate the movements of the heart in minimally invasive cardiac surgery. In order to compensate the motion of the beating heart techniques are used to implement a hybrid position/force controller based on data and the movements of the heart obtained in vivo, used as references to the input of the system. Topics modeling robotic manipulators, and in particular, modeling the relationship between forces and displacements on the surface of the heart comprises the structural basis. The role of power control over the position of the manipulator tool on the surface of the heart. It is intended that the main contribution of this study is to show that the hybrid controller follows the restrictions imposed by the dynamics of the heart-lung system.