Sistemas pneumáticos se tornaram cada vez mais presentes em vários segmentos do mercado e são amplamente utilizados na indústria, principalmente devido à sua facilidade de manutenção, baixo custo, segurança e aplicabilidade em diversos processos. O desenvolvimento contínuo da tecnologia conduziu a um aumento nas pesquisas relacionadas ao controle de sistemas de servoposicionamento pneumático, resultando em algoritmos que têm avançado na direção da disponibilização de controle mais preciso destes sistemas. O presente trabalho se propõe ao desenvolvimento de um manipulador tipo SCARA composto por dois atuadores rotativos e um prismático, todos pneumáticos. Estes dispositivos apresentam grandes não linearidades, que dificultam seu controle. Assim, visa-se no presente trabalho o desenvolvimento de um controlador baseado em um modelo que possa superar as principais dificuldades relacionadas a essas não linearidades, como o comportamento não linear da relação pressão-vazão na servoválvula, a dinâmica dos gases na aleta e as forças de atrito O principal objetivo dessa tese é propor uma estratégia de controle baseada na Lei do Torque Computado Adaptativo com compensação explícita do atrito que contemple as peculiaridades dinâmicas estruturais deste tipo de sistema com aplicação de controle de trajetória. O modelo matemático para o atuador pneumático rotativo proposto no âmbito do presente trabalho e utilizado na síntese desse controlador foi avaliado por meio de resultados de simulações e experimentos executados em um protótipo projetado e construído também no escopo do presente trabalho. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de trajetórias contínuas indicam que a estratégia de controle do Torque Computado Adaptativo, em conjunto com o esquema de compensação explícita do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição quando comparado com as técnicas do Torque Computado com parâmetros fixos, Torque Computado com parâmetros fixos com compensação explícita do atrito e Torque Computado Adaptativo sem a compensação explícita do atrito. / Pneumatic systems become increasingly present in different segments of the market and are widely used in industry, mainly due to their ease of maintenance, low cost, safety and applicability in various processes. The continued development of technology resulted in an increase in the research related to the control of pneumatic servo drive positioning systems, resulting in algorithms that have advanced in the direction of the availability of more precise control of these systems. This study has the purpose of to develop a type pneumatic driven SCARA manipulator that consists of a prismatic and two rotary actuators. These devices present highly nonlinear, which harder their control. Thus, the target of this work is to develop a controller based on a model that can overcome the main difficulties related to these nonlinearities, such as the nonlinear behavior of the pressure-flow ratio in the servo valve, the gas dynamics in the fin and friction. The main objective of this thesis is to propose a control strategy based on the Adaptive Computed Torque Law with explicit compensation of the friction that contemplates the structural dynamic peculiarities of this type of system with application of trajectory control The mathematical model for the rotary pneumatic actuator proposed in the present work and used in the synthesis of this controller was evaluated through simulations results and experiments executed in a prototype designed and also built in the scope of the present work. The results of the application of the proposed controller, operating in continuous trajectories tracking regime, indicate that the Adaptive Computed Torque control strategy, together with the explicit friction compensation scheme, leads the system to a reduction of the following errors trajectory in position when compared to techniques as Computed Torque with fixed parameters, Torque Computed with explicit friction compensation and Computed Torque Adaptive without explicit friction compensation.

O mecanismo Plataforma de Stewart é um manipulador do tipo paralelo, com seis graus de liberdade, boa relação peso/carga e alta rigidez. Tais características conferem a este tipo de manipulador propriedades superiores de precisão em relação aos manipuladores seriais. Neste trabalho, o controle de um Manipulador Plataforma de Stewart (MPS) acionado por atuadores hidráulicos é estudado com o objetivo de compensação de movimentos para viabilização de transferência de cargas e pessoas em ambiente naval.Visando ao desenvolvimento de um protótipo experimental, o manipulador é estudado considerando a situação em que se encontra sobreposto a um segundo MPS que tem por objetivo simular o movimento da maré, sendo ambos MPS considerados desacoplados dinamicamente. Neste contexto, o estudo envolve a análise cinemática e dinâmica do manipulador incluindo, também, a dinâmica dos cilindros hidráulicos. Além disso, são estudadas unidades de medição inercial (IMU) utilizando-as como instrumento para medição do movimento da base a ser compensado. O projeto do controlador do sistema de atenuação de movimento faz uso da técnica de Torque Computado (TC). A análise de estabilidade, feita separadamente para o sistema mecânico e hidráulico, baseou-se da teoria de Lyapunov. Simulações realizadas considerando trajetórias similares às do movimento de um navio são utilizadas. Para compensação do movimento são utilizados, também, sinais provenientes de uma IMU. Por meio de simulação, comprova-se que o sistema proposto é capaz de compensar adequadamente os movimentos da base estudados. / The Stewart platform mechanism is a parallel manipulator with six degrees of freedom, high load/weight ratio and high stifness. These properties give them a better accuracy when compared to serial manipulators. This work focuses on study of electrohydraucally Stewart Platform Manipulators (MPS) to enable compensation of vessels motions for load and personell transfer in sea. Aimed at developing an experimental prototype, a second MPS is placed underneath the rst MPS to simulate vessels motions and so both manipulators are considered dynamically decoupled. In this sense, the kinematics and dynamics of this manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic actuator. Furthermore, special attention is given to the study of inertial measurement units (IMU) which is used as an instrument for measuring the motion to be compensated. Controller design for the compensation system is developed considering compute torque theory which consider the system separated in two: mechanical and hydraulic. The Lyapunov criteria is used to guarantee closed loop stability for each subsystem. Simulations are performed considering similar vessel motions. Signals provided from a comercial IMU are used for motion compensation. The control compensation performance is veri ed by means of computer simulations.

A Plataforma de Stewart é um dos exemplos mais populares dos manipuladores do tipo paralelo, disponibilizando 6 graus de liberdade, apresentando ao mesmo tempo propriedades superiores de precisão e relação peso/carga, quando comparadas com mecanismos do tipo serial, o que a converte em uma opção atrativa para ser aplicada como simulador de movimentos. Neste contexto, o presente trabalho estuda o controle de seguimento de trajetória de um Manipulador Plataforma Stewart (MPS) com atuadores hidráulicos para ser aplicado como simulador de movimentos de navios. O estudo envolve a análise da cinemática, dinâmica, e controle do manipulador, incluindo a modelagem matemática dos cilindros hidráulicos usados como atuadores. Atenção especial é dispendida à formulação da dinâmica do MPS no espaço de juntas, procurando demonstrar a propriedade de antissimmetría das Matrizes de Inércia e Coriolis. O controle proposto foi validado como estável pelo critério de Lyapunov, e, leva em consideração tanto o sistema mecânico da Plataforma de Stewart, quanto o sistema de acionamento hidráulico dos atuadores. Através de simulações de controle usando trajetórias similares às do movimento de um navio, comprovou-se que o sistema proposto consegue disponibilizar fielmente os movimentos de uma embarcação. / The Stewart Platform is one of the most representative examples of parallel manipulators. It has six degrees of freedoms, and superior precision and load/weight ratio when compared to serial manipulators, properties that make them suitable and attractive options for motion simulation applications. In this sense, this work focuses on robust tracking control design for a high load capacity hydraulically driven Stewart Platform manipulator, capable of vessel motion simulations. The kinematic, dynamic and control analysis of the manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic cylinders used as actuators. Especial attention is given to the derivation of the manipulator dynamics formulation, the skew symmetric property of the Inertia and Coriolis matrices is carefully proven in both Cartesian and joint state spaces. The proposed controller takes into consideration the manipulator mechanical dynamics and the actuators hydraulic dynamics. Furthermore, the Lyapunov criteria is used to guarantee control closed loop stability. The control performance is verified by means of computer simulations.

Com o crescimento populacional e a demanda energética crescente, a sociedade contemporânea têm enfrentado novos desafios para se manter. A aplicação da robótica em diversas áreas está cada vez mais comum, contribuindo para suprir estes novos desafios. Contudo, ainda existem casos em que o uso da robótica convencional é proibitivo, como em ambientes com campos elétricos e/ou magnéticos intensos, encontrado, por exemplo, nos sistemas de distribuição de energia elétrica e em máquinas de ressonância magnética. Isto porque os componentes condutores e ferromagnéticos utilizados podem oferecer perigos, causando queimaduras, curtos-circuitos e até lançamento de componentes. Em vista destas dificuldades, este trabalho propõe a construção de um manipulador robótico capaz de atuar nestas condições de campos elétricos e magnéticos elevados. Na construção de tal dispositivo, entretanto, é necessário o estudo da estrutura mecânica, dos atuadores, dos sensores e do controlador. No caso da estrutura mecânica e dos sensores, existem alternativas não condutoras disponíveis. O controlador geralmente é um microcomputador ou um dispositivo eletrônico, portanto condutor. Uma alternativa é manter o controlador distante e isolado do ambiente de risco. Mas para que esta hipótese seja testada, é necessário um atuador não condutor e não ferromagnético. Por isso, este trabalho propõe a construção de um atuador livre de materiais ferromagnéticos e condutores baseado no músculo artificial pneumático de McKibben. Músculos artificiais pneumáticos são disponíveis comercialmente, entretanto possuem materiais metálicos. Além disso, o controle preciso destes atuadores é dificultado pela sua alta não linearidade. Para verificar a viabilidade da aplicação de músculos artificiais em um manipulador não condutor, foram realizados testes com protótipos de músculos artificiais construídos com materiais compatíveis. O projeto e o dimensionamento do músculo artificial é abordado. Finalmente, é realizado o controle PID do músculo para avaliar sua controlabilidade e viabilidade de aplicação para tarefas de precisão em posicionamento. / With the population growth and the evergrowing energy dependency, the contemporary society have been facing new challenges to maintain yourself. The use of robotics in various fields is each time more common, contributing to surpass these new challenges. However, there are still cases where applying conventional robotics is prohibitive, such as in high electric and magnetic field environments, found, for example, in electric energy distribution systems and in magnetic resonance imaging machines. That\'s because conductive and ferromagnetic components can cause serious problems, like burns, short-cuts and even be throwed at high velocities. Knowing these difficulties, this work proposes the construction of a robotic manipulator capable of acting in these high electric and magnetic field environments. To build such manipulator, however, it\'s necessary to study the mechanic structure, the actuators, the sensors and the controller. In the case of the mechanic structure and sensors, there exists non-conductive and non-magnetic alternatives available. The controller is, in general, a microcomputer or an electric device, therefore, conductive. One alternative is to keep the controller far away from the risk environment. But to test this hypothesis, it\'s necessary to have a non-conductive and non-ferromagnetic actuator. Because of that, this work proposes the construction of an actuator free of conductive and magnetic materials, based on the McKibben pneumatic artificial muscle. Pneumatic artificial muscles are available commercially, but they have metallic components. Besides, the accurate control of these actuators is difficult for their high non-linearities. To verify the viability of applying artificial muscles on a non-conductive manipulator, tests were conducted with artificial muscle prototypes built with compatible materials. The design and dimensioning of the artificial muscle are covered. Finally, the PID controller is implemented to evaluate the muscle\'s controllability and its viability for tasks that need position accuracy.

A Plataforma de Stewart é um dos exemplos mais populares dos manipuladores do tipo paralelo, disponibilizando 6 graus de liberdade, apresentando ao mesmo tempo propriedades superiores de precisão e relação peso/carga, quando comparadas com mecanismos do tipo serial, o que a converte em uma opção atrativa para ser aplicada como simulador de movimentos. Neste contexto, o presente trabalho estuda o controle de seguimento de trajetória de um Manipulador Plataforma Stewart (MPS) com atuadores hidráulicos para ser aplicado como simulador de movimentos de navios. O estudo envolve a análise da cinemática, dinâmica, e controle do manipulador, incluindo a modelagem matemática dos cilindros hidráulicos usados como atuadores. Atenção especial é dispendida à formulação da dinâmica do MPS no espaço de juntas, procurando demonstrar a propriedade de antissimmetría das Matrizes de Inércia e Coriolis. O controle proposto foi validado como estável pelo critério de Lyapunov, e, leva em consideração tanto o sistema mecânico da Plataforma de Stewart, quanto o sistema de acionamento hidráulico dos atuadores. Através de simulações de controle usando trajetórias similares às do movimento de um navio, comprovou-se que o sistema proposto consegue disponibilizar fielmente os movimentos de uma embarcação. / The Stewart Platform is one of the most representative examples of parallel manipulators. It has six degrees of freedoms, and superior precision and load/weight ratio when compared to serial manipulators, properties that make them suitable and attractive options for motion simulation applications. In this sense, this work focuses on robust tracking control design for a high load capacity hydraulically driven Stewart Platform manipulator, capable of vessel motion simulations. The kinematic, dynamic and control analysis of the manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic cylinders used as actuators. Especial attention is given to the derivation of the manipulator dynamics formulation, the skew symmetric property of the Inertia and Coriolis matrices is carefully proven in both Cartesian and joint state spaces. The proposed controller takes into consideration the manipulator mechanical dynamics and the actuators hydraulic dynamics. Furthermore, the Lyapunov criteria is used to guarantee control closed loop stability. The control performance is verified by means of computer simulations.

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.

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.

Orientadores: Helder Anibal Hermini, Jose Manoel Balthazar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T08:25:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paracencio_LuisGustavodeMello_M.pdf: 4796765 bytes, checksum: 995f6c689cb11d91ba0a846b33152415 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: A partir de considerações de dinâmica não-linear aplicada à robótica, foi desenvolvida a montagem experimental de um manipulador de dois graus de liberdade em que à primeira junta é atuada e a segunda é sub-atuada. Para tal, foram estabelecidos os objetivos para a concepção do protótipo gerado. A montagem experimental foi realizada a partir do desenvolvimento de manipuladores de dois graus de liberdade, considerados rígidos, podendo ser futuramente estendidos a outros graus de liberdade com alguma flexibilidade. A partir dos resultados apresentados, puderam ser verificadas as vantagens e desvantagens da utilização das arquiteturas de controladores aplicadas ao comando de mecanismos robóticos / Abstract: From reasons of applied nonlinear dynamics to robotics, it was developed an experimental setting of manipulator of two degrees of freedom where to the first joint is acted and second is sub-acted. The objectives had been established for the conception of the generated archetype. The experiment was carried through the development of manipulators of two degrees of freedom considered rigid. It can be extended to other degrees of freedom with some flexibility in future. The advantages and disadvantages of the use of architectures of controllers could be identified for applied to the command of mechanisms robotics / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica