Robôs manipuladores espaciais serão aplicados, em um futuro próximo, em serviços de resgate e manutenção de naves e satélites em órbita. O estudo e o desenvolvimento de controladores para esse tipo de sistema é fundamental para que essas aplicações se tornem realidade. Nesta tese, uma plataforma experimental é construída para possibilitar a avaliação comportamental desse tipo de sistema. Baseada em um módulo de flutuação por colchões de ar, é composta por uma base livre, elos conectados por juntas e efetuadores. Duas possibilidades de flutuação foram definidas para tornar a estrutura mais versátil, a primeira utiliza uma câmara de ar na mesa de apoio e a segunda utiliza câmaras de ar na base e em cada junta do robô. Sua estrutura mecânica modular permite diversas configurações, com um ou dois braços compostos por elos rígidos ou flexíveis. Toda a eletrônica de comando e a alimentação dos componentes do robô são alocadas em sua base flutuante, baseando a comunicação do sistema com o computador remoto em um padrão de comunicação sem fio. O software de controle, desenvolvido em Matlab e residente no computador remoto, apresenta uma interface amigável e intuitiva, possibilitando a utilização tanto do UARM como do robô de base livre flutuante para testes simulados e experimentais de sistemas de controle. A principal característica dos manipuladores espaciais é o acoplamento dinâmico entre a base e o braço robótico. A fim de evitar as complicações envolvidas no mapeamento cinemático desses sistemas, o problema de acompanhamento de trajetória é formulado diretamente no espaço da tarefa. Assim as posições do efetuador do manipulador são diretamente controladas. O equacionamento dinâmico do manipulador de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do Manipulador Dinamicamente Equivalente. Propõe-se uma solução de controle adaptativo robusto baseado no critério H Infinito para lidar com o problema de acompanhamento de trajetória sujeito a incertezas no modelo e distúrbios externos. A adaptabilidade das redes neurais é aliada à robustez definida por um controlador H Infinito não linear, compondo diferentes técnicas desenvolvidas de acordo com o conhecimento e a disponibilidade do modelo do robô para o controlador. A análise de resultados de simulação e de experimentos realizados no UARM mostraram a aplicabilidade dos métodos, assim como sua capacidade de robustez. Gráficos ilustraram o procedimento do acompanhamento de trajetória realizado pelo efetuador do manipulador espacial identificando a ação das leis de controle propostas. Uma comparação numérica entre as estratégias foi estabelecida por índices de desempenho relacionados ao consumo de energia e ao erro de acompanhamento / Space manipulators robots will be applied, in a near future, in rescue services and maintenance of spacecraft and satellites in orbit. The study and development of controllers for this type of system is crucial to ensure that those applications become reality. At this thesis, an experimental platform is built to enable behavioral assessment of this type of system. Based on a floating module by air bearings, it is composed by a free base, links connected by joints and end-effectors. Two possibilities of fluctuation were set to make the structure more versatile. The first uses an air chamber in the support desk and the second uses air chambers at the base and in each joint of the robot. Its modular mechanical structure allows a variety of configurations, with one or two arms which may be composed of flexible or rigid links. The entire command electronics and the power of the robots components are allocated in its floating base, basing the system communication with the remote computer in a wireless communication standard. The control software, developed in Matlab and residing on the remote computer, presents a friendly and intuitive interface, enabling the use of both the UARM and the free-floating base robot for simulated and experimental testing of control systems. The main characteristic of space manipulators is the dynamic coupling between the base and the robotic arm. In order to avoid the complications involved in kinematic mapping of these systems, the problem of trajectory tracking is formulated directly in task space. So the positions of the manipulator end-effector are directly controlled. The dynamic equation of the free-floating manipulator is described from the concept of Dynamically Equivalent Manipulator. A solution of adaptive robust control is proposed, based on H¥ criterion to deal with the problem of trajectory tracking subject to uncertainties in the model and external disturbances. The adaptability of neural networks is combined with robustness defined by a nonlinear H Infinite controller composing different techniques developed in accordance with the knowledge and the availability of the robots model to the controller. The analysis of results of simulation and experiments performed in UARM showed the applicability of the methods, as well as its capacity for robustness. Graphs have illustrated the trajectory tracking procedure conducted by the end-effector of the space manipulator identifying the action of control laws proposed. A numerical comparison between the strategies was provided by performance indices related to energy consumption and the tracking error

Robôs manipuladores espaciais serão aplicados, em um futuro próximo, em serviços de resgate e manutenção de naves e satélites em órbita. O estudo e o desenvolvimento de controladores para esse tipo de sistema é fundamental para que essas aplicações se tornem realidade. Nesta tese, uma plataforma experimental é construída para possibilitar a avaliação comportamental desse tipo de sistema. Baseada em um módulo de flutuação por colchões de ar, é composta por uma base livre, elos conectados por juntas e efetuadores. Duas possibilidades de flutuação foram definidas para tornar a estrutura mais versátil, a primeira utiliza uma câmara de ar na mesa de apoio e a segunda utiliza câmaras de ar na base e em cada junta do robô. Sua estrutura mecânica modular permite diversas configurações, com um ou dois braços compostos por elos rígidos ou flexíveis. Toda a eletrônica de comando e a alimentação dos componentes do robô são alocadas em sua base flutuante, baseando a comunicação do sistema com o computador remoto em um padrão de comunicação sem fio. O software de controle, desenvolvido em Matlab e residente no computador remoto, apresenta uma interface amigável e intuitiva, possibilitando a utilização tanto do UARM como do robô de base livre flutuante para testes simulados e experimentais de sistemas de controle. A principal característica dos manipuladores espaciais é o acoplamento dinâmico entre a base e o braço robótico. A fim de evitar as complicações envolvidas no mapeamento cinemático desses sistemas, o problema de acompanhamento de trajetória é formulado diretamente no espaço da tarefa. Assim as posições do efetuador do manipulador são diretamente controladas. O equacionamento dinâmico do manipulador de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do Manipulador Dinamicamente Equivalente. Propõe-se uma solução de controle adaptativo robusto baseado no critério H Infinito para lidar com o problema de acompanhamento de trajetória sujeito a incertezas no modelo e distúrbios externos. A adaptabilidade das redes neurais é aliada à robustez definida por um controlador H Infinito não linear, compondo diferentes técnicas desenvolvidas de acordo com o conhecimento e a disponibilidade do modelo do robô para o controlador. A análise de resultados de simulação e de experimentos realizados no UARM mostraram a aplicabilidade dos métodos, assim como sua capacidade de robustez. Gráficos ilustraram o procedimento do acompanhamento de trajetória realizado pelo efetuador do manipulador espacial identificando a ação das leis de controle propostas. Uma comparação numérica entre as estratégias foi estabelecida por índices de desempenho relacionados ao consumo de energia e ao erro de acompanhamento / Space manipulators robots will be applied, in a near future, in rescue services and maintenance of spacecraft and satellites in orbit. The study and development of controllers for this type of system is crucial to ensure that those applications become reality. At this thesis, an experimental platform is built to enable behavioral assessment of this type of system. Based on a floating module by air bearings, it is composed by a free base, links connected by joints and end-effectors. Two possibilities of fluctuation were set to make the structure more versatile. The first uses an air chamber in the support desk and the second uses air chambers at the base and in each joint of the robot. Its modular mechanical structure allows a variety of configurations, with one or two arms which may be composed of flexible or rigid links. The entire command electronics and the power of the robots components are allocated in its floating base, basing the system communication with the remote computer in a wireless communication standard. The control software, developed in Matlab and residing on the remote computer, presents a friendly and intuitive interface, enabling the use of both the UARM and the free-floating base robot for simulated and experimental testing of control systems. The main characteristic of space manipulators is the dynamic coupling between the base and the robotic arm. In order to avoid the complications involved in kinematic mapping of these systems, the problem of trajectory tracking is formulated directly in task space. So the positions of the manipulator end-effector are directly controlled. The dynamic equation of the free-floating manipulator is described from the concept of Dynamically Equivalent Manipulator. A solution of adaptive robust control is proposed, based on H¥ criterion to deal with the problem of trajectory tracking subject to uncertainties in the model and external disturbances. The adaptability of neural networks is combined with robustness defined by a nonlinear H Infinite controller composing different techniques developed in accordance with the knowledge and the availability of the robots model to the controller. The analysis of results of simulation and experiments performed in UARM showed the applicability of the methods, as well as its capacity for robustness. Graphs have illustrated the trajectory tracking procedure conducted by the end-effector of the space manipulator identifying the action of control laws proposed. A numerical comparison between the strategies was provided by performance indices related to energy consumption and the tracking error

Neste trabalho, o equacionamento dinâmico de um manipulador espacial de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do manipulador dinamicamente equivalente para que as técnicas de controle desenvolvidas sejam experimentalmente validadas em um manipulador convencional de base fixa. Dois tipos de controle de movimento são considerados. O primeiro foi desenvolvido no espaço das juntas e realiza o comando direto de posicionamento das juntas do manipulador; o segundo foi desenvolvido no espaço inercial e o controle é direcionado para o posicionamento do efetuador no espaço Cartesiano. Nos dois casos, o problema de acompanhamento de trajetória de um manipulador espacial com base livre flutuante sujeito a incertezas na planta e perturbações externas é proposto e solucionado sob o ponto de vista do critério de desempenho H \'INFINITO\'. Considerando métodos de controle para sistemas subatuados, três técnicas adaptativas foram desenvolvidas a partir de um controlador H \'INFINITO\' não-linear baseado na teoria dos jogos. A primeira técnica foi proposta considerando a estrutura do modelo bem definida, porém calculada com base em parâmetros incertos. Uma lei adaptativa foi aplicada para estimar esses parâmetros utilizando parametrização linear. Redes neurais artificiais são aplicadas nas outras duas abordagens adaptativas. A primeira utiliza uma rede neural para aprender o comportamento dinâmico do sistema robótico, considerado totalmente desconhecido. Nenhum dado cinemático ou dinâmico da base é utilizado neste caso. A segunda abordagem considera a estrutura do modelo nominal do manipulador bem definida e a rede neural é aplicada para estimar o comportamento das incertezas paramétricas e da dinâmica não-modelada da base. O critério H \'INFINITO\' é aplicado nas três técnicas para atenuar o efeito dos erros de estimativa. Resultados experimentais foram obtidos com um robô manipulador de base fixa subatuado (UArmII) e apresentaram melhor desempenho no acompanhamento da trajetória e no consumo de energia para as abordagens baseadas em redes neurais. / In the present work, the dynamics of a free-floating space manipulator is described through the dynamically equivalent manipulator approach in order to obtain experimental results in a planar fixed base manipulator. Control in joint and Cartesian spaces are considered. The first acts directly on joints positioning; the second control scheme acts on positioning the end-effector in some inertially fixed position. In both cases, the problem of tracking control with a guaranteed H-infinity performance for free-floating manipulator systems with plant uncertainties and external disturbances is proposed and solved. Considering control methods for underactuated systems, three adaptive techniques were developed from a nonlinear H-infinity controller based on game theory. The first approach was proposed considering a well defined structure for the plant, however it was computed based on uncertain parameters. An adaptive law was applied to estimate these parameters using linear parametrization. Artificial neural networks were applied in the two other approaches. The first one uses a neural network to learn the dynamic behavior from the robotic system, which is considered totally unknown. No kinematics or dynamics data from the spacecraft are necessary in this case. The second approach considers the nominal model structure well defined and the neural network is applied to estimate the behavior of the parametric uncertainties and of the spacecraft non-modeled dynamics. The H-infinity criterion was applied to attenuate the effect of estimation errors in the three techniques. Experimental results were obtained with an underactuated fixed-base planar manipulator (UArmII) and presented better performance in tracking and energy consumption for the neural based approaches.

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.

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.

Neste trabalho, o equacionamento dinâmico de um manipulador espacial de base livre flutuante é descrito a partir do conceito do manipulador dinamicamente equivalente para que as técnicas de controle desenvolvidas sejam experimentalmente validadas em um manipulador convencional de base fixa. Dois tipos de controle de movimento são considerados. O primeiro foi desenvolvido no espaço das juntas e realiza o comando direto de posicionamento das juntas do manipulador; o segundo foi desenvolvido no espaço inercial e o controle é direcionado para o posicionamento do efetuador no espaço Cartesiano. Nos dois casos, o problema de acompanhamento de trajetória de um manipulador espacial com base livre flutuante sujeito a incertezas na planta e perturbações externas é proposto e solucionado sob o ponto de vista do critério de desempenho H \'INFINITO\'. Considerando métodos de controle para sistemas subatuados, três técnicas adaptativas foram desenvolvidas a partir de um controlador H \'INFINITO\' não-linear baseado na teoria dos jogos. A primeira técnica foi proposta considerando a estrutura do modelo bem definida, porém calculada com base em parâmetros incertos. Uma lei adaptativa foi aplicada para estimar esses parâmetros utilizando parametrização linear. Redes neurais artificiais são aplicadas nas outras duas abordagens adaptativas. A primeira utiliza uma rede neural para aprender o comportamento dinâmico do sistema robótico, considerado totalmente desconhecido. Nenhum dado cinemático ou dinâmico da base é utilizado neste caso. A segunda abordagem considera a estrutura do modelo nominal do manipulador bem definida e a rede neural é aplicada para estimar o comportamento das incertezas paramétricas e da dinâmica não-modelada da base. O critério H \'INFINITO\' é aplicado nas três técnicas para atenuar o efeito dos erros de estimativa. Resultados experimentais foram obtidos com um robô manipulador de base fixa subatuado (UArmII) e apresentaram melhor desempenho no acompanhamento da trajetória e no consumo de energia para as abordagens baseadas em redes neurais. / In the present work, the dynamics of a free-floating space manipulator is described through the dynamically equivalent manipulator approach in order to obtain experimental results in a planar fixed base manipulator. Control in joint and Cartesian spaces are considered. The first acts directly on joints positioning; the second control scheme acts on positioning the end-effector in some inertially fixed position. In both cases, the problem of tracking control with a guaranteed H-infinity performance for free-floating manipulator systems with plant uncertainties and external disturbances is proposed and solved. Considering control methods for underactuated systems, three adaptive techniques were developed from a nonlinear H-infinity controller based on game theory. The first approach was proposed considering a well defined structure for the plant, however it was computed based on uncertain parameters. An adaptive law was applied to estimate these parameters using linear parametrization. Artificial neural networks were applied in the two other approaches. The first one uses a neural network to learn the dynamic behavior from the robotic system, which is considered totally unknown. No kinematics or dynamics data from the spacecraft are necessary in this case. The second approach considers the nominal model structure well defined and the neural network is applied to estimate the behavior of the parametric uncertainties and of the spacecraft non-modeled dynamics. The H-infinity criterion was applied to attenuate the effect of estimation errors in the three techniques. Experimental results were obtained with an underactuated fixed-base planar manipulator (UArmII) and presented better performance in tracking and energy consumption for the neural based approaches.