Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Automação). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor J. L. Martins de Carvalho

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2014. / Submitted by Larissa Stefane Vieira Rodrigues (larissarodrigues@bce.unb.br) on 2014-11-07T16:15:43Z No. of bitstreams: 1 2014_MuriloMarquesMarinho.pdf: 5816186 bytes, checksum: ec44c636461f6008a9cf6c9710515696 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2014-11-10T16:25:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_MuriloMarquesMarinho.pdf: 5816186 bytes, checksum: ec44c636461f6008a9cf6c9710515696 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-11-10T16:25:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_MuriloMarquesMarinho.pdf: 5816186 bytes, checksum: ec44c636461f6008a9cf6c9710515696 (MD5) / Este trabalho é dividido em duas contribuições complementares acerca do uso de manipuladores robóticos seriais para auxílio em cirurgias laparoscópicas. Primeiramente, técnicas conhecidas para robustez a singularidades e utilização da redundância são adaptados para o uso dos quatérnios duais unitários, que têm algumas vantagens sobre as matrizes de transformação homogênea, enquanto não possuem as singularidades naturais de representações mínimas. A performance das técnicas adaptadas são avaliadas em uma simples tarefa simulada. Utilizando estas técnicas, podemos controlar um robô para auxílio em procedimentos laparoscópicos. Diferentemente de robôs cirurgicos especializados, um robô serial pode ser utilizado para diferentes procedimentos, diluindo os custos em vários procedimentos. Neste cenário, a segurança do ponto pivotante deve ser garantida por software. Esse trabalho apresenta uma nova estratégia de controle para um endoscópio usando manipuladores robóticos com ponto pivotante remoto programável. As referências para o movimento do endoscópio são geradas intuitivamente pelo cirurgião. O método é avaliado em um ambiente cirúrgico simulado e apresentou resultados satisfatórios em termos erros de posicionamento e geração do ponto pivotante. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work is divided in two complementary contributions concerning the use of serial-link robotic manipulators in a laparoscopic surgery setting. At first, known techniques for singularity robustness and redundancy exploitation are adapted to the use of unit dual quaternions, which have some advantages over homogenous transformation matrices concerning compactness, while not having singularities natural to minimal representations. The performance of the adapted techniques is evaluated in a simple simulated task. Using those techniques, we can control a manipulator robot to aid in laparoscopic procedures. As opposed to specialized surgical robots, a serial robot might be used for different procedures, lowering the involved costs. In such scenario, the safety on the pivoting point must be assured by software. This work presents a novel control strategy for controlling laparoscopic tools attached to robotic manipulators that makes use of a programmable RCM. The tool movement references are generated intuitively by the surgeon. The method is evaluated in a simulated surgical environment and presented satisfactory results, in terms of pivoting point generation error and tool positioning error.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia mecânica, 2012. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-03-13T13:46:09Z No. of bitstreams: 1 2012_EnioPratesVasconcelosFilho.pdf: 4044294 bytes, checksum: b3e0871df12218e12ae8513930b18fce (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-03-21T14:11:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_EnioPratesVasconcelosFilho.pdf: 4044294 bytes, checksum: b3e0871df12218e12ae8513930b18fce (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-21T14:11:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_EnioPratesVasconcelosFilho.pdf: 4044294 bytes, checksum: b3e0871df12218e12ae8513930b18fce (MD5) / Esse trabalho descreve o desenvolvimento e a implementação de um controlador de trajetória retilínea em um robô esférico de 5 graus de liberdade. Para tanto, foi desenvolvida uma arquitetura de controle em malha aberta embarcada em uma FPGA para os três primeiros graus de liberdade do manipulador. Nesse intuito, apresenta-se, nesse trabalho, a modelagem cinemática direta e inversa do manipulador, bem como seu Jacobiano. Essa modelagem permite o controle da trajetória do robô em um caminho retilíneo descrito em coordenadas cartesianas. Na implementação do controle embarcado na FPGA, foi utilizado o microprocessador NIOS II, da Altera. Esse é o responsável pelos cálculos de posicionamento e velocidade do manipulador durante sua movimentação. Também são explicitadas as interfaces de acionamento e controle de cada um dos eixos do manipulador e seus respectivos motores. São ainda apresentadas as experiências de validação dos algoritmos implementados, através de simulações computacionais, bem como a validação das equações utilizadas. Além disso, são apresentados os resultados de movimentação do manipulador, seguindo uma trajetória pré-estabelecida, buscando validar na prática o controle implementado. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This paper describes the development and implementation of a controller for straight path trajectory in a spherical robot of five degrees of freedom. To do that, an open loop control architecture (embedded in an FPGA) was developed, for the first three degrees of freedom of the manipulator. Therefore, the direct and inverse kinematic models of the manipulator as well as its Jacobian are presented in this work. This modeling allows us to control the trajectory of the robot in a straight path described in Cartesian coordinates. In the implementation of the embedded controller in the FPGA, we have used the NIOS II microprocessor, from Altera. This is responsible for calculating the position and speed of the manipulator during its motion. Also the interfaces with the controllers of each axis of the handler and their respective engines are specified. We also present experiments to validate the implemented algorithms through computer simulations, as well as the validation of the equations used. Finally, the results are presented of the manipulator motion, following a predetermined path, in order to validate the control implemented in practice.

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

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

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

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

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

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