A análise da marcha humana é um dos principais recursos que podem ser utilizados no estudo e tratamento de patologias que envolvem o aparelho locomotor. O presente trabalho visa o projeto e a construção de um robô bípede antropomórfico para ser, juntamente com um laboratório de marcha, uma ferramenta de auxílio aos profissionais da saúde na análise da marcha humana. O robô construído é capaz de reproduzir, de uma forma assistida, padrões de marcha reais, cujos dados são previamente adquiridos por um laboratório de marcha. As características dimensionais e cinemáticas desse robô são semelhantes às de um corpo humano. Dessa forma, a escolha das dimensões dos membros do robô e das faixas de movimentação de suas articulações foi baseada em dados provenientes de corpos humanos. Além disso, para garantir uma semelhança ainda maior com o corpo humano, um mecanismo paralelo foi selecionado para ser o responsável pelos movimentos das articulações do tornozelo e do quadril. Um sistema de sensoriamento barato, baseado em sensores de inclinação e de contato, foi desenvolvido para avaliar a reprodução da marcha humana por parte do robô. Agora, para acionar o robô, servo motores controlados por sinais PWM foram utilizados. Esse trabalho também apresenta o desenvolvimento de um modelo dinâmico tridimensional do robô que considera a sua interação com o solo. / The analysis of the human gait is one of the main resources that can be used in studies and treatment of pathologies which involve the locomotor system. The goal of this research is to design and to build an anthropomorphic biped robot to be used as a tool that could help health professionals to study the human gait. Once built, the robot can reproduce in an assisted way, real gait patterns based on datas that were previously acquired by a gait laboratory. The dimensionals and kinematics traits of this robot are alike to the human body. Therefore the choice of the limb dimensions from the robot and the bustle ranges of its articulations were based on datas originated in human bodies. Beyond this and to guarantee a great similarity to the human body a parallel mechanism was selected to be the responsible for the articulations movements of the ankle and hip. A cheap sensor system based on tilt and contact sensors was developed to evaluate the reproduction of the human gait by the robot. To operate the robot servo-motors controlled by PWM signals were used. This study also presents the development of a three-dimensional dynamic model of the robot that considers its interaction with the ground.

A análise da marcha humana é um dos principais recursos que podem ser utilizados no estudo e tratamento de patologias que envolvem o aparelho locomotor. O presente trabalho visa o projeto e a construção de um robô bípede antropomórfico para ser, juntamente com um laboratório de marcha, uma ferramenta de auxílio aos profissionais da saúde na análise da marcha humana. O robô construído é capaz de reproduzir, de uma forma assistida, padrões de marcha reais, cujos dados são previamente adquiridos por um laboratório de marcha. As características dimensionais e cinemáticas desse robô são semelhantes às de um corpo humano. Dessa forma, a escolha das dimensões dos membros do robô e das faixas de movimentação de suas articulações foi baseada em dados provenientes de corpos humanos. Além disso, para garantir uma semelhança ainda maior com o corpo humano, um mecanismo paralelo foi selecionado para ser o responsável pelos movimentos das articulações do tornozelo e do quadril. Um sistema de sensoriamento barato, baseado em sensores de inclinação e de contato, foi desenvolvido para avaliar a reprodução da marcha humana por parte do robô. Agora, para acionar o robô, servo motores controlados por sinais PWM foram utilizados. Esse trabalho também apresenta o desenvolvimento de um modelo dinâmico tridimensional do robô que considera a sua interação com o solo. / The analysis of the human gait is one of the main resources that can be used in studies and treatment of pathologies which involve the locomotor system. The goal of this research is to design and to build an anthropomorphic biped robot to be used as a tool that could help health professionals to study the human gait. Once built, the robot can reproduce in an assisted way, real gait patterns based on datas that were previously acquired by a gait laboratory. The dimensionals and kinematics traits of this robot are alike to the human body. Therefore the choice of the limb dimensions from the robot and the bustle ranges of its articulations were based on datas originated in human bodies. Beyond this and to guarantee a great similarity to the human body a parallel mechanism was selected to be the responsible for the articulations movements of the ankle and hip. A cheap sensor system based on tilt and contact sensors was developed to evaluate the reproduction of the human gait by the robot. To operate the robot servo-motors controlled by PWM signals were used. This study also presents the development of a three-dimensional dynamic model of the robot that considers its interaction with the ground.

Este trabalho apresenta um mecanismo alternativo para suspensões veiculares traseiras, com mobilidade igual a três, de arquitetura paralela e assimétrico, com três cadeias cinemáticas ativas distintas. O mecanismo é capaz de variar simultaneamente os ângulos de cambagem e de esterçamento das rodas traseiras do veículo, além de atuar sobre a rolagem da massa suspensa. Aplicando-se métodos de síntese de mecanismos paralelos, obtiveram-se topologias de mecanismos de suspensão com estrutura cinemática paralela e, por meio de um critério sistemático, selecionou-se uma estrutura cinemática que atendeu aos três movimentos independentes no espaço tridimensional, desejados para o mecanismo. Um modelo cinemático e outro cinetoestático foram desenvolvidos para verificar a adequação do mecanismo à aplicação veicular. Três análises são apresentadas para avaliar o potencial do mecanismo paralelo sintetizado em aplicações veiculares: análise de desempenho, análise de viabilidade e análise cinemática. Na análise de desempenho, constatou-se que, a atuação do mecanismo sobre os ângulos de cambagem e de esterçamento das rodas traseiras, bem como a atuação sobre a rolagem da massa suspensa trazem benefícios sobre o comportamento dinâmico do veículo, quando comparado com o desempenho dinâmico de um veículo com suspensão convencional. Por meio da análise de viabilidade, determinou-se o curso, a velocidade, a força e a potência demandada pelo sistema de atuação, onde se observou que a atuação do mecanismo pode ser obtida a partir de atuadores comerciais. Nas análises de desempenho e viabilidade o comportamento dinâmico do veículo foi simulado em três manobras distintas: curva de raio constante em regime permanente, dupla mudança de faixa e manobra do anzol (fishhook), empregando uma cosimulação entre os programas CarSim e MATLAB/SIMULINK. Pela análise cinemática, percebeu-se que não há configurações singulares dentro do espaço de trabalho especificado para o mecanismo. O espaço de trabalho disponível atende ao especificado para a aplicação proposta do mecanismo e os erros que os ângulos de cambagem e de esterçamento possam apresentar, devido à imprecisão no posicionamento dos atuadores ou às tolerâncias inerentes ao processo de fabricação das peças do mecanismo, não comprometem os ganhos no comportamento dinâmico que o veículo com o mecanismo proposto apresentou nas simulações da análise de desempenho. / This work introduces an alternative three-degree-of-freedom mechanism for automotive rear suspensions, capable to adjust simultaneously the camber, toe and roll angles. Topologically, the mechanism is parallel and asymmetric with three distinct active kinematic chains. The mechanism is able to adjust the camber, toe and roll angles simultaneously. After applying the methods to perform synthesis of mechanisms, the architecture candidates were ranked in accordance with some proposed indices. Two mathematical models are developed: the kinematic and kinetostatic ones. In order to evaluate how promising this mechanism is, three analyses are conducted: a performance analysis, a feasibility analysis and a kinematic analysis. The obtained results have shown the capability of the mechanism actuation to improve vehicle handling performance, when compared to a car equipped with a conventional suspension system. Moreover, the mechanism feasibility analysis has shown that the actuators stroke, velocity and force can be obtained by using standard hydraulic or eletromechanical actuators. The evaluation was based on three maneuvers: a steady-state cornering, a fishhook and a double lane change. Regarding to the kinematic analysis, three considerations were made. First, there is not singular configuration inside the workspace. Second, the available workspace can attend the camber and rear steer angles stroke. Third, the vehicle dynamic behavior is not affected by the errors due to the manufacturing tolerance and actuators position inaccuracy.

Este trabalho apresenta um mecanismo alternativo para suspensões veiculares traseiras, com mobilidade igual a três, de arquitetura paralela e assimétrico, com três cadeias cinemáticas ativas distintas. O mecanismo é capaz de variar simultaneamente os ângulos de cambagem e de esterçamento das rodas traseiras do veículo, além de atuar sobre a rolagem da massa suspensa. Aplicando-se métodos de síntese de mecanismos paralelos, obtiveram-se topologias de mecanismos de suspensão com estrutura cinemática paralela e, por meio de um critério sistemático, selecionou-se uma estrutura cinemática que atendeu aos três movimentos independentes no espaço tridimensional, desejados para o mecanismo. Um modelo cinemático e outro cinetoestático foram desenvolvidos para verificar a adequação do mecanismo à aplicação veicular. Três análises são apresentadas para avaliar o potencial do mecanismo paralelo sintetizado em aplicações veiculares: análise de desempenho, análise de viabilidade e análise cinemática. Na análise de desempenho, constatou-se que, a atuação do mecanismo sobre os ângulos de cambagem e de esterçamento das rodas traseiras, bem como a atuação sobre a rolagem da massa suspensa trazem benefícios sobre o comportamento dinâmico do veículo, quando comparado com o desempenho dinâmico de um veículo com suspensão convencional. Por meio da análise de viabilidade, determinou-se o curso, a velocidade, a força e a potência demandada pelo sistema de atuação, onde se observou que a atuação do mecanismo pode ser obtida a partir de atuadores comerciais. Nas análises de desempenho e viabilidade o comportamento dinâmico do veículo foi simulado em três manobras distintas: curva de raio constante em regime permanente, dupla mudança de faixa e manobra do anzol (fishhook), empregando uma cosimulação entre os programas CarSim e MATLAB/SIMULINK. Pela análise cinemática, percebeu-se que não há configurações singulares dentro do espaço de trabalho especificado para o mecanismo. O espaço de trabalho disponível atende ao especificado para a aplicação proposta do mecanismo e os erros que os ângulos de cambagem e de esterçamento possam apresentar, devido à imprecisão no posicionamento dos atuadores ou às tolerâncias inerentes ao processo de fabricação das peças do mecanismo, não comprometem os ganhos no comportamento dinâmico que o veículo com o mecanismo proposto apresentou nas simulações da análise de desempenho. / This work introduces an alternative three-degree-of-freedom mechanism for automotive rear suspensions, capable to adjust simultaneously the camber, toe and roll angles. Topologically, the mechanism is parallel and asymmetric with three distinct active kinematic chains. The mechanism is able to adjust the camber, toe and roll angles simultaneously. After applying the methods to perform synthesis of mechanisms, the architecture candidates were ranked in accordance with some proposed indices. Two mathematical models are developed: the kinematic and kinetostatic ones. In order to evaluate how promising this mechanism is, three analyses are conducted: a performance analysis, a feasibility analysis and a kinematic analysis. The obtained results have shown the capability of the mechanism actuation to improve vehicle handling performance, when compared to a car equipped with a conventional suspension system. Moreover, the mechanism feasibility analysis has shown that the actuators stroke, velocity and force can be obtained by using standard hydraulic or eletromechanical actuators. The evaluation was based on three maneuvers: a steady-state cornering, a fishhook and a double lane change. Regarding to the kinematic analysis, three considerations were made. First, there is not singular configuration inside the workspace. Second, the available workspace can attend the camber and rear steer angles stroke. Third, the vehicle dynamic behavior is not affected by the errors due to the manufacturing tolerance and actuators position inaccuracy.

[pt] Esta tese tem como principal objetivo o estudo do comportamento cinemático de um simulador de movimentos de 6 (seis) graus de liberdade, utilizando um novo conceito de análise computacional.Inicialmente, foi apresentado um software comercial, Working Model 3D, que teve seu desempenho matemático validado comparando-se seus resultados computacionais com os de outro software comercial, conhecido como Matlab.Foi introduzido, então, o conceito de mecanismos paralelos. Analisou-se, primeiramente, o mecanismo paralelo planar com três juntas rotacionais, conhecido como 3RRR. Foram feitas as análises cinemáticas e os estudos de algumas singularidades, apresentando-se ainda algumas recomendações para futuros trabalhos. O estudo do mecanismo paralelo usado em aplicações como simuladores de movimentos foi também apresentado, através da análise plataforma Stewart- Gough. A exeqüibilidade deste novo conceito de análise cinemática foi comprovada através de diversas simulações, incluindo o acoplamento de um objeto, representado por um chassi veicular, na plataforma. / [en] This thesis presents the kinematic behavior of a motion simulator with six degrees of freedom,using a new computational analysis approach. A well-known simulation software with proven performance, Matlab, is used to validate another software environment, Working Model 3D, which is used to develop and study kinematic models of parallel mechanisms.Planar mechanism using three rotational joints, 3RRR, are studied through kinematic analysis and some singularity studies are developed, which resulted in some suggestions for future analysis and studies. Also, an introductory study of spatial-parallel mechanisms is presented regarding motion simulators with six degrees of freedom through simulation studies of Stewart-Gough platform. The feasibility of this new kinematic analysis was proven by means of several simulations, including the coupling of a vehicular chassis in the platform modeling.

[pt] Mecanismos são essencialmente (mas não exclusivamente) compostos por vários corpos rígidos que possuem movimento relativo entre si. Cada corpo rígido está ligado através de uma junta a um ou mais corpos, sendo a sequência de corpos conectados chamada de cadeia cinemática. Cadeias cinemáticas abertas (ou em série) não têm restrições sobre uma de suas extremidades, já cadeias fechadas (ou paralelas) têm restrições em ambas as extremidades. O foco neste trabalho será dado no estudo de mecanismos com cadeias cinemáticas fechadas ou mecanismos paralelos. Assim, este trabalho apresenta a determinação da solução analítica do modelo dinâmico de um mecanismo paralelo plano com três graus de liberdade através da caracterização do fluxo de potência entre os seus componentes. A partir das relações geométricas associadas ao deslocamento dos seus graus de liberdade, as relações cinemáticas associadas às suas velocidades são determinadas. Considerando o fluxo de potência entre os graus de liberdade, e também entre estes e os elementos de atuação (atuadores lineares elétricos), as relações de equilíbrio das forças e torques são obtidas. Levando em consideração os efeitos inerciais dos componentes do sistema, a rigidez e efeitos de amortecimento, as equações de movimento ou as equações de estado são analiticamente determinadas e representadas em qualquer sistema de referência, local ou global. Além disso, as relações entre a cinemática inversa e a dinâmica direta são apresentadas. Esta abordagem adota os mesmos fundamentos, conceitos e elementos da técnica dos grafos de ligação, com a sua notação simbólica e representação gráfica. A metodologia proposta é generalizada e aplicável em qualquer tipo de mecanismo (aberto ou fechado, plano ou espacial). O modelo cinemático inverso do mecanismo de cadeia fechada, que tem uma solução fácil quando comparado com o modelo direto, pode ser desenvolvido por qualquer metodologia conhecida. Neste trabalho, a técnica da cadeia vetorial é usada para determinar o modelo geométrico inverso, e com a sua derivação, as relações cinemáticas são obtidas, e, portanto, a matriz Jacobiana inversa. Desse modo, é construída a estrutura em grafos de ligação da cinemática inversa e, a partir das relações de causa e efeito, encontra-se o modelo dinâmico direto do mecanismo. Assim, esta metodologia (grafos de ligação ou fluxo de potência) é mais eficiente e segura para determinar os modelos dinâmicos analíticos (fechados) de mecanismos paralelos. Um conjunto de simulações foi realizado para validar esta abordagem, usando os dados reais (geometria, inércia, amortecimento, forças de atuação, etc.) a partir de um mecanismo plano projetado e construído especialmente para a finalidade de comparar os resultados simulados e experimentais. Uma estratégia de controle de malha fechada usando a cinemática inversa e os modelos dinâmicos diretos é proposta. Finalmente, testes experimentais validam esta estratégia. As equações analíticas levam a um processo de simulação e controle em tempo real mais eficientes destes sistemas. / [en] Mechanisms are essentially (but not exclusively) made up of multiple rigid bodies that have relative motion between themselves. Each rigid body is connected through a joint to one or more bodies, wherein the sequence of connected bodies is called kinematic chain. Open (or serial) kinematic chains have no restrictions on one of their ends, as closed (or parallel) chains have restrictions on both ends. The focus in this work will be given on the study of mechanisms with closed kinematic chains or parallel mechanisms. Thus, this work presents the analytical form determination of the dynamic model of a parallel planar mechanism with three degrees of freedom through the characterization of the power flow between its components. From the geometrical relations associated to the displacement of their degrees of freedom, the kinematic relations associated to their speeds are determined. Considering the power flow between the degrees of freedom, and also between these and the actuating elements (linear electric actuators) the equilibrium relations of the forces and torques are obtained. Accounting for inertial effects of system components, the stiffness and damping effects, the equations of motion or the state equations are analytically determined and represented in any reference frame, local or global. Besides, the relation between the inverse kinematics and the direct dynamics is presented. This approach adopts the same fundamentals, concepts and elements of the Bond Graph Technique, with its symbolic notation and graphical representation. The proposed methodology is generalized and applicable in any type of mechanism (open or closed, planar or spatial). The inverse kinematic model of the closed chain mechanism, which has easy solution when compared to the direct model, can be developed by any known methodology. In this work, the vector loop technique is used to determine the inverse geometric model, and with its derivation, the kinematic relations are obtained, and therefore the inverse Jacobian matrix. Thereby, the inverse kinematics bond graph is built and, from the cause and effect relations, the direct dynamic model of the mechanism is found. Thus, this methodology (bond graphs or power flow) is more efficient and secure to achieve the dynamic analytical (closed) models of parallel mechanisms. A set of simulations are performed to validate this approach, using the real data (geometry, inertia, damping, actuators forces, etc.) from a planar mechanism designed and built especially for the purpose to compare the simulated and experimental results. A closed-loop control strategy using the inverse kinematic and the direct dynamic models is proposed. Finally, experimental tests validate this strategy. The analytical equations lead to a more efficient simulation process and real-time control of these systems.