Modelos baseados na teoria de Processos Decisórios de Markov (PDM) têm sido propostos para situações realistas a serem enfrentadas por robôs móveis aplicados a tarefas que envolvem navegação (vigilância, distribuição de mensagens, etc.). Entretanto, um aspecto crítico em problemas reais é a enorme dimensão do espaço de estados. Como praticamente todos os algoritmos de aprendizagem de controle ou planejamento que utilizam PDM são baseados em um mapeamento explícito entre estados e ações, tal situação normalmente força o uso de representações do espaço de estados compactas, para as quais não existem algoritmos de aprendizagem ou planejamento comprovadamente eficientes, ou mesmo convergentes nos casos mais gerais. O objetivo deste trabalho é a análise de mecanismos que permitam o planejamento online eficiente em robótica móvel, em situações realistas nas quais não é possível o uso de uma representação explícita dos estados devido à dimensão do espaço de estados. É considerada uma técnica de planejamento relatada na literatura conhecida como Amostragem Esparsa (AE). Esta técnica é baseada em amostragem esparsa de instâncias simuladas de um modelo do PDM que representa a interação do robô com o seu ambiente, e pode ser combinada ao uso de opções (macro-operadores) que correspondem a seqüências de ações primitivas. O uso de opções pode ser visto como uma melhoria ao desempenho do algoritmo de AE, pois em tarefas de aprendizagem, seu uso produz exploração mais efetiva do espaço de estados, o que acelera a convergência do aprendizado. Entretanto, o tempo de execução deste algoritmo é exponencial no nível de exploração e no número de amostras a serem gerados. Deste modo, este trabalho propõe uma melhoria para o algoritmo de AE, através da utilização de informações pré-processadas do ambiente a ser explorado. Tais informações são adquiridas a partir da execução do algoritmo de aprendizado por reforço Q-Leaning sobre uma discretização do espaço de estados deste ambiente.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição de perpendicularidade para ser integrado a uma ferramenta robótica de furação, aplicação de selante e inserção de prendedores e corrigir possíveis desvios angulares. Para o desenvolvimento deste sistema de medição foi proposta uma metodologia chamada DTW (Design To Weight) que visa guiar o projetista para a criação de peças com massas reduzidas. Este processo de desenvolvimento é aplicado no decorrer do trabalho e o projeto detalhado de cada peça e funcionalidade é apresentado, mostrando os benefícios do uso da metodologia DTW. Em seguida, um procedimento de calibração e validação é descrito e executado e finalmente os resultados das medições são comparados aos objetivos iniciais do projeto para poder avaliar se o sistema de medição proposto pode ser utilizado na ferramenta robótica em desenvolvimento.

Este trabalho apresenta as equações dinâmicas de um dispositivo - Serra Ortopédica Mecatrônica. Para tanto, apresenta uma breve descrição da mecatrônica aplicada à área medica e uma relação dos principais centros de pesquisa em bioengenharia. Particularmente, é apresentado, um estudo da doença e seu tratamento foco deste trabalho osteoartrite e a osteotomia, respectivamente. Este é o primeiro trabalho em obtenção das equações matemáticas da serra mecatrônica e apresenta detalhes relacionados à sua estrutura construtiva mecânica baseada em uma metodologia de projeto mecatrônico. O trabalho também analisa e propõe uma lei de controle para um dos movimentos da serra mecatrônica, além de fornecer uma expressão matemática representa o comportamento da força de resistência do osso durante o processo de perfuração. As comparações preliminares entre o modelo matemático e o comportamento real da serra mecatrônica indicaram um bom comportamento do modelo.

A informação disponível para robôs em tarefas reais encontra-se amplamente distribuída tanto no espaço quanto no tempo, fazendo com que o agente busque informações relevantes. Neste trabalho, uma solução que usa conhecimento qualitativo e quantitativo da tarefa é implementada a fim de permitir que tarefas robóticas reais sejam tratáveis por algoritmos de Aprendizagem por Reforço (AR). Os passos deste procedimento incluem: 1) decompor a tarefa completa em tarefas menores, usando abstração e macro-operadores, para que um espaço de ações discreto seja atingido; 2) aplicar um modelo de representação do espaço de estados a fim de atingir discretização tanto no espaço de estados quanto no de tempo; 3) usar conhecimento quantitativo para projetar controladores capazes de resolver as subtarefas; 4) aprender a coordenação destes comportamentos usando AR, mais especificamente o algoritmo Q-learning. O método proposto foi verificado em um conjunto de tarefas de complexidade crescente por meio de um simulador para o robô Khepera. Dois modelos de discretização para o espaço de estados foram usados, um baseado em estados e outro baseado em atributos --- funções de observação do ambiente. As políticas aprendidas sobre estes dois modelos foram comparadas a uma política pré-definida. Os resultados mostraram que a política aprendida sobre o modelo de discretização baseado em estados leva mais rapidamente a resultados melhores, apesar desta não poder ser aplicada a tarefas mais complexas, onde o espaço de estados sob esta representação se torna computacionalmente inviável e onde um método de generalização deve ser aplicado. O método de generalização escolhido implementa a estrutura CMAC ( extit{Cerebellar Model Articulation Controller}) sobre o modelo de discretização baseado em estados. Os resultados mostraram que a representação compacta permite que o algoritmo de aprendizagem seja aplicado sobre este modelo, apesar de que, para este caso, a política aprendida sob o modelo de discretização baseado em atributos apresenta melhor performance.

An orthopaedic saw design and commissioning to be driven by a robot was envisaged based on the requirement to develop a system that would allow a physician to automate some surgical procedures that involve limb manipulation. The project goal is to design and build a proof-of-concept prototype employing both mechatronics and Integrated Product Design techniques and tools, following the specific demands required to build a medical device such as its weight, movement's and patient's anatomic constraints. This saw have intelligent features regarding its control strategy relying on its sensing capabilities such as force feedback and blade temperature sensing. The role of temperature is particularly important because the bone overheating causes cells necrosis. The cut's force penetration sensing provides readings to estimate the saw position during surgery in course. The saw's robot handling ensures the flatness and accuracy of the cut, providing the correct requirements for the osteotomy treatment. The accomplishment of these surgical requirements would ensure a higher rate of successful procedures, besides, it would promote shorten the patients' recovery time. The designing and building of prototype themselves are the original contributions. Furthermore, the spin-offs from this work such as the system's model and the study of its control are important highlights.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um robô não convencional de doze graus de liberdade para alinhamento e nivelamento automático de seções de fuselagens. Para o desenvolvimento do robô é apresentada e aplicada, no projeto mecânico e elétrico/eletrônico, uma metodologia de projeto que define a seqüência seguida para a elaboração do projeto. Para o desenvolvimento do software de controle e geração de trajetória do robô, foi desenvolvido um modelo matemático de sua cinemática utilizando coordenadas homogêneas. Para a validação do software de controle e geração de trajetória foi proposta uma seqüência de procedimentos com suporte metrológico. Os resultados dos ensaios foram analisados e considerados adequados para a utilização deste robô no processo de alinhamento e nivelamento automático de seções de fuselagem.

A furação orbital é um processo de usinagem com a finalidade de abrir furos através de um duplo movimento circular, acompanhado de um deslocamento linear na direção de furação. Uma ferramenta de corte girando em alta velocidade é colocada em movimento numa orbita excêntrica e simultaneamente deslocada contra a superfície do material a ser furado. Esta excentricidade define o diâmetro final do furo, sendo que o efeito de fresar a peça reduz o esforço de furação e acarretando num furo com bom acabamento superficial e isento de rebarbas, em comparação a processos convencionais de furação. Para promover estes movimentos, um dispositivo automático de furação orbital foi projetado e desenvolvido para ser acoplado no punho de um robô manipulador industrial. O processo de desenvolvimento deste dispositivo, seus requisitos, funções e módulos funcionais são apresentados neste trabalho, culminando na construção do sistema EFORB ou Efetuador de Furação Orbital Robotizado, sendo seu desenvolvimento e construção o tema central desta tese. Os resultados obtidos atestam o funcionamento do dispositivo desenvolvido, atendendo as tolerâncias e requisitos de processo exigidos para aplicações no setor aeroespacial.

No treinamento de Modelos Escondidos de Markov (MEMs) é necessário um sistema adequado de sensoriamento, pois são as leituras sensoriais que subentendem a sequência de estados do modelo. Muitas vezes sensores ruidosos, imprecisos ou pouco confiáveis, bem como a própria configuração das leituras sensoriais (tipo de sensor, quantidade de informações sensoriais utilizadas, incertezas do sistema de sensoriamento, etc.) pode gerar um número muito grande de diferentes possíveis símbolos de observação para cada estado do modelo, dificultando seu treinamento. Nesse trabalho é apresentada uma arquitetura de MEMs em cascata com a finalidade de treinar modelos que melhor representem as transições entre os estados do sistema real modelado. Na arquitetura em cascata, através da segmentação do conjunto de leituras sensoriais, a quantidade de símbolos de observação utilizados no treinamento pode ser reduzida facilitando o treinamento dos modelos. Experimentos usando ambas arquiteturas (monolítica e em cascata), aplicados à geração de mapas topológicos para robos móveis foram realizados utilizando leituras sensoriais reais e os resultados comprovaram que os mapas gerados pelo modelo em cascata são mais parecidos com do mapa real do ambiente porém, com maior custo computacional.

A automação da montagem de estruturas aeronáuticas é uma necessidade emergente. A utilização de robôs convencionais para esta aplicação é dificultada por conta da relativa baixa exatidão de seus deslocamentos. A fim de adequar um braço robótico às exigências aeronáuticas, propõe-se o auxílio de um sistema metrológico capaz de medir e corrigir seu posicionamento, com incerteza de medição na ordem de centésimos de milímetro. Uma comparação entre os instrumentos de medição no estado da arte é realizada e é escolhido um equipamento com tecnologia de fotogrametria para executar tal tarefa. O presente trabalho avalia o instrumento de medição K-Series, explanando suas características, funcionalidades e realizando experimentos para verificação metrológica do instrumento. Em seguida, o controle adaptativo robótico (ARC) do K-Series fecha uma malha de controle com o robô e o ganho de exatidão é medido para constatar a factibilidade da aplicação. Por fim, alguns pontos limitantes são avaliados e uma série de boas práticas para melhorar a confiabilidade do sistema é elencada.

Este trabalho descreve o projeto de um sistema robótico cooperativo industrial para instalação de prendedores utilizado no processo montagem estrutural de aeronaves. O sistema robótico cooperativo de montagem automática é constituído por dois manipuladores robóticos industriais e por efetuadores dedicados que realizam as tarefas de instalação de prendedores. O trabalho cooperativo entre os manipuladores é executado usando uma arquitetura de comunicação para permuta de dados e sinais. O manipulador robótico mestre carrega o efetuador para instalação dos prendedores e o manipulador escravo, o efetuador necessário para completar o processo. Os aplicativos de software de controle localizados em computadores industriais gerenciam as tarefas dos dois efetuadores e também o intercâmbio de dados. Os efetuadores e os controladores dos manipuladores industriais trocam informações entre si usando o protocolo OPC (OLE for process control). As tarefas cooperativas para executar o processo de instalação dos prendedores foram programadas na interface dos robôs utilizando comandos específicos de sincronização de movimentos e acoplamento geométrico. Experimentos foram projetados e executados para avaliar o funcionamento do sistema robótico cooperativo na execução de tarefas necessárias para a consecução do processo. Medições de posicionamento realizadas durante as rotinas de movimentos programadas para os robôs mostraram que a posição de um manipulador em relação ao outro tem variações máximas na ordem de 0,7 mm, compatíveis com os requisitos do processo de montagem estrutural aeronáutica.