Esta tese propõe um novo paradigma para a construção de estruturas tridimensionais onde robôs aéreos do tipo quadrirrotores são usados para capturar, transportar e montar diferentes elementos estruturais em um ambiente dinâmico e não estruturado. Tarefas complexas de construção que utilizam robôs móveis são caracterizadas por três problemas fundamentais: 1) O planejamento da construção das estruturas; 2) A geração das trajetórias dos robôs; e 3) O controle de rastreamento das trajetórias durante a execução. Uma arquitetura de planejamento é proposta para resolver simultaneamente os dois primeiros problemas. Essa arquitetura: 1) Gera de forma iterativa planos exequíveis de montagem das estruturas e de movimentação dos robôs usando a técnica de aprendizado por reforço Learning Automata e o algoritmo de busca heurística A*; 2) Considera as limitações de potência dos quadrirrotores disponíveis, as restrições de construção das estruturas e a natureza dinâmica do ambiente; e 3) Utiliza um método de resolução de conflitos para planejar as velocidades de translação e selecionar os pontos de parada de cada quadrirrotor. Para solucionar o terceiro problema, a técnica de aprendizado por reforço Learning Automata é usada com a finalidade de projetar e otimizar os controladores de atitude e de rastreamento de trajetórias dos quadrirrotores. Em razão da dinâmica não linear dos robôs aéreos, das perturbações externas (p. ex., o vento e o efeito do solo), e da variação de carga durante o processo de construção, a solução desse problema não é trivial. Testes simulados e experimentais do sistema autônomo de construção de diferentes estruturas tridimensionais (cubo, torre, pirâmide e parede), com até quatro quadrirrotores, são apresentados para demonstrar a generalidade da solução proposta.

Esta dissertação apresenta o projeto, a construção e a avaliação experimental de uma plataforma móvel autônoma construída para atender os seguintes requisitos: 1) seguir uma trajetória previamente planejada utilizando para isto uma fusão entre as informações provenientes da sua odometria e dos marcos externos artificiais distribuídos no ambiente, e 2) transmitir em tempo real informações relativas à postura (posição + orientação) estimada pela plataforma para um computador base. As informações provenientes da odometria da plataforma são obtidas utilizando encoders incrementais ópticos construídos em rodas auxiliares. A informação proveniente dos marcos externos é obtida a partir de 5 sensores de infravermelho que detectam segmentos de faixa branca (grade reticulada com diagonais) colocados sobre piso preto. São implementados dois algoritmos embarcados, um algoritmo de controle e um algoritmo de estimação da trajetória realizada pela plataforma. O algoritmo de controle é utilizado para corrigir a orientação da plataforma ao longo da trajetória realizada. O algoritmo de estimação calcula a postura (posição + orientação) da plataforma no ambiente e envia o resultado para o computador base em tempo real. Os resultados experimentais mostram que os algoritmos de controle e estimação da trajetória efetivamente: 1) fazem a plataforma seguir a trajetória planejada com pequenos erros e 2) evitam o acúmulo do erro de odometria decorrente do uso do método de dead-reckoning.

Este trabalho é uma continuidade das pesquisas na área de mecatrônica aplicada à medicina do ITA, e tem como objetivo modelar numericamente a distribuição de temperaturas em ossos, durante a cirurgia de osteotomia de tíbia, realizada com o auxílio de uma serra mecatrônica ortopédica. Durante o processo cirúrgico a temperatura do osso deve ser controlada para evitar sua necrose térmica devido à alta temperatura, principalmente se a cirurgia for realizada com recursos de automação. Para se modelar a distribuição de temperatura durante o corte, é necessário conhecer o fluxo de calor gerado devido ao atrito durante o tempo de corte. Para tanto, devem ser conhecidos alguns parâmetros operacionais do equipamento robótico da qual a serra é parte componente, quais sejam, velocidade de avanço da serra, velocidade semi-rotativa das lâminas, e o tempo total de corte, e algumas propriedades físicas do osso: condutividade térmica, densidade, difusividade térmica e tensão de cisalhamento. A partir desses parâmetros, este trabalho apresenta a modelagem do fluxo de calor serra/osso durante o corte do osso. Posteriormente, o fluxo de calor calculado é utilizado como condição de contorno para resolver a equação diferencial da temperatura dada pela equação da condução de calor, que é avaliada, de forma qualitativa, bidimensionalmente e em regime transitório. Finalmente, conhecendo-se o valor da temperatura ao longo do osso durante o corte, é possível manter esse valor nos limites aceitáveis, por meio do monitoramento das variáveis do procedimento cirúrgico, evitando-se conseqüentemente, a necrose térmica do osso.

Este trabalho propõe um dispositivo universal antropomórfico que sirva como base no desenvolvimento de próteses com alto grau de semelhança funcional a mão humana. Para tanto, são apresentadas a modelagem (modelos cinemático e dinâmico) e as construções física e computacional de um dispositivo mecatrônico ativo simplificado. Muitas dúvidas quanto ao tamanho, a aparência e a funcionalidade de um modelo protético surgem ao se pensar em projetar algo que irá, de certa forma, substituir um membro humano, dada a importância que ele representa. Pesquisas mostram dificuldades na obtenção de modelos que atendam aos diversos requisitos que uma prótese deve ter, desde sua funcionalidade à sua estética. Uma das partes que pode definir a concepção de uma prótese é seu acionamento. Assim, a implementação deste dispositivo universal permite a análise comparativa de sistemas de acionamento. Neste trabalho são apresentadas as vantagens e as dificuldades da utilização de três sistemas bastante comuns em acionamentos de produtos mecatrônicos, são o servomotor DC, o piezo-motor e o SMA (Shape Memory Alloy) ou liga com memória de forma. Foram utilizados os aplicativos de software Inventor na construção do modelo computacional e ADAMS nas análises cinemática e dinâmica. A aquisição de sinais e os testes de validação foram possíveis por meio dos aplicativos Matlab e Simulink.

Novos equipamentos têm sido desenvolvidos para medição de coordenadas de grandes volumes. Em especial os equipamentos que utilizam tecnologias ópticas a laser oferecem exatidões superiores a décimos de milímetro e grande flexibilidade de medição. Este trabalho trata sobre o iGPS (indoor Global Positioning System), projetado para a medição de grandes volumes, mas com poucos estudos a respeito de sua confiabilidade metrológica em aplicações aeronáuticas. Assim, levando em consideração um procedimento genérico de medição, verifica-se que diversos fatores podem influenciar significativamente a exatidão de seus resultados. A partir de uma rápida explicação e comparação dos sistemas de medição de grandes volumes utilizados na atualidade, este trabalho demonstra o funcionamento do sistema iGPS, assim como os respectivos experimentos realizados para avaliá-lo. Posteriormente, é apresentada e avaliada análise das incertezas envolvidas no sistema de medição iGPS. Finalmente, é realizada a análise de um caso prático relacionado com o processo de montagem de seções de fuselagem, usando o equipamento em questão.

A automação de cirurgias é uma realidade que tem contribuído para a melhoria de qualidade e eficiência tão necessárias na área de saúde. O projeto de uma serra ortopédica conduzida por um sistema robótico foi idealizado com base em uma necessidade de se desenvolver um sistema que permite um médico automatizar processos cirúrgicos envolvendo manipulação de membros. Neste contexto, o trabalho proposto apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de controle para o movimento translacional desta serra mecatrônica, uma vez que este é o movimento mais complexo da serra. Para o desenvolvimento desta estratégia de controle, o índice de desempenho - sobresinal - é o parâmetro que deve ser controlado para se evitar um avanço brusco do suporte das lâminas da serra. O monitoramento do comportamento desse parâmetro é feito através de um sensor de força que será inserido na serra mecatrônica, já que a força de corte também fornece a condição de parada da serra. Os resultados obtidos em laboratório e via simulação mostraram que a estratégia de controle adotada foi satisfatória, pois se verificou que a resposta do sistema eliminou o índice de sobresinal, o que equivale dizer que a força de corte foi devidamente monitorada pelo sensor e assim, o programa de controle consegue indicar o momento exato de parada da serra.

Este trabalho aborda o problema da concepção de sistemas supervisórios para células robóticas colaborativas flexíveis na indústria aeronáutica. Para esta finalidade, é proposta uma abordagem mista para modelagem e verificação de células robóticas baseada em simulação gráfica de robôs e rede de Petri colorida. Rede de Petri é utilizada para modelar o sistema supervisório que gerencia as atividades dos robôs, a interação com outros elementos e para representar a lógica de programação. Simulação gráfica de robôs é aplicada para ilustrar o comportamento dos robôs em um ambiente 3D indicando, por exemplo, a ocorrência de colisões. A flexibilidade da aplicação requer que os robôs trabalhem subordinados ao sistema supervisório, tendo suas trajetórias definidas durante a execução das tarefas e não previamente programadas em seus controladores. Como conseqüência, com o propósito de verificar a célula robótica colaborativa, ambas as ferramentas de simulação devem ser integradas. A motivação deste trabalho é a concepção de uma célula de trabalho para a indústria aeronáutica, automatizando os processos de furação e inserção de prendedores em partes da fuselagem. A célula é composta de dois robôs que devem trabalhar em cooperação e em colaboração na montagem estrutural de aeronaves.

Este trabalho aborda o tema de alocação de tarefas através de um estudo de caso na Petrobras, onde os recursos são navios, e as tarefas são serviços submarinos. O menor tempo de atendimento aos serviços é o fator determinante para a alocação dos serviços aos navios. O problema de alocação de tarefas apesar de ser um problema clássico da Pesquisa Operacional pode, em alguns casos, não se apresentar totalmente estruturado para os tomadores de decisão. Nestes casos é recomendável a estruturação do problema antes da aplicação de um modelo matemático. Este trabalho tem como objetivo propor uma metodologia que possibilite a escolha de um navio para executar cada serviço no menor tempo possível, considerando os requisitos dos serviços e situação dos navios. A metodologia proposta é realizada em três fases. Na primeira fase é realizada a estruturação do problema através de mapas cognitivos. A segunda fase corresponde ao tratamento dos dados adquiridos na primeira fase. A última fase consiste na proposta de solução para o problema. Foi desenvolvido um programa computacional para auxiliar na escolha dos navios que executarão cada serviço. A estruturação do problema, através do mapa cognitivo, tornou possível o levantamento das informações relevantes consideradas na fase de solução do problema. Os resultados obtidos com o programa computacional permitem observar uma melhora na alocação dos navios, ao conseguir um tempo menor do que o tempo que é atualmente obtido com o processo utilizado na empresa. O programa traz mais eficiência de tempo em que os serviços são executados, e consequentemente, redução no custo da logística dos navios.