Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

O presente trabalho trata do projeto, construção e análise de desempenho de um robô pneumático com três graus de liberdade. Foi fundamentado no trabalho de Frasson (2007) com alterações na escolha de componentes que permitissem a redução de custos. Tem como objetivo verificar se um robô comandado por válvulas solenóide rápidas, e controlado pela técnica baseada em modos deslizantes (Slide Mode Control), tem desempenho adequado para permitir sua aplicação em processos industriais. Os testes efetuados para constatar seu desempenho foram os de deslocamento em degrau (step) e o seguimento de trajetória. A configuração do robô é cartesiana por permitir que os eixos do robô trabalhem desacoplados, facilitando o estudo dos movimentos. Os resultados dos testes de deslocamento em degrau e os de seguimento de trajetória indicam que o robô mostrou-se eficiente no posicionamento final em relação os valores definidos pela camada limite. Observou-se também que a combinação entre o tempo de resposta da válvula solenóide e a vazão de ar que atravessa à válvula (constante no caso de válvulas solenóide) estabelece a dinâmica dos cilindros e, dependendo da velocidade determinada para o deslocamento do êmbolo resulta impossível manter a movimentação dentro da camada limite escolhida. Desta forma o robô cartesiano com acionamento por eletroválvulas pneumáticas e controlado através da técnica baseada em modos deslizantes, mostrou-se eficiente para tarefas em que é necessário um de posicionamento final dentro da camada limite, como podem ser as de montagem e armazenamento, por exemplo. Já nas aplicações em que o seguimento de trajetória se torna necessário, deve ser feito um estudo considerando o tempo de acionamento das válvulas, a vazão de ar e as velocidades que o robô deve desempenhar para determinar se a largura da camada limite necessária é aceitável para a aplicação pretendida. / The present work tries the design, construction and analysis of performance of one three degrees of freedom pneumatic robot. This work was substantiated in the work of Frasson (2007) with some alterations in the components choice to reduce costs. This work objective is to verify the robot, being commanded by quick solenoid valves, and controlled by a technique based on Slide Mode Control, permits their application in industrial trials. The tests performed for establish his performance were the displacement in step function and the following of path. This robot has a Cartesian configuration because the axis is free to move alone and the study of axes movement is easy. The tests results indicate that a pneumatic robot had precise perform in the tests of displacement in step, positioning itself inside the streak of default tolerance in each one of the axes. Also the solenoid valve response time and the solenoid valve air flux make a cylinder dynamics and depends on speed choice to piston movement may be impossible to maintain the motion inside of the sliding surface. Then a Cartesian pneumatic robot commanded by fast solenoid valves a having an Slide Mode Control show efficient to deal with assignments which need a final location inside the limit area, as assemblies or storage assignments. In cases where following of path is important, is need an specific study on valves switching time, air flow and speed needed in robot operation to determine if the limit region defined is accepted for the assignments choiced.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

O presente trabalho trata do projeto, construção e análise de desempenho de um robô pneumático com três graus de liberdade. Foi fundamentado no trabalho de Frasson (2007) com alterações na escolha de componentes que permitissem a redução de custos. Tem como objetivo verificar se um robô comandado por válvulas solenóide rápidas, e controlado pela técnica baseada em modos deslizantes (Slide Mode Control), tem desempenho adequado para permitir sua aplicação em processos industriais. Os testes efetuados para constatar seu desempenho foram os de deslocamento em degrau (step) e o seguimento de trajetória. A configuração do robô é cartesiana por permitir que os eixos do robô trabalhem desacoplados, facilitando o estudo dos movimentos. Os resultados dos testes de deslocamento em degrau e os de seguimento de trajetória indicam que o robô mostrou-se eficiente no posicionamento final em relação os valores definidos pela camada limite. Observou-se também que a combinação entre o tempo de resposta da válvula solenóide e a vazão de ar que atravessa à válvula (constante no caso de válvulas solenóide) estabelece a dinâmica dos cilindros e, dependendo da velocidade determinada para o deslocamento do êmbolo resulta impossível manter a movimentação dentro da camada limite escolhida. Desta forma o robô cartesiano com acionamento por eletroválvulas pneumáticas e controlado através da técnica baseada em modos deslizantes, mostrou-se eficiente para tarefas em que é necessário um de posicionamento final dentro da camada limite, como podem ser as de montagem e armazenamento, por exemplo. Já nas aplicações em que o seguimento de trajetória se torna necessário, deve ser feito um estudo considerando o tempo de acionamento das válvulas, a vazão de ar e as velocidades que o robô deve desempenhar para determinar se a largura da camada limite necessária é aceitável para a aplicação pretendida. / The present work tries the design, construction and analysis of performance of one three degrees of freedom pneumatic robot. This work was substantiated in the work of Frasson (2007) with some alterations in the components choice to reduce costs. This work objective is to verify the robot, being commanded by quick solenoid valves, and controlled by a technique based on Slide Mode Control, permits their application in industrial trials. The tests performed for establish his performance were the displacement in step function and the following of path. This robot has a Cartesian configuration because the axis is free to move alone and the study of axes movement is easy. The tests results indicate that a pneumatic robot had precise perform in the tests of displacement in step, positioning itself inside the streak of default tolerance in each one of the axes. Also the solenoid valve response time and the solenoid valve air flux make a cylinder dynamics and depends on speed choice to piston movement may be impossible to maintain the motion inside of the sliding surface. Then a Cartesian pneumatic robot commanded by fast solenoid valves a having an Slide Mode Control show efficient to deal with assignments which need a final location inside the limit area, as assemblies or storage assignments. In cases where following of path is important, is need an specific study on valves switching time, air flow and speed needed in robot operation to determine if the limit region defined is accepted for the assignments choiced.

O presente trabalho trata do projeto, construção e análise de desempenho de um robô pneumático com três graus de liberdade. Foi fundamentado no trabalho de Frasson (2007) com alterações na escolha de componentes que permitissem a redução de custos. Tem como objetivo verificar se um robô comandado por válvulas solenóide rápidas, e controlado pela técnica baseada em modos deslizantes (Slide Mode Control), tem desempenho adequado para permitir sua aplicação em processos industriais. Os testes efetuados para constatar seu desempenho foram os de deslocamento em degrau (step) e o seguimento de trajetória. A configuração do robô é cartesiana por permitir que os eixos do robô trabalhem desacoplados, facilitando o estudo dos movimentos. Os resultados dos testes de deslocamento em degrau e os de seguimento de trajetória indicam que o robô mostrou-se eficiente no posicionamento final em relação os valores definidos pela camada limite. Observou-se também que a combinação entre o tempo de resposta da válvula solenóide e a vazão de ar que atravessa à válvula (constante no caso de válvulas solenóide) estabelece a dinâmica dos cilindros e, dependendo da velocidade determinada para o deslocamento do êmbolo resulta impossível manter a movimentação dentro da camada limite escolhida. Desta forma o robô cartesiano com acionamento por eletroválvulas pneumáticas e controlado através da técnica baseada em modos deslizantes, mostrou-se eficiente para tarefas em que é necessário um de posicionamento final dentro da camada limite, como podem ser as de montagem e armazenamento, por exemplo. Já nas aplicações em que o seguimento de trajetória se torna necessário, deve ser feito um estudo considerando o tempo de acionamento das válvulas, a vazão de ar e as velocidades que o robô deve desempenhar para determinar se a largura da camada limite necessária é aceitável para a aplicação pretendida. / The present work tries the design, construction and analysis of performance of one three degrees of freedom pneumatic robot. This work was substantiated in the work of Frasson (2007) with some alterations in the components choice to reduce costs. This work objective is to verify the robot, being commanded by quick solenoid valves, and controlled by a technique based on Slide Mode Control, permits their application in industrial trials. The tests performed for establish his performance were the displacement in step function and the following of path. This robot has a Cartesian configuration because the axis is free to move alone and the study of axes movement is easy. The tests results indicate that a pneumatic robot had precise perform in the tests of displacement in step, positioning itself inside the streak of default tolerance in each one of the axes. Also the solenoid valve response time and the solenoid valve air flux make a cylinder dynamics and depends on speed choice to piston movement may be impossible to maintain the motion inside of the sliding surface. Then a Cartesian pneumatic robot commanded by fast solenoid valves a having an Slide Mode Control show efficient to deal with assignments which need a final location inside the limit area, as assemblies or storage assignments. In cases where following of path is important, is need an specific study on valves switching time, air flow and speed needed in robot operation to determine if the limit region defined is accepted for the assignments choiced.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo. / The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.

O reconhecimento da posição e orientação de objetos em uma imagem é importante para diversos segmentos da engenharia, como robótica, automação industrial e processos de fabricação, permitindo às linhas de produção que utilizam sistemas de visão, melhorias na qualidade e redução do tempo de produção. O presente trabalho consiste na elaboração de um sistema de visão computacional para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido, obtêm-se a posição e orientação de peças a fim de que as mesmas possam ser capturadas corretamente pelo robô. Para a obtenção da posição e orientação das peças, utilizou-se o método de cálculo dos momentos para extração de características de uma imagem, além da relação entre suas coordenadas em pixels com o sistema de coordenadas do robô. O desenvolvimento do presente trabalho visou também a integrar a esse sistema de visão computacional, um algoritmo de planejamento de trajetórias do robô, o qual, após receber os valores das coordenadas necessárias, gera a trajetória a ser seguida pelo robô, de forma que este possa pegar a peça em uma determinada posição e deslocá-la até outra posição pré-determinada. Também faz parte do escopo deste trabalho, a integração do sistema de visão, incluindo o planejamento de trajetórias, a um algoritmo de controle dos atuadores com compensação de atrito e a realização de testes experimentais com manipulação de peças. Para a demonstração da aplicação do método através de testes experimentais, foi montada uma estrutura para suportar as câmeras e as peças a serem manipuladas, levando em conta o espaço de trabalho do robô. Os resultados obtidos mostram que o algoritmo proposto de visão computacional determina a posição e orientação das peças permitindo ao robô a captação e manipulação das mesmas. / The recognition of the position and orientation of objects in an image is important for several technological areas in engineering, such as robotics, industrial automation and manufacturing processes, allowing production lines using vision systems, improvements in quality and reduction in production time. The present work consists of the development of a computer vision system for a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The application of the proposed method furnishes the position and orientation of pieces in a way that the robot could properly capture them. Position and orientation of the pieces are determined by means of a technique based on the method of calculating the moments for an image feature extraction and the relationship between their pixels coordinates with the robot coordinate system. The scope of the present work also comprises the integration of the computer vision system with a (previously developed) robot trajectory planning algorithm that use key-point coordinates (transmitted by the vision system) to generate the trajectory that must be followed by the robot, so that, departing from a given position, it moves suitably to another predetermined position. It is also object of this work, the integration of both vision system and trajectory planning algorithm with a (also previously developed) nonlinear control algorithm with friction compensation. Aiming at to demonstrate experimentally the application of the method, a special apparatus was mounted to support cameras and the pieces to be manipulated, taking into account the robot workspace. To validate the proposed algorithm, a case study was performed, with the results showing that the proposed computer vision algorithm determines the position and orientation of the pieces allowing the robot to capture and manipulation thereof.

presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo. / The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.

presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo. / The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.