As estratégias de mapeamento utilizando múltiplos robôs móveis possuem uma série de vantagens quando comparadas àquelas estratégias baseadas em um único robô. As principais vantagens que podem ser elucidadas são: flexibilidade, ganho de informação e redução do tempo de construção do mapa do ambiente. No presente trabalho, um método de integração de mapas locais é proposto baseado em observações inter-robôs, considerando uma nova abordagem para a exploração do ambiente. Tal abordagem é conhecida como Sistema de Vigilância baseado na Modificação do Sistema Colônias de Formigas, ou IAS-SS. A estratégia IAS-SS é inspirada em mecanismos biológicos que definem a organização social de sistemas de enxames. Especificamente, esta estratégia é baseada em uma modificação do tradicional algoritmo de otimização por colônias de formiga. A principal contribuição do presente trabalho é a adaptação de um modelo de compartilhamento de informações utilizado em redes de sensores móveis, adaptando o mesmo para tarefas de mapeamento. Outra importante contribuição é a colaboração entre o método proposto de integração de mapas e a estratégia de coordenação de múltiplos robôs baseada na teoria de colônias de formigas. Tal colaboração permite o desenvolvimento de uma abordagem de exploração que emprega um mecanismo não físico para depósito e detecção de feromônios em ambientes reais por meio da elaboração do conceito de feromônios virtuais integrados. Resultados obtidos em simulação demonstram que o método de integração de mapas é eficiente, de modo que os ensaios experimentais foram realizados considerando-se um número variável de robôs móveis durante o processo de exploração de ambientes internos com diferentes formas e estruturas. Os resultados obtidos com os diversos experimentos realizados confirmam que o processo de integração é efetivo e adequado para executar o mapeamento do ambiente durante tarefas de exploração e vigilância do mesmo / The multiple robot map building strategies have several advantages when compared to strategies based on a single robot, in terms of flexibility, gain of information and reduction of map building time. In this work, a local map integration method is proposed based on the inter-robot observations, considering a recent approach for the environment exploration. This approach is based on the Inverse Ant System-Based Surveillance System strategy, called IASSS. The IAS-SS strategy is inspired on biological mechanisms that define the social organization of swarm systems. Specifically, it is based on a modified version of the known ant colony algorithm. The main contribution of this work is the fit of an information sharing model used in an mobile sensor network, adapting the method for mapping tasks. Another important contribution is the collaboration between the local map integration method and the multiple robot coordination strategy based on ant colony theory. Through this collaboration it is possible to develop an approach that uses a mechanism for controlling the access to pheromones in real environments. Such mechanism is based on the integrated virtual pheromones concept. Simulation results show that the map integration method is efficient, the trials are performed considering a variable number of robots and environments with different structures. Results obtained from several experiments confirm that the integration process is effective and suitable to execute mapping during the exploration task

O mecanismo 3-RPS é um mecanismo paralelo que possui três graus de liberdade: rolagem, arfagem e elevação. Tem vantagem em relação ao custo em comparação com o manipulador Plataforma de Stewart em aplicações onde não são necessários seis graus de liberdade e, por ser um mecanismo paralelo, possui maior relação peso/capacidade de carga que robôs seriais. No presente trabalho, um estudo é realizado para a concepção de um robô do tipo 3-RPS. O estudo aborda a cinemática, a dinâmica e estratégia de controle para o robô. Um controle por torque computado é aplicado a um modelo virtual em ambiente CAD em escala 1:1 desenvolvido com o intuito de testar a estratégia de controle elaborada a partir da realização de simulações computacionais do sistema por completo. Ao todo foram realizadas sete simulações para diferentes condições de trajetórias desejadas. No Caso I executou-se primeiramente um sistema idealizado onde o erro de regime tendeu a zero para um comportamento subamortecido. Os ganhos calculados no Caso I idealizado foram aplicados então no Caso I com o modelo virtual onde verificou-se que os ganhos calculados não foram suficientes para garantir a trajetória desejada do robô. Com os ganhos aumentados em cem vezes, verificou-se que o erro de regime ficou na ordem de 0,22 mm, sendo o valor considerado aceitável. Nas simulações subsequentes, o erro de regime nos Casos II e III foram também de 0,22 mm e nos Casos IV, V, VI e VII o erro máximo de trajetória não ultrapassou os 0,22 mm estipulados. / The 3-RPS mechanism is a parallel mechanism that has three degrees of freedom: roll, pitch and heave. It has a cost advantage compared to the Stewart Platform manipulator in applications where six degrees of freedom are not required and, because it is a parallel mechanism, has a higher weight / load ratio than serial robots. In the present work, a study is carried out for the design of a 3-RPS robot. The study addresses the kinematics, dynamics and control strategy for the robot. A computed torque control is applied to a 1:1 scale virtual CAD model developed with the purpose of testing the control strategy elaborated from the computational simulations of the entire system. Seven simulations were performed for different conditions of desired trajectories. In Case I, an idealized system was first run where the regime error tended to zero for an underdamped behavior. The calculated gains in Case I idealized were then applied in Case I with the virtual model where it was verified that the calculated gains were not enough to guarantee the desired trajectory of the robot. With gains increased by one hundred times, it was found that the regime error was 0.22 mm, and the value was considered acceptable. In the subsequent simulations, the regime error in Cases II and III were also 0.22 mm and in Cases IV, V, VI and VII the maximum error of trajectory did not exceed the stipulated 0.22 mm.

Este trabalho aborda o desenvolvimento de uma metodologia para a da determinação de parâmetros de projeto de uma classe de robôs industriais hidráulicos com atuadores lineares diretamente acoplados aos elos. Um robô típico desta classe pode ser dividido em três partes: a base, o braço e o punho, sendo que, no presente trabalho, é abordado o desenvolvimento do braço. São propostos métodos sistemáticos para a determinação das dimensões dos elos, dos cursos angulares das juntas, dos pontos de acoplamento dos atuadores, da estrutura principal dos elos, e para a sistematização do procedimento de especificação dos atuadores e unidades de potência hidráulica. Estes métodos dependem da predefinição por um projetista das necessidades técnicas das tarefas que o robô deve realizar, a partir dos quais os métodos então buscam a determinação dos parâmetros ótimos do braço para estas tarefas. Também é apresentada a cinemática direta, inversa, e a matriz Jacobiana, e é feito o equacionamento da dinâmica do braço em forma matricial, considerando a influência da inércia e peso dos atuadores, de modo a permitir a análise dos carregamentos e facilitar o controle. As equações propostas são verificadas com comparações com softwares comerciais e resultados disponíveis na literatura. Um programa computacional que implementa a metodologia deste trabalho foi desenvolvido e aplicado para determinar os parâmetros de dois braços propostos como estudo de casos. A metodologia se mostrou capaz de rapidamente especificar o braço adequado para cada caso, calculando as características de desempenho que deverão possuir se construídos. Estes dados podem ser aplicados para a construção de um robô hidráulico, ou para assistir o projetista a determinar se um robô hidráulico é adequado ou não para realizar as tarefas predefinidas. / This work presents the development of a methodology for the determination of the design variables of a class of hydraulic industrial robots with linear actuators directly coupled to the links. A typical robot of this class can be divided in three parts: the base, the arm and the wrist, of which the development of the arm is tackled in this work. Systematic methods are proposed for the determination of the links’ dimensions, the joints’ angular strokes, the coupling points for the actuators, the main structure of the links, and for the systematization of the procedure used to specify the actuators and pumps. These methods depend on the technical specifications, predefined by the designer, that are required for the arm to be able to perform a given set of tasks, and then seek the optimum parameters for the arm. The direct and inverse kinematics are also presented, as well as the Jacobian matrix, and the dynamics of the arm are calculated in matrix form, taking into consideration the inertia and weight of the actuators, so as to allow the analysis of the structural loads and facilitate the control. The proposed equations are verified via comparisons with commercial software and results found in the literature. A computer program that implements the methodology of this work was developed and used to determine the parameters of two proposed arms as a case study. The program was able to quickly specify the configurations for the arm of each case, and also calculate the performance characteristics the arms should possess if built. This data can be used to build a hydraulic arm, or even to help the designer to determine if a hydraulic robot is ideal or not for the given set of tasks.

Objetiva-se com este trabalho, desenvolver a modelagem matemática da dinâmica de uma transmissão mecânica do tipo fuso de esferas de um robô Gantry acionada por motorredutor de corrente alternada com inversor de frequência, considerando-se a não linearidade do atrito e da folga. Estas não linearidades dificultam o desenvolvimento de estratégias mais precisas de controle, afetando diretamente a segurança, a produtividade e a qualidade das tarefas que estes robôs desempenham, as quais estão especialmente relacionadas a aplicações industriais de alta robustez. Construiu-se o protótipo de uma junta do robô Gantry, o qual foi utilizado para fazer a aquisição de dados experimentais e posteriormente validar a modelagem proposta através de simulações computacionais. Para isso o protótipo conta com sensores de medição de deslocamentos (angulares e linear) e a utilização de um painel de comandos a partir do inversor de frequência, o qual envia os sinais de controle ao robô. O sistema de aquisição de sinais e controle é composto por uma placa dSPACE 1104 montada em microcomputador. Como resultados, tem-se a sistematização da modelagem matemática de um manipulador robótico Gantry acionado por transmissões do tipo fuso de esferas com motor elétrico de corrente alternada e inversor de frequência, a qual inclui as principais não linearidades, a proposta metodológica para identificação das não linearidades de atrito e folga, além da validação experimental do modelo que inclui as principais características de atrito em baixa velocidade. Pretende-se contribuir no desenvolvimento de modelos matemáticos eficazes para fins de projeto, de simulação e de síntese de estratégias de controle e compensação baseadas em modelo. / 109 f.

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a estratégia de controle de posição de um robô pneumático para fins de aplicações industriais, incluindo-se os resultados de testes experimentais. Tal robô foi desenvolvido no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) da Unijuí Câmpus Panambi. Atuadores pneumáticos são sistemas muito atrativos para diversas aplicações, em especial na robótica, porque eles têm a vantagem de baixo custo, leveza, durabilidade e são limpos, também possuem facilidade de manutenção, têm boa relação força/tamanho e flexibilidade de instalação, e além disso o ar comprimido está disponível na maioria das instalações industriais. Entretanto, sistemas de posicionamento pneumático possuem algumas características indesejáveis as quais limitam o uso destes em aplicações que requerem uma resposta precisa. Estas características indesejáveis são causadas pela compressibilidade do ar e pelas não linearidades presentes em sistemas pneumáticos, tais como o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da válvula e sua zona morta, além do atrito nas vedações do cilindro pneumático. Neste trabalho obtém-se um modelo matemático não linear de 10ª ordem (total) para os dois primeiros graus de liberdade do robô que tem a estrutura cinemática do tipo Gantry. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e o modelo proposto foi validado em malha aberta para a primeira junta. É implementada uma estratégia de controle clássico com compensação da não linearidade da zona morta em testes experimentais com malha fechada e planejamento da trajetória desejada senoidal e trapezoidal, sem e com a compensação da zona morta, cujos resultados ilustram as características do controlador utilizado e a importância da compensação da zona morta. Este trabalho de pesquisa contribui para o desenvolvimento e o controle de posição de robôs pneumáticos de baixo custo para aplicação industrial. / 131 f.

Nos últimos anos um novo campo dentro das pesquisas de robótica tem sido focalizado com grande interesse, que é o emprego de robôs em cirurgias minimammente invasivas, como as operações de laparoscopia. Durante a cirurgia laparoscópica, o cirurgião é guiado pelas imagens provindas pela câmera endoscópica. O cirurgião instrui o auxiliar no manejo da câmera de tal modo que ele pode ter sua própria visão dentro da cavidade abdominal do paciente. Deste modo, ele está apto a examinar a anatomia do corpo e suas patologias, e operar. Tal procedimento cirúrgico pode durar mais de duas horas. Como conseqüência, perda de resistência e fadiga podem trazer perda de estabilidade e dificuldades de mater o froco no ponto de interesse. O trabalho focaliza o emprego de um robô industrial PUMA 560 no manuseio da câmera laparoscópica em um modelo simulado de uma cavidade abdominal. Os cálculos dos movimentos e comando do robô são feitos utilizando um programa computacional desenvolvido com o uso do software MatLab 6.0. Para validar o trabalho foi construído um simulacro de cavidade abdominal e uma estrutura mecânica com a mesma medida de uma câmera laparoscópica real, para avaliar o desempenho do sistema. A cavidade abdominal simulada provê uma perspectiva real da câmera laparoscópica no espaço de trabalho e dá a oportunidade de avaliar o comportamento mecânico do ponto de entrada do laparoscópico que é um dos pontos mais críticos no controle. A meta principal deste trabalho é avaliar a viabilidade e a confiabilidade do sistema baseado em um robô industrial, através da implementação experimental.

Este trabalho objetiva a modelagem tipo concentrada para uma estrutura com um elo flexível, bem como o controle desta estrutura. Esta modelagem exibe um significado físico mais claro e é relevante por dois motivos principais: simplicidade e eficiência. Uma estratégia de controle tipo LQG é implementada, sendo apresentados resultados de simulação e experimentais, empregando o robô flexível ITA-IEMP do Departamento de Engenharia Mecânica-Aeronáutica, havendo boa concordância entre eles. Posteriormente é estudado o rastreamento de trajetórias e identificação adaptativa das não-linearidades de robôs com um elo flexível. O desenvolvimento de leis de controle ativas para robôs flexíveis constitui um problema em aberto: a principal dificuldade reside nas severas não-linearidades presentes nos atuadores robóticos e nas próprias estruturas flexíveis. é proposto neste trabalho um controlador neural para o rastreamento de sinal de um robô com um elo flexível. Por meio de uma análise do tipo Lyapunov-Like, as condições suficientes para a estabilidade do sistema de controle são determinadas. Adicionalmente, são estabelecidos limitantes para os erros de rastreamento e de identificação. O desempenho da estratégia de controle é avaliado e comparado com uma estratégia LQG via simulações, as quais foram efetuadas com o modelo não-linear obtido utilizando-se a abordagem de modelagem tipo discreta. Termos adicionais de atritos não-lineares foram incluídos na dinâmica de simulação para ilustrar a habilidade do controlador neural em compensar dinâmicas não-lineares não modeladas. Conclui-se que o desempenho da estratégia proposta é bem superior ao exibido pelo controlador LQG.

Este trabalho versa sobre o projeto e implementação de um controlador de força/torque para um manipulador robótico industrial. Uma proposta de cunho prático, considerando-se as características da planta, foi implementada no manipulador industrial Puma 560 com um sensor de força/torque de seis eixos montado em seu pulso. Considerando-se a inacessibilidade do controle de posicionamento do Puma 560 e a não modificação do projeto original do robô, foi implementada uma malha externa de controle de força/torque sobreposta à malha interna de controle de posição do controlador original. Uma das contribuições deste trabalho foi o desenvolvimento de um simulador geral de manipuladores robóticos de elos seriais rígidos, no ambiente do MATLAB/SIMULINKâ. O simulador desenvolvido, por generalidade, difere dos simuladores usuais que utilizam MATLAB/SIMULINKâ, devido sua flexibilidade advinda da possibilidade de se simular qualquer manipulador dessa categoria e da facilidade de utilização devido à interface desenvolvida para o usuário. O mesmo foi amplamente usado neste trabalho, tanto para o projeto e sintonia dos ganhos do controlador externo de força/torque, quanto para simulações. Finalizando, o trabalho objetiva contribuir no esclarecimento de uma metodologia para aplicação destes controladores em manipuladores em contato com o "ambiente".

Este trabalho objetiva a implementação de um sistema de rastreamento de alvo para aplicações em robótica móvel, utilizando como sensor principal uma câmera tipo Charge-Coupled Device (CCD). Uma abordagem adaptativa é utilizada para compensar as variações de iluminação no ambiente. Esta adaptação: 1) usa o método de retroprojeção de histogramas para rastreamento do alvo; 2) gera uma distribuição de probabilidade gaussiana que representa o histograma de cores do alvo; 3) atualiza em tempo real os parâmetros (média e covariância) do histograma. Como contribuição deste trabalho, propõe-se a determinação do nível de filtragem do ruído, adaptando-se ao modelo do alvo a cada imagem capturada. Este procedimento foi incorporado à determinação dos pixels com intensidades de cores mais próximas das do alvo. Uma vez que a determinação da posição relativa entre o robô e o alvo depende de imagens ruidosas, um procedimento de estimação, denominada sistema grey, é empregado para suavizar o controle. Efetivamente, o que esta abordagem faz é estimar a dinâmica relativa entre o robô e o alvo, no que se refere a distância e orientação. Para reduzir o erro de distância entre o robô e o alvo, fez-se uso de um controlador fuzzy com duas entradas e uma saída, para controle de velocidade linear e angular. Este controlador é denominado de fuzzy look-ahead, uma vez que recebe como entrada as predições dos erros de posição. O sistema de rastreamento de alvo móvel foi implementado em simulação, utilizando o Matlab 6.1, obtendo-se bons resultados com imagens e trajetórias simuladas. Para os experimentos em tempo real, foram desenvolvidas bibliotecas gráficas em C++Builder 5.0, onde imagens capturadas pelo robô móvel Magellan-ISR são transferidas pela rede via TCP/IP para um Personal Computer (PC) remoto. Após a verificação da robustez dos módulos de detecção do alvo através do sistema de visão, da estimação/predição da posição do alvo e do controlador fuzzy, fez-se a integração dos mesmos para aplicação em tempo real. Esta integração foi implantada no computador de bordo do robô móvel Magellan-ISR. Dos resultados obtidos, a robustez do sistema pode ser verificada em diversos ambientes e sob diferentes condições.

Nesta tese é apresentado um Filtro de Partículas Aperfeiçoado para o rastreamento de postura de robôs móveis utilizando odometria e leituras ambientais laser. O método consiste em realizar um predição da postura do robô utilizando o modelo cinemático (odométrico) para, com a postura predita, eliminar o clutter utilizando-se de janelas de validação. Com a Range-Weighted Hough Transform associada a um método de mínimos quadrados, obtêm-se, então, os parâmetros do modelo de observações que,subsequentemente, serão utilizados para atualizar a postura predita. As observações são assimiladas pelo algoritmo de estimação de postura que utiliza um método de amostragem por importância com reamostragem (ISIR) ou filtro de Partículas. O filtro proposto utiliza uma função de importância localmente otimizada e reamostragem de mínima variância para combater a degeneração de partículas, e um passo de movimento MCMC para restaurar a diversidade amostral perdida depois da reamostragem. Os resultados experimentais foram obtidos utilizando-se dados simulados e reais. O desempenho do filtro foi comparado com o filtro Bootstrap e filtro Estendido de Kalman. Para os dados simulados, as curvas de erro quadrático médio foram comparadas ao Limite Inferior de Cramér-Rao Posterior (PCRLB). Para os dados reais um erro médio temporal, baseado em uma trajetória de referência, foi estimado. Adicionalmente, também foram medidos os respectivos tempos de processamento dos algoritmos com diferentes números de partículas. Os resultados mostram que o filtro proposto obteve melhores desempenhos que os filtros Bootstrap e Estendido de Kalman. Mais ainda, devido ao seu bom desempenho com número reduzido de partículas, o filtro de Partículas Aperfeiçoado apresentou um tempo de processamento que possibilita implementação prática em cenários realísticos.