El desarrollo de varias tecnologías ha permitido que hoy en día los exoesqueletos robóticos sean una realidad, siendo actualmente usados en distintas áreas de trabajo; sin embargo, éstos aún presentan ciertas limitaciones, como por ejemplo, restringir el desplazamiento del usuario si éstos están fijos a soportes. Por otro lado, el tipo de trabajo que realiza el trabajador de construcción civil, como la carga y transporte de elementos de construcción, lo pone en una situación de predisposición a sufrir lesiones como fracturas, esguinces y diversos trastornos músculo-esqueléticos. El presente proyecto consiste en el diseño de un exoesqueleto de miembro superior que alivie el esfuerzo en el transporte de carga y disminuya los riesgos a la salud de los trabajadores de construcción civil. Se presenta una solución de un exoesqueleto pasivo que utiliza el mecanismo kickstart ratchet –mecanismo que permite el movimiento rotacional en tan sólo un sentido y que utiliza los dientes de engrane en las caras planas de los discos en contacto para distribuir el torque entre todos los dientes de la pieza-, para poder soportar la carga aplicada por largos períodos de tiempo sin la necesidad de un suministro eléctrico permanente. Este diseño es ergonómico y permite un uso continuo y prolongado, es seguro para el usuario, compacto y fácil de transportar, es autónomo y no limita del desplazamiento del usuario. Así mismo, previene lesiones musculo-esqueléticas a través de la corrección de la postura del usuario, distribuyendo la carga uniformemente en la posición óptima. Además, resulta en una alternativa más económica que el costo que implica una lesión músculo-esquelética debido a las horas-hombre perdidas, gasto en medicamentos, tiempo invertido en fisioterapia, hasta inclusive posibles demandas a la empresa responsable. Finalmente, se espera que gracias al uso del exoesqueleto robótico, el trabajador de construcción civil pueda aumentar su eficiencia laboral al ser capaz de cargar y transportar un mayor número de elementos en un mismo período de tiempo que si no contara con el exoesqueleto, puesto que presentaría menos cansancio. / Tesis

El siguiente tema de tesis corresponde al modelado cinemático y dinámico de un manipulador de 5 grados de libertad articulado verticalmente desarrollado en el Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura CETAM de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Esta tesis forma parte de un proyecto multidisciplinario para el diseño, fabricación y puesta en funcionamiento de un manipulador con las características ya mencionadas. El modelado cinemático consta del desarrollo de la cinemática directa y la cinemática inversa. La cinemática inversa permitirá conocer las coordenadas de cualquier punto del manipulador en función de los ángulos generados en las articulaciones, mientras que la cinemática inversa permitirá conocer los ángulos de los actuadores en funciona de alguna posición espacial. La cinemática directa utiliza matrices de transformación homogéneas, que relacionan una serie de sistemas coordenados colocados estratégicamente a lo largo del manipulador. La cinemática inversa por otro lado, utiliza un método geométrico para su resolución. La dinámica del manipulador también consta del desarrollo de una dinámica directa y una inversa Para el desarrollo de la dinámica directa se utiliza la formulación de Walker-Orin para obtener las aceleraciones, velocidades y posiciones en función de los torques en los actuadores. En la dinámica inversa por otro lado, se utiliza la formulación de Newton-Euler con una ligera variación desarrollada por Luh, Walker y Paul, para determinar los torques en los actuadores en función de las posiciones, velocidades y aceleraciones. Esta serie ecuaciones dinámicas son manejadas mediante un algoritmo soportado en Matlab, que permite la iteración de las diferentes variables de una manera práctica, rápida y precisa. / Tesis

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Os objetivos específicos propostos na pesquisa foram: conhecer as concepções construídas pelos alunos do 9o ano sobre a disciplina de Ciências trabalhada ao longo do Ensino Fundamental; identificar os conhecimentos prévios dos alunos sobre os conceitos da Física abordados na intervenção; planejar e efetivar uma intervenção pedagógica na disciplina de Ciências, no nono ano do Ensino Fundamental, para desenvolver, com os alunos, conceitos da Física por meio de atividades apoiadas na Robótica Educacional; e analisar se a intervenção pedagógica, mediada pela Robótica Educacional, contribuiu para o aprendizado dos alunos. Para o alcance dos objetivos, a Robótica foi utilizada como estratégia didática para o ensino da Física, sendo que nas atividades propostas buscou-se aplicar os princípios das Metodologias Ativas e os pressupostos das práticas investigativas. A pesquisa é de natureza qualitativa. Para levantamento dos dados, foram utilizadas anotações do pesquisador, questionários, fotos, filmagens e relatórios elaborados pelos alunos. Os dados apontaram que: a) a maioria dos alunos tem afinidade com a disciplina de Ciências e percebe sua importância para sua formação, mas menciona que as aulas poderiam ser mais atrativas e dinâmicas.; b) muitos estudantes tinham um entendimento razoável dos tópicos abordados, mas não conseguiam realizar algumas correlações dos conceitos com situações do seu cotidiano; c) as atividades de Robótica proporcionaram um processo de colaboração, construção e investigação.; d) foi possível verificar a evolução das concepções dos alunos sobre os conceitos de posição, referencial, movimento e velocidade, após a participação nas atividades com a Robótica. / This dissertation approaches the use of Educational Robotics as a didactic resource for the introduction of the concepts of physics in the context of Science classes. The problem investigated was how Educational Robotics can contribute to introduce concepts of physics in the ninth grade of Elementary School in a public school. The scenario of this study occurred in a school of the municipal public network of the municipality of Lajeado, Rio Grande do Sul, having as participants twenty students 9th year of Elementary School. The specific objectives proposed in the research were: to know the conceptions constructed by the students of the 9th year on the discipline of Sciences worked throughout the Elementary School; identify the previous knowledge that students have about the basic concepts of physics that would be addressed in the intervention; to plan and carry out a pedagogical intervention in the discipline of science in the ninth year of elementary education to develop with students concepts of physics through activities supported in educational robotics and to analyze if the pedagogical intervention mediated by educational robotics contributed to the learning from the students. In order to reach the objectives, Robotics was used as a didactic strategy for the teaching of Physics, and in the proposed activities we sought to apply the principles of Active Methodologies and the assumptions of research practices. The research is qualitative in nature. For data collection, researchers' annotations, questionnaires, photos, filming and reports were used by the students. The data indicated that: a) most students have an affinity with the science discipline and perceive its importance for their training, but mention that the classes could be more attractive and dynamic. b) many students had a reasonable understanding of the topics covered but could not make some correlations of the concepts with situations of their daily life; c) robotics activities provided a process of collaboration, construction and research; d) it was possible to verify the evolution of students' conceptions about the concepts of position, referential, movement and speed after participation in activities with Robotics.

Os servoatuadores pneumáticos são relativamente baratos, leves, não poluentes e de fácil montagem e operação. Eles também apresentam uma relação força/peso que os torna bastante atraentes para aplicações em robótica. Entretanto, as grandes não-linearidades presentes nos sistemas pneumáticos e a dificuldade de obter modelos acurados têm impossibilitado a sua aplicação prática em problemas de controle preciso de posição. As deficiências dos controladores tradicionais quando ap licados a um servoatuador pneumático foram examinadas. Elas consistem principalmente na dificuldade do ajuste dos ganhos, na falta de robustez a variações da carga e em uma grande sensibilidade aos efeitos do atrito. O principal objetivo desta tese é verificar a possibil idade de superar estas dificuldades através do projeto adequado de algoritmos não-lineares de controle.Para tanto, desenvolveu-se inicialmente um modelo não-linear para um servoatuador pneumático com atrito. Neste modelo, as relações não-lineares da vazão mássica na servoválvula com as pressões e com a tensão de controle são modeladas através de um equacionamento empírico baseado na fó rmula de passagem de fluidos cornpressíveis em orifícios. O atrito foi equacionado com base em um modelo recente (denominado Lugre), cuja estrutura, além de levar em conta os principais comportamentos macroscópicos não lineares do atrito, é adequada para uso em esquemas robustos de observação e compensação em tempo real. Com base na modelagem desenvolvida, e a partir de uma di scussão das dificuldades de controle dos sistemas pneumáticos de posicionamento, propõe-se uma estratégia de controle em cascata com compensação do atrito para superar diversas dificuldades dinâmicas estruturais destes sistemas de posicionamento. Esta estratégia em cascata, sem a compensação do atrito, foi aplicada com êxito por outros pesquisadores em robôs elétricos e no controle de atuadores hidráulicos. Tal estratégia consiste em dividir o sistema completo em dois subsistemas - um subsistema mecânico e um pneumático. São apresentadas as propriedades de estabilidade decorrentes dessa estratégia e a sua comprovação através de simulações e de resultados experimentais. / Pneumatic actuators are relatively simple to operate, cheap, clean, lightweight, and easy assembling devices. They also present a force/weight ratio that makes them quite attractive for applications in robotics. However, in precise position contrai systems applications, the nonlinearities of the pneumatic systems and the difficulties of obtaining precise pneumatic models have been hindering the practical use of these systems. lt has been verified that the standard controllers deficiencies, when applied to a servopneumatic drive, consist of gains tuning difficulties, robustness lack under payload variations and great sensibility to the friction effects. The main objective of this thesis is to verify whether it is possible to overcome these difficulties through feedback contrai with the appropriate synthesis o f nonlinear contrai algorithms. In arder to accomplish this task, we initially developed a nonlinear accurate model of a pneumatic servo drive with friction. To deal with the nonlinear airflow relationship between the pneumatic valve's driving voltage and the upstream/downstream pressures, an empírical model based on the flow nozzle formula is developed. A suitable model structure for friction (the so called Lugre model) is used as basis for the friction forces identification. This friction model takes into account the major known macroscopic friction nonlinear behavior, and its structure is suitable to be used in model based robust on-line friction observation and compensation schemes. Using the appropriate system model and the available knowledge on pneumatic servodrives contrai problems, we propose a cascade contrai strategy to overcome the severa! structural dynamics problems of the pneumatic system, including the friction effects. Other researchers have successfully used this cascade strategy, without friction compensation, in electrical robots and in hydraulic actuators contrai. Such strategy consists in dividing the whole model into two subsystems - a mechanical subsystem and a pneumatic one. We present the cascade control stability properties with friction compensation and its confirmation through simulation and experimental results.

Ingeniero Civil Electricista / En esta memoria de título se desarrolla una metodología que permite realizar la estimación del estado cinemático de múltiples robots utilizando información de variados sensores y cooperación entre robots compañeros. Para que ello sea posible, se crea un sistema capaz de detectar robots en un ambiente dinámico y estimar su posición relativa. Además, se genera un sistema externo de detección y seguimiento de robots que permite evaluar las metodologías propuestas debido a su alta precisión. Esta memoria apunta a una mejora importante de la estimación del entorno utilizando información de otros agentes, fundamentalmente debido a la ampliación de la porción observable del entorno. El primer tema abordado es la detección y la estimación de la posición de robots detectados. La información proveniente de una cámara se procesa en cada robot para generar detecciones de los objetos de interés. Además, se integran mediciones de sensores ultrasónicos para utilizar múltiples fuentes de información. Luego, se presenta una metodología de estimación de la posición relativa de objetos donde se utiliza la información proveniente de las percepciones propias y estimaciones realizadas por otros robots. Esta metodología utiliza como herramienta un algoritmo Bayesiano recursivo llamado Filtro de Kalman. Además, se soluciona el calce entre una nueva percepción recibida y un estimador, cuando se poseen objetos idénticos. En la siguiente etapa, se crea un sistema que permite generar datos precisos acerca del estado real del entorno utilizando un sensor láser y un computador externo. De esta manera, se generan datos que permiten validar la metodología propuesta para la estimación cooperativa. El correcto funcionamiento del sistema está sujeto al marco de trabajo actual, donde se poseen robots con un sistema visual ruidoso y con un campo visual limitado. Además, los robots poseen una baja capacidad de cómputo que no permite implementar algoritmos con alto consumo de recursos computacionales. Asimismo, se supone que los objetos se mueven sobre un plano geométrico y que el ruido existente se puede aproximar por una función de densidad de probabilidad Gaussiana. Los resultados indican que el perceptor visual de robots utilizando estimadores geométricos de distancia posee un error de estimación media de $14[cm]$. De igual manera, el sistema de generación de datos de validación entrega datos de muy bajo error y desviación estándar, por lo que permite evaluar las metodologías propuestas. Los resultados del método de estimación cinemática indican una mejora de la estimación al integrar múltiples fuentes de información. Se logra realizar dos publicaciones a nivel internacional, una publicación aceptada en la conferencia RoboCup 2011 y otra en proceso de revisión en una de las conferencias más importante de robótica a nivel mundial IROS 2011. Como trabajo futuro se propone generalizar el perceptor visual para situaciones más complejas donde se pueda detectar la orientación de los objetos. Además, se propone perfeccionar el sistema de generación de datos de validación para lograr una evaluación aun más confiable. Por último, se propone estimar y considerar la velocidad de los objetos para completar y mejorar la estimación del estado cinemático.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2016

Fechamento de loops é um dos principais processos das estratégias de SLAM baseadas em grafos, usadas para estimar o erro de deslocamento acumulado à ser minimizado pela técnica. Neste sentido, boas correspondências de cenas permitem criar uma conexão entre dois nós do grafo que está sendo construído para representar o ambiente. Contudo, falsas correspondências podem levar essas estratégias a um estado irreversível de falsa representação do ambiente. Neste trabalho, um método robusto baseado em features que usa sequências de imagens para reconhecer áreas revisitadas é apresentado. Este método usa a abordagem de Bag-of-Words para reduzir efeitos de iluminação e uma ponderação TF-IDF para ressaltar as principais features que descrevem cada cena. Além disso, um algoritmo baseado na técnica de Mean Shift é usado sobre uma matriz de similaridade para identificar a possível trajetória seguida pelo robô e melhorar a detecção de fechamento de loop. O método apresentado foi testado em um ambiente aberto usando sequências de imagens coletadas com usando uma câmera de mão e um drone modelo Parrot ArDrone 2.0. / Loop closure recognition is one of the main processes of graph-based SLAM strategies, used to estimate the accumulated motion error to be minimized by the technique. Good scene correspondences allow to create constraints between two nodes in the graph that is currently being built to represent the environment that the robot is immersed. However, false correspondences can lead these strategies to an irreversible wrong environment representation. In this work, we present a robust feature-based loop closure approach that uses image sequence matching to recognize revisited areas. This approach uses Bag-of- Words to reduce the effects of lightning changes and a TF-IDF weighting to enhance the main features that describe each scene. Besides, an algorithm based on Mean Shift is used over a similarity matrix to identify the possible trajectory followed by the robot and improve the loop closure detection. Our method is tested in a GPS-denied outdoor environment using image sequences collected using a handheld camera and a Parrot ArDrone 2.0.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Páginas numeradas: I-XV, 17-217 / Tese de mestrado. Automação, Instrumentação e Controlo. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010