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.

A exploração autônoma de ambientes desconhecidos necessita da construção incremental e consistente de um modelo do local explorado para que o robô possa estimar com sucesso sua localização ao longo do trajeto executado. Este problema é conhecido como localização e mapeamento simultâneo (SLAM), sendo de fundamental importância para o estudo de robôs móveis autônomos. Este trabalho apresenta o resultado do desenvolvimento de um algoritmo para localização e mapeamento simultâneo baseado no algoritmo Iterative Closest Point (ICP). Como ferramenta de desenvolvimento e pesquisa um novo framework voltado a aplicações robóticas chamado Microsoft Robotics Developer Studio foi utilizado. A solução proposta utiliza o ICP para gerar uma estimativa inicial de deslocamento que é avaliada utilizando-se um índice de qualidade em que a varredura da leitura atual do scanner laser é sobreposta a um mapa previamente construído a partir de leituras anteriores do sensor laser. Se o índice for pior que um limite previamente definido, são geradas mais quatro estimativas de deslocamento nas proximidades da estimativa inicial. A que apresentar o melhor valor para o índice de desempenho é utilizada como estimativa final para o deslocamento. Para verificação da efetividade da solução proposta, foram utilizados cinco ambientes simulados diferentes no qual foram avaliados o ICP e a solução proposta. Os resultados das simulações indicam que a solução proposta obtém um desempenho sensivelmente superior ao ICP nos casos em que o ambiente apresenta quinas e saliências pois estas diminuem os efeitos danosos causados pela ambiguidade na estimativa de deslocamento. Destaca-se também a utilização do teste de hipótese pelo método Kolmogorov-Smirnov para duas amostras (KS) para verificação de semelhança e relevância das correções efetuadas pelos algoritmos em teste.

O mercado aeronáutico tem se tornado cada vez mais competitivo. Este cenário tem pressionado as fabricantes de aeronaves a buscarem soluções inovadoras para aumentar a eficácia de seus processos de fabricação. Neste contexto surgiu o projeto AME (Automação da Montagem Estrutural de aeronaves), uma parceria entre o ITA e a EMBRAER para pesquisa e desenvolvimento de soluções economicamente viáveis para automação do processo de junção de fuselagens aeronáuticas. Um produto deste projeto é o EFIP (Efetuador de Furação e Inserção de Prendedores). Este efetuador robótico é utilizado para automatizar os processos de furação e instalação de prendedores. Neste contexto esta dissertação propõe uma solução para a arquitetura de software de controle para o efetuador multifuncional EFIP. Para seleção da arquitetura de controle do efetuador foram avaliadas três abordagens com características para implementação de aplicativos baseados em eventos discretos. Duas destas abordagens são específicas para controlar sistemas a eventos discretos: o state diagram e o statechart. Ambas apresentaram limitações. A primeira por ser mais adequada para sistemas de baixa complexidade e a segunda devido ao processo de conversão do statechart para linguagem LabviewTM. A terceira abordagem avaliada foi a arquitetura produtor-consumidor. Apesar de também apresentar limitações referentes à sua aplicação foi a arquitetura selecionada. Esta arquitetura possui um código aberto que permitiu ser customizado para atender aos requisitos do software de controle do EFIP. Para verificação da arquitetura selecionada foram utilizadas duas técnicas: A primeira faz verificação formal utilizando autômatos temporizados e a ferramenta UPPAAL. A segunda verifica o software desenvolvido por meio da aplicação de testes utilizando a metodologia COFI. As técnicas de verificação apresentaram contribuições importantes e complementares.

Este trabalho apresenta um procedimento automatizado para calibração de sistemas de visão robótica baseado no cálculo on-line da matriz de transformação homogênea entre o sistema coordenado do plano de imagem, na câmera, e a área de trabalho do robô. A principal contribuição deste trabalho, está no fato desta matriz de transformação estar expressa em função dos ângulos de junto do robô. Como conseqüência, o procedimento de calibração necessita apenas de dois pontos, que devem ser ensinados ao robô. Após a execução do procedimento de calibração, os pontos capturados pelo sistema de visão são então automaticamente convertidos para o sistema coordenado do robô, através de uma matriz de transformação homogênea. O procedimento de calibração foi intensivamente testado utilizando um sistema de visão comercial e um robô industrial tipo SCARA e apresentou bons resultados.

Este trabalho trata da modelagem, identificação e controle de estruturas flexíveis. A fim de estudar estes assuntos, a modelagem simbólica de manipuladores robóticos com elos flexíveis foi desenvolvida e dois experimentos foram montados e usados para o estudo do comportamento dinâmico deste tipo de estrutura. Os resultados experimentais obtidos foram comparados com os analíticos para a identificação dos modos de vibrar da estrutura. O primeiro experimento consistiu de um manipulador robótico flexível composto por uma viga de alumínio ligada a um cubo acionado por um motor DC. A dinâmica da viga foi caracterizada utilizando-se quatro tipos distintos de sensores: um acelerômetro piezoelétrico, um extensômetro, um tacômetro e um potenciômetro que fornece a posição angular da viga. O manipulador foi modelado com a aplicação do princípio estendido de Hamilton ao Lagrangiano do sistema. Devido a complexidade das equações obtidas, o sistema foi discretizado usando o Método dos Modos Assumidos e levando-se em consideração os três primeiros modos de vibrar da viga. Dois tipos de abordagens foram consideradas na discretização das equações: o modo vinculado e o modo desvinculado. Resultados experimentais, mostraram que o modelo analítico utilizando o modo desvinculado forneceu uma melhor aproximação do modelo experimental. O segundo experimento consistiu de uma estrutura multicorpos com apêndices flexíveis ligados a um cubo e também excitada por um motor DC sem escovas. A modelagem adotada também foi a formulação de Lagrange. Dois compressores (proporcional e proporcional/integral/derivativo) foram implementados em tempo real para fazer o controle da posição angular da estrutura. A técnica de controle LQG/LTR que é adequada a este tipo de sistema devido as incertezas provenientes da discretização do modelo, também foi estudada e resultados simulacionais são apresentados.

This research results from a cooperation program between research institutes of Brazil (ITA - São José dos Campos) and Germany (DLR - Oberpfaffenhofen). The global goal consists of three tasks: 1st) Analysisng the dynamics of elastic manipulators with emphasis for space applications. 2nd) Designing new adaptive control schemes for improving the manipulator performance. 3rd) Imprinting flight behaviour of space manipulators on ground using testbeds and simulation tools. Space manipulators, such as the European Robotic Arm (ERA), are light weight structures with elasticity in arms and joints, and with payload mass varying in a large range. DLR in Germany has set up a testbed, the Servicing Test Facility (STF), with a gravity-compatible replica of the ERA with counterbalancing weights. A 1:5 scaled prototype is ready and is called STF-P. These manipulators are modelled and simulated for testing new adaptive control schemes that have been developed for efficient reduction of settling time in space operation. The control design law supposes knowledge of damping (identified), mass moment of inertia (known) and the lowest eigenfrequencies, that depend also on the relative angle between upper and lower arms (links). Simplified models with exact solutions and more complex models with approximated solutions are discussed and compared for estimating these lowest eigenfrequencies with good agreement with experimental results (own and published by others). The controller has a feedforward part, that aims to make the arm to follow a given trajectory and a complementary feedback part actuates correcting the perturbations. The cases of a PI conroller for a motor velocity feedback enclosed by a P controller for load position feedback and PID controller for load position feedback only are specially studied. The design criterion is maximal distance between the imaginary axis of the system's root locus and the closest pole to it, but conceptions of relative stability are included. The poles are not strictly allocated, but their relative positions to each other are determined looking for fast step response with minimal overshoot. Numerical simulations and experiments with the STF-P and systems at the laboratories of ITA and INPE validate the results.

O presente trabalho apresenta um compensador neural ao controle por torque computado do robô ITA-IEMP. A compensação implementada consiste na correção do modelo dinâmico deste robô, usado no controlador por torque computado. Para isto foram utilizadas redes neurais para alterar o sinal de erro de posição injetado no controlador por torque computado, de tal forma que para cada sinal de erro de posição existe uma rede neural associada alterando este sinal. A implementação computacional realizada foi em linguagem de comandos do MATLAB, com execução deste programa de dentro do próprio ambiente MATLAB para WINDOWS 95.

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.

Este trabalho descreve o desenvolvimento e a aplicacao de umambiente computacional grafico, interativo e integrado, baseado nosistema CATIA, para o projeto e a simulacao de movimentos dos robosmanipuladores de cadeia aberta. A implementacao da metodologia deprojeto no sistema e ilustrada atraves do projeto de um robo SCARApara montagem automatica de componentes. Como o sistema CATIA naorealiza calculos da dinamica de robos manipuladores, algumas rotinasforam programadas e incorporadas ao sistema para permitir umambiente totalmente integrado de projeto.

Este trabalho apresenta uma solução para o problema de coordenação dos atuadores das pernas de robôs móveis levando em consideração múltiplos critérios. É assumido que a posição no tempo de cada atuador é descrita por uma função periódica a ser determinada iterativamente por um algoritmo de aprendizado por reforço. As pernas similares do robô são identificadas e agrupadas visando diminuir o número de funções que precisam ser determinadas. O desempenho do robô simulado é medido considerando: a) as velocidades de translação frontal e de rotação, b) a suavidade na locomoção do robô e c) o máximo torque e o consumo de energia dos atuadores. Também é investigada a utilização da transferência de conhecimento no intuito de agilizar o aprendizado em duas situações específicas: na acomodação a uma falha ocorrida e no aprendizado por partes, onde os critérios desejados para o modo de caminhar são inseridos gradativamente no aprendizado. As funções determinadas no ambiente de simulação pelo algoritmo de reforço são, então, usadas nos atuadores do robô real construído usando o kit de robótica educacional Bioloid Comprehensive Kit. O desempenho do robô real é, então, medido e comparado com o desempenho do robô simulado. Este trabalho apresenta quatro estudos de caso: um robô quadrúpede, um quadrúpede híbrido (com rodas livres acopladas aos pés), um trípode e um robô bípede. As soluções obtidas pela aplicação do método proposto são apresentadas e se mostram satisfatórias.