O problema de estabilização de robôs móveis na posição e orientação desejadas é abordado neste trabalho. Inicialmente são apresentados os modelos cinemático e dinâmico de robôs móveis com rodas e mostra-se que são possíveis apenas cinco classes de modelos. A seguir, são propostas duas estratégias de controle. Uma baseada na linearização por realimentação do modelo do robô e outra baseada em uma transformação não contínua de coordenadas. A aplicabilidade destas estratégias de controle, para cada uma das cinco classes de robôs móveis, é discutida. Mostra-se que a linearização por realimentação de estados permite o controle da posição e orientação de apenas uma das classes de robôs móveis. Utilizando-se esta estratégia, duas outers classes podem ter apenas a posição controlada. Para as demais classes esta estratégia é preticamente inútil. A estratégia utilizando transformação descontínua de coordenadas, por outro lado, permite o controle de robôs pertencentes a todas as classes. Como os parâmetros do modelo dinâmico do robô podem ser variantes do tempo, desenvolve-se versões adaptativas dos controladores propostos. Em particular, o controlador com backstepping adaptativo permite que a prova de estabilidade em malha fechada, isto é considerando o processo, o controle e a adaptação, seja feita em conjunto. Para permitir a implementação dos controladores propostos, são apresentadas técnicas de estimação de posição e orientação através da fusão de dados obtidos a partir de encoders incrementais, visão computacional e bússola digital. A validação dos métodos desenvolvidos é realizada através de simulações e da implementação de dois protótipos.

Neste trabalho uma metodologia é proposta para a implementação de um ambiente computacional para detecção e diagnose de falhas (DDF) em sensores de manipuladores robóticos. Esse ambiente computacional é formado por um subsistem de simulação de manipuladores robóticos e por um subsistema de detecção e diagnose de falhas. O subsistema de simulação de manipuladores robóticos é composto por blocos básicos de simulação e controle de manipuladores robóticos, como o bloco da planta do manipulador que se deseja simular, o bloco do sistema de controle composto por controladores do tipo PID e torque computado (que podem ser selecionados e configurados pelo usuário), o bloco do planejador de tarefas e o bloco de sensores. O subsitema de detecção e diagnose de falhas usa um método de redundância de sensores baseado na integração dos valores medidos combinado com as equações estáticas do manipulador robótico. Um sistema especialista é usado como apoio ao subsistema de detecção e diagnose de falhas, onde são implementadas regras para melhorar a capacidade de diagnóstico e produzir uma possível compensação de falhas. Um exemplo aplicativo ilustra a metodologia proposta, o qual pode ser facilmente implementada e possui baixo custo de equipamento, pois utiliza sensores comuns disponíveis em muitos manipuladores robóticos. Entretanto, este método pode exigir um esforço computacional significante e indesejado, principalmente com a utilização de manipuladores robóticos com vários graus de liberdade. Porém, caso o esforço computacional seja considerado grande em determinadas aplicações, pode-se fazer uso de controladores e processadores dedicados (por exemplo, DSPs), rápidos e de baixo custo (atualmente muito comuns no mercado).

Neste trabalho é considerado o problema do controle cinemático e dinâmico de robôs móveis com acionamento diferencial. O modelo cinemático é descrito em coordenadas retangulares e é adotado o modelo dinâmico proposto por Yamamoto. Duas abordagens são consideradas: a primeira utiliza o controle cinemático, e a segunda combina o controlador cinemático com um controlador dinâmico.No primeiro caso, é proposta uma lei de controle cinemática, deduzida a prova de estabilidade e avaliado seu desempenho em tempo real, comparando-o com o controlador cinemático proposto por Kanayama. Na implementação das leis de controle cinemáticas em tempo real foi utilizado o robô móvel Magellan-ISR, investigando-se os problemas de rastreamento de trajetória e estabilização em um ponto.No caso do controlador dinâmico são propostas três estratégias de controle: Rede Neural Artificial (RNA), Rede Wavelet com Bias (RWB) e RWB com adaptação estrutural. Nenhuma das estratégias requer treinamento prévio e os pesos e bias são atualizados on-line. As leis de adaptação são obtidas através da análise de estabilidade baseada no método de Lyapunov. As estratégias que utilizam uma RNA e RWB necessitam do ajuste prévio do número de neurônios ou wavelons da camada escondida. No caso da RWB com adaptação estrutural, esta restrição é eliminada através de um algoritmo de ajuste da estrutura da rede. São apresentados e discutidos resultados de simulações realistas, utilizando o controle neural e wavelet, para os casos de rastreamento e estabilização em um ponto, considerando os parâmetros do robô Magellan-ISR. É também efetuada comparação de desempenho no caso dos controladores cinemáticos, via simulações.

Soluções que se utilizem de filtros de partículas como método de estimação de parâmetros de sistemas dinâmicos analisam, em geral, uma população de amostras com o mesmo tamanho em todas as etapas do algoritmo. Porém, a manutenção de um mesmo número de partículas, independentemente do nível de certeza que se possui acerca do Sistema, pode contribuir para o alto processamento exigido para a implementação de algumas técnicas que se utilizem de Métodos Sequencias de Monte Carlo. A presente dissertação visa propor uma metodologia para o ajuste da população de partículas analisadas por um filtro de partículas. Para tanto, utiliza-se o Limite Inferior de Cramér Rao como medida do nível de certeza das estimativas, ajustando assim o tamanho da população a ser analisada de acordo com uma heurística simples. Para a prova de conceito da metodologia apresentada é utilizado o problema SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), da robótica móvel. Trata-se da construção do mapa de um ambiente desconhecido concomitantemente com a localização do agente localizador na representação do ambiente criada. Mais especificamente, será utilizado o algoritmo mais recente da solução DP SLAM (Distributed Particle SLAM) - executada para a análise de um log de dados disponibilizado pela comunidade científica - para a elaboração de um algoritmo modificado que ajuste o número de partículas analisadas de acordo com o nível de certeza das estimativas realizadas. Pela natureza recursiva inerente ao problema considerado será utilizada uma metodologia também recursiva para o cálculo do Limite Inferior de Cramér Rao a posteriori, o qual fornece uma "medida" do máximo de informação que pode ser extraído de um sistema dinâmico quando os dados e os estados são considerados aleatórios, tendo em mente a análise de performance por uma perspectiva Bayesiana.

A verificação de software é uma etapa essencial do ciclo de desenvolvimento de sistemas de automação industrial. O objetivo da verificação é a identificação de defeitos ainda na fase de projeto, tendo em vista que o custo de correção na fase final de desenvolvimento ou após a implementação do sistema é significativamente mais elevado do que nas fases iniciais do projeto. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo propor uma abordagem para verificação de sistemas de automação que combina duas técnicas de verificação distintas: model checking e model based testing. Para análise da proposta, a abordagem é aplicada ao projeto do programa supervisório de uma célula robótica. A célula robótica utilizada como estudo de caso foi desenvolvida no Centro de Competência em Manufatura (CCM) com o objetivo de automatizar o processo de acondicionamento de tampas de alumínio para transporte. Em particular, o programa supervisório desta célula foi desenvolvido em LabVIEW. Os resultados obtidos com o estudo de caso indicam que a abordagem proposta contribui para a robustez do sistema. Além, o estudo de caso permitiu identificar pontos para melhoria e detalhamento na abordagem proposta

O sistema de controle é um componente essencial no ciclo de desenvolvimento de sistemas de automação industrial, sendo a verificação do programa uma etapa essencial. A detecção de erros ainda na fase de projeto é muito importante, pois o custo de correção na fase final de desenvolvimento ou após a implementação do sistema é significativamente mais elevado do que nas fases iniciais do projeto. As células de Manufatura atuais são constituídas de dispositivos mecatrônicos de toda ordem como robôs e sistemas de movimentação controlados por um sistema de controle, usualmente controladores lógicos programáveis (CLP). A maioria das empresas depende de mais de um fornecedor para desenvolvimento de seus projetos e a concepção de uma célula de produção. A falta de todos os componentes restringe os testes do sistema de controle para a etapa final do projeto. Os testes para verificação e a validação de uma célula é o comissionamento, é nessa fase onde é feito os últimos ajustes do programa de controle da sequência. Uma alternativa para a validação do sistema de controle é o comissionamento virtual, onde é possível desenvolver e testar o programa responsável pelo controle de linhas na fase do planejamento, e assim diminuir o tempo de execução do projeto. O comissionamento virtual exige a integração de diferentes tecnologias, a exemplo da programação de CLP (Controlador Lógico Programável), comunicação de dispositivos com o protocolo OPC (OLE for Process Control), a simulação de uma linha de produção, além do projeto de dispositivos e ferramentas que podem ser elaborados por meio de aplicativos CAD (Computer Aided Design). O comissionamento virtual pode avaliar o funcionamento completo de uma linha de montagem, tanto simulando processos em ambiente digital, quanto testando equipamentos e ferramentas reais, integrados num sistema que compartilha os sinais dos sensores e atuadores com a simulação no computador de forma a apresentar os requisitos das tecnologias envolvidas. Nesse cenário este trabalho apresenta uma proposta de um método para aplicação de comissionamento virtual em linhas de produção automatizadas, ou seja, um passo a passo de simulação utilizando o comissionamento virtual (CV) para a antecipação das etapas dos testes do programa supervisório, com aplicação simultânea entre o sistema de controle e os componentes dos modelos computacionais. Para isto, inicialmente, será apresentada uma revisão da literatura sobre temas relativos à comissionamento virtual, na sequência a proposição do método e sua aplicação. E, finalmente, as conclusões sobre o trabalho.

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

Manipuladores robóticos são sistemas constituídos por diversos elos interligados por juntas lineares ou rotacionais que são usualmente empregados em tarefas que não demandam contato entre o manipulador e a peça (e.g. pintura, solda e operações pick-and-place). Recentemente, tem-se constatado pesquisas sobre a modernização e o controle de manipuladores para tarefas em que é requerido um controle de força de contato com o ambiente (e.g. polimento, lixamento e rebarbação). A perspectiva clássica de controle de manipuladores robóticos considera a configuração (i.e. a posição) e as derivadas temporais (i.e. a velocidade e a aceleração) da estrutura mecânica do robô. Nesse trabalho, projeta-se, especifica-se e implementa-se sistema mecânico, sistema de controle, sistema de visão e sistema sensorial de controle de força e posição para um efetuador robótico de lixamento em superfícies planas por meio de sensores de força e posição dedicados. Por meio de métodos aplicativos de controle e analise em um ambiente de manufatura e processo aeronáutico são identificados requisitos parâmetros e o meio de medição e controle de padronização para o processo de lixamento. Foram usados o robô Kuka KR500 e um efetuador de lixamento especificamente projetado e construído para a realização de vários ensaios experimentais em chapas planas aeronáuticas de dimensões 500x500 (mm). Os resultados obtidos desses ensaios permitiram concluir performance do lixamento aplicado entre o meio robótico elaborado e o método de manufatura atual. O algoritmo gerado para análise de superfície caracteriza os efeitos de rugosidade linearizados do processo de lixamento, características chave para técnica de padronização, usando a função textura e orientação dos grãos metálicos tratados como padrão de análise, assegurando a não necessidade de inspeção visual ou amostral após aplicação.

O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma plataforma robótica omnidirecional, para transporte de cargas industriais, capaz de se mover para qualquer direção no plano xy, produzir rotações em torno do seu eixo sem a necessidade de reorientação no espaço e se mover com velocidade controlada. O desenvolvimento da plataforma consistiu na abordagem de projeto mecatrônico, modelagem cinemática do sistema, bem como a elaboração das equações que regem a movimentação da plataforma Omni-One. O modelo cinemático da plataforma utilizou a convenção de Sheth-Uicker. De posse das matrizes do movimento e da aquisição dos dados de limite de rotação dos motores, foi determinado um controlador Proporcional-Integral (PI), como controlador de velocidade. Os resultados dos testes realizados se mostraram conclusivos para o resultado final da plataforma, pois com eles foi possível verificar o comportamento do sistema como um todo.

Para desempenhar tarefas cooperativas de maneira descentralizada, exige-se que sistemas multi-robô comuniquem-se entre si. Portanto, manter a conectividade do grafo de comunicação é uma questão fundamental. Neste trabalho, nós analisamos o efeito de diferentes tipos de perturbação na estratégia de controle para manutenção de conectividade descrita em (SABATTINI, 2012), avaliando o impacto de falha, atraso e ruído na comunicação entre os agentes. Os resultados mostram que a estratégia para garantir a conectividade nem sempre é resiliente aos efeitos negativos de tais perturbações em configurações realistas que consideram um limite de banda para o esforço de controle. Contudo, características inerciais inerentes da maioria dos sistemas aquáticos e terrestres abrem perspectiva de aplicação da estratégia de manutenção de conectividade a sistemas adaptativos que consideram, por exemplo, adaptação autônoma a restrições outras além da própria conectividade, como eficiência na comunicação ou captação de energia.