Submitted by Maykon Nascimento (maykon.albani@hotmail.com) on 2015-03-06T19:28:59Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação Douglas Soprani.pdf: 12382633 bytes, checksum: 47ecc259e614e63704f16a4d7f45023c (MD5) / Approved for entry into archive by Elizabete Silva (elizabete.silva@ufes.br) on 2015-03-23T18:59:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação Douglas Soprani.pdf: 12382633 bytes, checksum: 47ecc259e614e63704f16a4d7f45023c (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-23T18:59:35Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação Douglas Soprani.pdf: 12382633 bytes, checksum: 47ecc259e614e63704f16a4d7f45023c (MD5) Previous issue date: 2015-03-06 / Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de uma plataforma multimodal de aquisição e processamento de sinais. O projeto proposto insere-se no contexto do desenvolvimento de interfaces multimodais para aplicação em dispositivos robóticos cujo propósito é a reabilitação motora adaptando o controle destes dispositivos de acordo com a intenção do usuário. A interface desenvolvida adquire, sincroniza e processa sinais eletroencefalográficos (EEG), eletromiográficos (EMG) e sinais provenientes de sensores inerciais (IMUs). A aquisição dos dados é feita em experimentos realizados com sujeitos saudáveis que executam tarefas motoras de membros inferiores. O objetivo é analisar a intenção de movimento, a ativação muscular e o início efetivo dos movimentos realizados, respectivamente, através dos sinais de EEG, EMG e IMUs. Para este fim, uma análise offline foi realizada. Nessa análise, são utilizadas técnicas de processamento dos sinais biológicos e técnicas para processar sinais provenientes de sensores inerciais. A partir destes, os ângulos da articulação do joelho também são aferidos ao longo dos movimentos. Um protocolo experimental de testes foi proposto para as tarefas realizadas. Os resultados demonstraram que o sistema proposto foi capaz de adquirir, sincronizar, processar e classificar os sinais combinadamente. Análises acerca da acurácia dos classificadores utilizados mostraram que a interface foi capaz de identificar intenção de movimento em 76, 0 ± 18, 2% dos movimentos. A maior média de tempo de antecipação ao movimento foi obtida através da análise do sinal de EEG e foi de 716, 0±546, 1 milisegundos. A partir da análise apenas do sinal de EMG, este valor foi de 88, 34 ± 67, 28 milisegundos. Os resultados das etapas de processamento dos sinais biológicos, a medição dos ângulos da articulação, bem como os valores de acurácia e tempo de antecipação ao movimento se mostraram em conformidade com a literatura atual relacionada. / This master thesis presents a multimodal platform for acquisition and signal processing. The proposed interface acquires, synchronizes and processes electroencephalographic (EEG) signals, electromiographic signals (EMG) and inertial sensors (IMUs) signals. The data acquisition is done in experiments with healthy subjects performing motor tasks of lower limbs. The objective is to analyze the movement intention, the muscle activation and the movement onset. To do so, an offline analysis was performed. In the analysis are shown EEG signal processing techniques, whose aim is to identify movement intention, and EMG signal techniques aiming at identifying the initial muscle activation. Techniques for processing signals from inertial sensors whose aim is to identify movement onset and measure the knee joint angles are also shown. An experimental protocol is proposed. The platform can be used in the development of interfaces for rehabilitation robotics devices aiming at adapting their control with respect to the patient’s intention. The results obtained showed that the system is capable to acquire, process and classify the signals synchronously. The movement intention was detected in 76, 0 ± 18, 2% of the movements. The movement antecipation achieved 716, 0 ± 546, 1 ms based on EEG signal and 88, 34 ± 67, 28 ms based on EMG signals. The results of the biological signal processing, the movement antecipation times, the accuracy of classifiers and joint angles measurements were in accordance with the currently related studies.

Submitted by Morgana Andrade (morgana.andrade@ufes.br) on 2016-04-19T20:27:17Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) TeseDoutoradoCompleta.pdf: 11628770 bytes, checksum: 78cb42f5e620bb943765674da68b0c7e (MD5) / Approved for entry into archive by Patricia Barros (patricia.barros@ufes.br) on 2016-05-16T14:15:50Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) TeseDoutoradoCompleta.pdf: 11628770 bytes, checksum: 78cb42f5e620bb943765674da68b0c7e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-16T14:15:50Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) TeseDoutoradoCompleta.pdf: 11628770 bytes, checksum: 78cb42f5e620bb943765674da68b0c7e (MD5) / CNPq / Os avanços tecnológicos na última década permitiram o desenvolvimento de sistemas de processamento de informação com alta capacidade de armazenamento de dados. Estes avanços na linha de saúde têm evoluíram para o desenvolvimento de dispositivos para aplicações na Bioengenharia e Engenharia Biomédica, no auxílio à compreensão do comportamento fisiológico, diagnóstico, monitoramento, controle e tratamento de variadas alterações biológicas. Juntamente com os avanços tecnológicos, a quantidade e complexidade da informação é cada vez maior, em comparação com a utilidade e compreensão da mesma, representando, para diferentes áreas de conhecimento, um desafio na busca de alternativas viáveis que permitam utilizar os atributos dos sistemas biológicos no desenvolvimento de novas tecnologias para a melhoria da qualidade de vida dos seres humanos. Na atualidade, o desenvolvimento de protocolos de captura de sinais bioelétricos não invasivos está conformando uma opção viável para o diagnóstico de miopatias, reabilitação motora, análise biomecânica, desenvolvimento de Interface Homem-Máquina, e controle autônomo de dispositivos robóticos para pessoas com deficiência motora grave, entre outras aplicações. Em todos os casos, o auxílio de técnicas computacionais como processamento de sinais digitais (DSP), e novos algoritmos baseados em inteligência artificial, abriram a possibilidade de desenvolver técnicas de classificação para o reconhecimento de padrões que podem ser aplicadas na área de biotecnologia para a saúde. A presente tese de doutorado desenvolve protocolos e técnicas de análise de sinais mioelétricas (SME) por eletromiografia de superfície (sEMG) constituídos por “tarefas de atraso instruídas”, aplicados à avaliação motora e reabilitação, que envolve análise e critérios de inclusão-exclusão por anamnese clínica, controle de variáveis no ambiente experimental, captura, aquisição e transformação do sina, digitalização, filtragem, segementação, seleção de características, classificação e reconhecimento de padrões. As aplicações biotecnológicas com SME apresentam uma abordagem quantitativa experimental em forma de estudo de caso. O primeiro estudo de caso desenvolve três protocolos de aquisição para avaliação proprioceptiva do joelho, controle de uma cadeira de rodas robótica por pessoas com deficiência motora grave, e manipulação de um robô móvel por crianças com deficiência cognitiva e motora, utilizando um sensor híbrido (inclinação+sEMG), o qual conformou inclusive uma patente de invenção derivada da presente tese. O segundo estudo de caso desenvolve um protocolo de aquisição SME, para o auxílio ao diagnóstico de fibromialgia utilizando algoritmos para avaliação da fadiga muscular no domínio do tempo (ARV, RMS) e da frequência (MNF, MDF, AIF) com 30%, 60% e 80% de MVC. O terceiro estudo de caso desenvolve um protocolo de aquisição de SME de baixa densidade e baixo nível de contração muscular, com controle do repouso, para o reconhecimento de diferentes gestos da mão, em pessoas saudáveis e com amputação na região do terço distal do cotovelo, avaliando 14 características, 8 no domínio do tempo, 5 no domínio da frequência e Dimensão Fractal (FD), além de várias das sua combinações, as quais foram classificadas com técnicas computacionais de inteligênica artificial como lógica difusa (FL) e redes neurais artificiais do tipo MLP. Os resultados obtidos para o primeiro estudo de caso demonstrou a utilidade da predeterminação de limiares para as variáveis RMS e inclinação obtidas com o sensor híbrido (inclinação+sEMG), melhorando a precisão do senso de posicionamento na análise proprioceptiva do joelho em comparação com um eletrogoniômetro comercial em combinação com o SME. O sensor híbrido facilitou também o controle de uma cadeira de rodas robótica, utilizando o movimento da cabeça para o deslocamento autônomo de pessoas com tetraplegia, assim como, a manipulação autônoma de um robô móvel por pessoas com deficiência cognitiva e motora, os quais obtiveram, com o treinamento, um melhor desempenho na interação com o robô, avaliado pelo índice GAS. No segundo estudo de caso, os resultados obtidos para avaliação da fadiga em pessoas com fibromialgia (FM) indicaram uma relação entre o aumento da carga e a dor muscular, especialmente para 80% de MVC. A regressão linear dos algoritmos RMS, ARV e MNF apresentaram na inclinação (α) e intercepto (β) uma tendência esperada no grupo controle, com regressão linear positiva para características no domínio do tempo e negativas para características no domínio da frequência, para 60% de MVC e 60% do segmento isométrico do SME, obtidos com 20 contrações isotônicas durante a flexão extensão do bíceps braquii (RMS α=1.1319, β=275.706; MNF α=-0.470, β=91.482). No caso de voluntárias com FM, a voluntária N3 apresentou dados com maior relação de tendência esperada da fadiga muscular, para 80% de MVC e 60% do segmento isométrico obtidos durante movimento isotônico do bíceps braquii (RMS α=5,92 β=113,33; MNF α=-1,21 β=96,96). Por último, o terceiro estudo de caso identificou, com UM classificador MLP, e taxa de sucesso de 94,9% seis movimentos de dedos individuais, incluindo repouso, (categoria A), e com 97,5% de taxa de sucesso, sete movimentos que compreendem dedos, punho e agarre (categoria B), ambos os casos, com combinação de características RMS, WL,MAV e ZC. Por outro lado, resultados obtidos por voluntários amputados no terço distal do cotovelo, apresentaram melhores resultados com características no domínio do tempo, em comparação as que incluiram dimensão fractal (DF), com taxas de sucesso de 93,9%, utilizando combinação de características RMS, WL e MAV para a categoria A, e 95,4% de taxa de sucesso, com uma combinação de características RMS, WL, MAV e ZC na categoria B. / Technological advances in the last decade opened up the field for the development of information processing systems with high capacity of data storage. These advances in health have evolved in the development of devices for applications in Bioengineering and Biomedical Engineering, supporting the understanding of the physiological behavior, diagnosis, monitoring, treatment and control of various biological changes. Along with technological advances, the amount and complexity of information is increasing, compared to its usefulness and understanding, representing, for different areas of knowledge, a challenge to find viable alternatives for using the attributes of biological systems in the development of new technologies directed to improve the quality of life of human beings. Currently, the development of noninvasive protocols for capturing bioelectric signals are becoming a viable option for the diagnosis of myopathies, motor rehabilitation, biomechanical analysis, development of Human-Machine Interface, and autonomous control of robotic devices for people with severe motor disabilities among other applications. In all cases, the support of computational techniques, such as digital signal processing (DSP), and new algorithms based on artificial intelligence, has opened the opportunity to develop classification techniques for recognizing patterns which can be applied in biotechnology for health. This doctoral thesis develops protocols and techniques for analysis of sEMG signals, consisting of "instructed delay tasks", applied to the motor assessment and rehabilitation estrategies, involving analysis of inclusion-exclusion criteria for clinical history, control variables in experimental environment, capture, acquisition and processing of sEMG signal, digital group, filtering, segmentation, feature selection, classification and pattern recognition. Biotechnological applications with sEMG signals present a quantitative experimental approach in the form of case studies. The first case study is centered on three acquisition protocols for evaluation of proprioceptive knee, control of a robotic wheelchair for people with severe motor disabilities, and manipulation of a mobile robot for children with cognitive and motor disability, using a hybrid sensor (inclination + sEMG), which is a patent derivate of this thesis. The second case study, develops a protocol for acquisition of sEMG signals in order, to support the diagnosis of fibromyalgia using algorithms for evaluation of muscle fatigue in time domain (ARV, RMS) and frequency domain (MNF, MDF, AIF), with 30%, 60% and 80% of MVC. The third case study, develops a protocol for the acquisition of sEMG signals with low density and low level of muscle contraction, with control of the rest, for the recognition of different hand gestures in healthy and amputees, evaluating 14 characteristics , 8 in time domain, and 5 in frequency domain and Fractal Dimension (FD), with several of their combinations, which were classified with computational techniques of artificial intelligence, such as fuzzy logic (FL) and artificial neural networks of MLP type. The results for the first case study, has demonstrated the usefulness of threshold predetermination as RMS and slope, acquired with the hybrid sensor (inclination + sEMG), improving the accuracity sense of positioning in proprioceptive analysis of the knee compared to a commercial electrogoniometer in combination with sEMG signal. The hybrid sensor also was applied to the control of a robotic wheelchair, using head movements for self-displacement of persons with tetraplegia, as well as autonomous manipulation of a mobile robot by people with cognitive and motor disabilities, which was obtained with training, whose performance in interacting with the robot was evaluated by GAS index. In the second case study, the results obtained for assessment of fatigue in people with fibromyalgia (FM)have indicated a relationship between increasing load and muscle pain, especially with 80% of MVC. The linear regression of algorithms RMS, ARV and MNF havshown in both the inclination (α ) and intercept (β) an expected trend in the control group, with positive linear relationship to characteristics in the time domain and negative characteristics to the frequency domain, with 60% MVC, and 60% of isometric segment of sEMG signal, which were obtained with 20 isotonic contractions during flexion-extension of biceps braquii (RMS α = 1.1319, β = 275 706; MNF α = -0470, β = 91 482). In the case of volunteers with FM, the N3 voluntary presented a behavior with the highest expected trend of muscular fatigue at 80% MVC and 60% of isometric segment, obtained during isotonic movement of biceps braquii (RMS α = 5.92 β = 113.33; MNF α = β = -1.21 96.96). Finally, the third case study, identified, with the MLP classifier, a success rate of 94.9% for six movements of individual fingers, including rest (category A), and 97.5% of success rate for seven movements, including: fingers, wrist and grip (category B), both cases, with a combination of features RMS, WL, MAV and ZC. On the other hand, the results obtained by amputee volunteers showed better results with features in time domain, compared to fractal dimension (DF), with success rates of 93.9% using combination RMS, WL and MAV characteristics for category A, and 95.4% of success rate with combination of RMS, WL, MAV and ZC in category B.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2013-07-16T00:57:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 211862.pdf: 4469628 bytes, checksum: ef82d1d196fb246d79614288dcfd7001 (MD5) / O presente trabalho visa analisar os impactos sociais, econômicos e tecnológicos do desenvolvimento e uso de robôs no Brasil, utilizando para isso o estudo de caso do projeto Roboturb, o primeiro robô, com sete graus de liberdade, projetado, desenvolvido e construído no Brasil com aplicação industrial. O trabalho analisa o caso geral, mostrando as conseqüências que a utilização de novas tecnologias trouxeram a sociedade ao longo da história. São discutidas as mudanças nas relações competitivas entre empresas que adotam ou não novas tecnologias e os impactos propagados aos respectivos fornecedores e clientes. Buscamos no trabalho expor diferentes pontos de vista em relação a eliminação, criação, modificação e transferência de postos de trabalho em função da inovação tecnológica. Dentre as novas tecnologias utilizadas na indústria analisamos em particular o caso dos robôs. Nesta analise destacamos as principais aplicações dos robôs, as conseqüências nos postos de trabalho, efeitos nas empresas, número de robôs utilizados no mundo, países produtores e consumidores de robôs. Do caso mundial é passado ao contexto brasileiro, analisando as particularidades da adoção de novas tecnologias e robôs em indústrias nacionais. O estudo de caso do projeto e construção de um robô no Brasil, através do projeto Roboturb, é usado para discutir as principais particularidades da robotização no Brasil.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2013 / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:12:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 322017.pdf: 3160390 bytes, checksum: f7a70f0994c84aa774a2bce85c31b28d (MD5) Previous issue date: 2013 / O controle de robôs móveis não holonômicos é um problema para o qual existem lacunas a serem preenchidas. As principais técnicas de controle têm desempenho limitado no tocante à robustez e implementação prática e ainda dificuldades no tratamento de restrições não holonômicas. O controle por modo deslizante é uma técnica que se mostra bastante adequada para tratar este problema, devido a sua característica de oferecer robustez restringindo o sistema. Todavia, a implementação prática da sua forma clássica, o controle por modos deslizantes de primeira ordem, sofre com efeitos de chattering, devido à excitação de dinâmicas rápidas negligenciadas e a limitação na frequência de chaveamento do sinal de controle. Algumas soluções conhecidas para compensar o chattering têm como desvantagem a redução de robustez. Uma técnica de controle por modo deslizante de segunda ordem é considerada como solução, pois minimiza o chattering mantendo suas propriedades de robustez. Trata-se do algoritmo super- twisting que além das características enumeradas, possui implementação simples e tem bom desempenho numérico. Neste trabalho, aborda-se o problema de controle de rastreamento de trajetória para um robô móvel sujeito a restrições não holonômicas cuja representação de estado é feita com um modelo cinemático em cascata com um modelo dinâmico. A solução proposta nesta tese é a síntese de uma estrutura de controle composta por um controlador cinemático e um controlador dinâmico. O controlador cinemático é sintetizado com a técnica de controle super-twisting e tem como principal produto restrições que ao serem impostas ao sistema garantem o rasteamento robusto de trajetórias. Para isso, gera um sinal de controle em velocidade a ser rastreado pelo controlador dinâmico, que consiste de uma lei de controle por dinâmica inversa com um controlador externo proporcional e derivativo (PD). O controle PD auxilia na redução de chattering, pois sua ação diminui a influência das dinâmicas negligenciadas. Para ilustrar as características dos controladores propostos, são apresentados resultados de simulação e experimentos obtidos em ensaios com um robô móvel sobre rodas diferencial de médio porte <br> / The control of mobile robots is still an open problem. The main control techniques have limited performance with respect to robustness and practical implementation and yet some difficulties in handlind nonholonomic restrictions. The sliding mode control is a technique that proves to be quite adequate to address this problem, due to its characteristic of offering robustness by constraining the system. However, the practical implementation of the classic form of this technique, the first order sliding mode control, suffers from chattering effects, due to the excitation of neglected fast dynamic and frequency limitation of the switching control signal. Some known solutions to overcome the chattering has the disadvantage of reducing the ideal robustness of the technique. A second order sliding mode control technique is considered as a solution since it minimizes this problem maintaining its robustness properties. This is the super-twisting algorithm that in addition to the features listed, its implementation is simple and has good numerical performance. This work addresses the trajectory tracking control problem for a mobile robot subject to nonholonomic constraints and represented in the state space by a kinematic model in cascade with a dynamic model. The proposed solution in this thesis is the synthesis of a control structure comprising a kinematic controller and a dynamic one. The kinematic controller is designed with the super-twisting control technique and has as main product restrictions that when imposed to the system ensure the robust trajectory tracking. For that, it generates a velocity control signal to be tracked by the dynamic controller, which consists of an inverse dynamic control law with proportional plus derivative (PD) control. The additional PD control law plays an important role in assisting in the reduction of chattering, as its action decreases the influence of neglected dynamics. To illustrate the characteristics of the proposed controllers, simulation and also experimental results are obtained in trials with a differential wheeled mobile robot.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:34:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-06-29Bitstream added on 2014-06-13T18:45:49Z : No. of bitstreams: 1 matias_nt_dr_guara.pdf: 4859441 bytes, checksum: 5c81ac53778dd42a275d512e6b4f8798 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A utilização de autômatos tem se tornado um dos objetivos da indústria brasileira e, para tanto, faz-se necessário um estudo detalhado sobre a instalação e o uso dos robôs, considerando os aspectos ergonômicos e de segurança como parâmetros relevantes para as inserções desses equipamentos nas linhas de produção. Parte da região do Vale do Paraíba, delimitada pelos municípios de Porto Real, no estado do Rio de Janeiro e Taubaté, no estado de São Paulo, foi escolhida como alvo de estudo, por reunir considerável número de indústrias com características de produção e transformação automotiva. É mister comentar que o setor automotivo e de autopeças é reconhecido mundialmente como um dos principais na implantação de robôs em suas linhas de produção. Além do aspecto técnico, a região é relevante por sua localização geográfica e seu desenvolvimento econômico. O método empregado para conhecer a realidade da célula robótica foi a Apreciação Ergonômica do Sistema Homem-Tarefa-Máquina – SHTM, capaz de orientar os estudos. Para quantificar e qualificar os impactos sobre o componente humano foram utilizadas as seguintes ferramentas: Índice de Intensidade de Moore e Garg (1995) e a Avaliação Rápida dos Membros Superiores – RULA de McAtamney e Corlett (1993). O método e as ferramentas destacaram vários problemas explícitos de prejuízo aos operadores, como as: inadequações posturais, sobrecargas, freqüência e ritmos de execução de tarefas acima do limite adequado, excesso de deslocamentos, entre outros fatores. Tais constatações reforçam a suspeita sobre a ocorrência de falhas provenientes da ausência de estudos ergonômicos na instalação das células robóticas. O estudo também identificou problemas durante o processo de manutenção do autômato na célula robótica, momento em que, geralmente... / The automats has become an important Brazilian industry objective, in that way it is necessary do specific studies about the actual installation and use on industrial robots considering ergonomic and safe parameters that organize this equipment at the production lines. A part of the Vale do Paraíba region limited by two cities, Porto Real, Rio de Janeiro state and Taubaté, São Paulo state was chosen for this study for presents an automotive industry production favorable to receive automated machine like a robot. Economical development and good geographic position are main aspects to this region reinforce the proposal. Ergonomic Appreciation of the Man-Task-System-Machine – MTSM was the method used to study the choose system. To qualify and quantify the impact related to the man, during his work, was applied two different instruments: Index of Intensity - Moore and Garg (1995) and the Rapid Upper Limb Assessement - RULA - McAtamney and Corlett (1993). The results of Ergonomic Appreciation detach some inadequacies as: chemical contamination, postural deviation, over lift, rhythm and frequency above the limit, excess of movements and others disturbs may cause problems to the operators. The presence of such kind of ergonomic problems reinforces the suspicion about cells robotics installation that may be failing by the absence of ergonomic studies. This study also permitted to notice some industry easiness some accident aspects that occur specially with automat during a cell robot installation process, moment that a different professional teams works together creating a new relationship. It can be said that the human being valorization, the study of the real work and the harmonization between the ergonomics and the several sciences commonly used by the industries they are fundamental to control the risk characteristic... (Complete abstract click electronic access below)

O presente trabalho trata da implementação de um sistema de visão robótica para reconhecimento de formas bidimensionais e transformação do contorno em trajetória para um manipulador industrial. A aquisição da imagem ocorre através de uma câmera CCD sobre a área específica de captura. O uso de uma webcam também é testado. A imagem captada é enviada para o computador com processamento realizado em MATLAB, através de rotina de software de controle, escrita em VB.NET. São analisadas variações de contraste e resolução com objetos distintos, onde o sistema identifica os pixels que delimitam o contorno do objeto utilizando limiarização pelo Método de Otsu e algoritmos morfológicos. A posição de cada pixel é processada, transformada em coordenadas cartesianas e enviada para o controle do manipulador robótico, que efetua a trajetória, simulando um processo industrial. A transmissão ao controle do manipulador é realizada em protocolo especial, via porta paralela de um microcomputador à placa de aquisição de sinais digitais do controle do manipulador. Um processo de simulação em uma célula de manufatura proposto para validar o sistema, identifica objetos distintos que chegam de forma desordenada através de uma esteira transportadora. / This work approaches the implementation of a robotics vision system to recognize 2D forms and contour transformation in trajectory to an industrial manipulator. The image acquisition occur by CCD video camera on the specific capture area. A webcam system is also tested. The captured image is sent to a MATLAB computer processing, through a control software routine, written in VB. NET. The contrast and resolution changes are analyzed with different objects where the system identifies the pixels of object contour using Otsu’s Thresholding Method and morphological algorithms. The position of each pixel is processed, transformed in cartesian coordinates and sent to the robotic manipulator control, which executes the trajectory simulating an industrial process. The transmission to the manipulator control is realized in a special protocol, using the parallel port of computer and a digital signal acquisition card of the manipulator control. A simulation process in a manufacturing cell is aimed to validate the system, identifying distinct objects that coming in a disorientated form from a belt conveyor.

A grande maioria dos robôs industriais disponíveis no mercado é de alto desempenho, principalmente com relação à precisão de posicionamento. Este aspecto é um dos fatores que mais influencia no seu preço final, levando em consideração toda a complexa cadeia de elementos que fazem com que o robô opere corretamente, desde os motores e componentes mecânicos, passando pela arquitetura e sistemas de controle até o sistema de programação. Tendo isto em vista, este trabalho visa projetar um robô industrial com preço mais acessível, adequado para o uso em processos industriais que não necessitem altos níveis de precisão. Para a redução de custos de fabricação e de componentes do robô, este trabalho viabiliza o uso de atuadores pneumáticos lineares como fonte motriz, pois os mesmos são relativamente baratos, leves, não poluentes, de fácil montagem e operação, além de apresentarem uma boa relação peso/potência. Para tanto, foi implementado uma estratégia de controle por modos deslizantes com objetivo de superar as dificuldades impostas pelo comportamento não-linear dos componentes pneumáticos. Com relação à redução de custos de programação e operação do robô, desenvolveu-se um ambiente de programação off-line, através de softwares de auxilio à manufatura e de engenharia usualmente encontrados em ambientes industriais. A estratégia fundamental neste trabalho, foi o desenvolvimento de uma metodologia de projeto própria, concebida especificamente para a aplicação em projetos de robôs industriais, com os atributos de facilidade de execução e modularidade das fases envolvidas. A qual, no presente trabalho, apresenta o desenvolvimento de um robô cartesiano com três graus de liberdade acionado por atuadores pneumáticos lineares. / The great majority of industrial robots available in the market have high performance, especially relative to position accuracy. This aspect is one of the factors that most influence its final price, taking into account all complicated web elements that makes the robot operates in the correct form, since the actuators and the constructive part, passing by the architecture and control systems until the system of programming. According to these, the present work aims to project an industrial robot with more accessible costs, adequate to use in industrial process that not require high level of accuracy. For the reduction of manufacture and components costs of the robot, this work make viable to use of pneumatic actuators like a motive source, because are relatively cheap, light, not pollutants, easy assembly and operation, besides presenting a good relation weight/power. For such purpose, the strategy of control was implemented by sliding mode control for the objective to surpass the difficulties imposed by the non-linear behavior of the pneumatic components. About the reduction of programming and operation costs of the robot, an off-line programming environment was developed through manufacturing aided software and a software of engineering both usually found in industrial environments. The basic strategy in this work, was the development of an own methodology of project, conceived specifically for the application in projects of industrial robots, with the attributes of easiness of execution and modularization of the wrapped phases. That methodology, in the present work, presents the development of a Cartesian robot with three degrees of freedom actuated by pneumatic servo drive.

Resumo não disponível

À medida que se apresentam grandes avanços tecnológicos nas áreas de instrumentação, controle e acionamento, se torna cada vez mais difundida a utilização de sistemas robóticos para a execução dos mais variados tipos de tarefas, como na exploração de petróleo ou mesmo no transporte de cargas. Desse modo, diversas são as situações em que se torna necessário o uso de sistemas subatuados, despertando o interesse da comunidade científica, quer seja pela variadas situações em que se pode utilizar esse tipo de robô ou mesmo pelo desafio que se apresenta o desenvolvimento de estratégias de controle de tais sistemas. Nesta tese propõe-se um modelo de robô bracejador, juntamente com o desenvolvimento dos modelos matemáticos que descrevem o comportamento cinemático e dinâmico desse robô e a respectiva análise desses modelos. Além disso, o presente trabalho tem por objetivo apresentar uma estrutura de controle em malha fechada que seja capaz de fazer com que o robô se desloque ao longo de uma linha horizontal. Diferentes estratégias de controle já foram apresentadas para o controle de robôs bracejadores, mas, em sua maioria, possuem limitações quanto ao tipo de bracejamento que o robô pode executar, além de não considerarem nenhuma restrição no sistema. Dessa maneira, emprega-se a estratégia de controle preditivo, com horizonte de predição deslizante, a qual permite que, para o cálculo da lei de controle, sejam consideradas restrições às variáveis de estado e de entrada durante a solução do problema de otimização. A partir da definição do objetivo e da abordagem de controle a ser utilizada, várias simulações são realizadas com o intuito de validar a aplicação do controlador preditivo para o controle do robô bracejador, sendo o robô capaz de executar diferentes tipos de bracejamento (tanto bracejamento único quanto bracejamento contínuo, do tipo underswing e over hand) ao longo da linha de sustentação. São desenvolvidas duas versões para o controlador proposto, uma baseada em modelo não-linear da dinâmica para ser utilizado no horizonte de predição e outra considerando uma versão linearizada para o modelo da dinâmica. Os resultados obtidos pelas diferentes simulações mostram que a solução proposta para o problema de movimentar o robô bracejador atingiu seus objetivos de modo bastante eficiente, possiblitando, inclusive, a realização de simulações que atendessem a requisitos de tempo real. / As we are observing, the fast technological development in the fields of instrumentation, control and actuation are increasing the employment of robotic systems for the execution of a large variety of tasks, for example, oil exploration or load transportation. In this way, there are many situations where it is necessary to use underactuated systems, which are getting attention of the scientific community due to the different applications of underactuated robots or even due to the challenge to design control strategies for such systems. In this thesis we propose a brachiation robot model, with the derivation of mathematical models for its kinematics and dynamics and analyse such models. Moreover, the aim of this work is to propose a closed loop control architecture that will drive the robot to move along the horizontal line. Many different control schemes have already been proposed in the literature to control brachiation robots, however, most of such schemes are limited concerning the way the robot executes the brachiation movement. Moreover those control strategies are not able to deal with constraints on the state and/or control variables. Thus, we present in this thesis a control scheme based on the predictive control strategy, with receding horizon, which can take into account such constraints during the solution of the optimization problem for the control input computation. After defining the task to be executed and the control strategy to be used, we have simulated different situations of the robot aiming the validation the employment of the predictive control approach for the brachiation robot. The robot is able to execute different types of brachiation (only one cicle or continuously motion, with under-swing and over hand motion) along the supporting line. We have developed two versions to the proposed controller, the first one considering a nonlinear dynamic model during the prediction horizong and the second considering a linearized dynamic model for prediction. The results from the different simulation show that the solution presented in this work for the brachiation robot motion was successful, making the robot able to move from one position to a forwarded position in the line. Furthermore, simulations have indicated the overall system can be executed under real time requirements.

Neste estudo apresento minha experiência com robótica nas aulas de Matemática da EMEF José Mariano Beck, desenvolvida durante os anos de 2007 e 2008. Ofereço um panorama da robótica na sociedade atual e caracterizo os termos robô, robótica e robótica educacional utilizados nesta pesquisa. Considero o estudo da robótica pedagógica e as implicações da utilização deste recurso, principalmente na mudança de concepção do papel do professor e do aluno nas aulas de matemática. Situo este trabalho na abordagem teórico-prática proposta por Ole Skovsmose, cujos cenários para investigação são pensados em paralelo com a sala de aula tradicional. O estudo se encerra com algumas relações entre a robótica e conceitos matemáticos explorados através de atividades práticas, além do relato de algumas repercussões desta experiência desenvolvida com a robótica nas minhas aulas de matemática. Também são pensadas algumas possibilidades futuras e o leitor deste trabalho é convidado a experimentar a robótica como um possível recurso didático e a construir seu próprio roteiro de experiências. / In this study, I present my experience with robotics in mathematics lessons at EMEF Jose Mariano Beck, developed during the years of 2007 and 2008. I offer a panorama of robotics in the current society and characterize the terms robot, robotics and educational robotics used in this research. I consider the study of pedagogical robotics and the implications of the use of this resource, mainly in the change of the conception of teacher's and students' roles in mathematics lessons. I situate this work in the Ole Skovsmose's theoretical-practical proposal, whose scenes for inquiry are thought in parallel with the traditional classroom. The study ends up with some relations between robotics and mathematical concepts, explored through practical activities, along with the report of some repercussions of this experience developed with robotics in mathematics lessons. Also some future possibilities are thought and the reader of this work is invited to try robotics as a possible didactical resource and to construct his own script of experiences.