De acordo com a Organização Mundial da Saúde,cerca de 1,2milhões de pessoas no mundo morrem em acidentes de trânsito. Sistemas de assistência ao motorista e veículos autônomos podem diminuir o número de acidentes. Dentre as várias demandas existentes para viabilizar essa tecnologia, sistemas computacionais de percepção ainda permanecem sem uma solução definitiva. Dois deles, detecção de obstáculos e de via navegável, normalmente fazem uso de algoritmos sofisticados como técnicas de aprendizado supervisionado, que mostram resultados impressionantes quando treinados com bases de dados bem definidas e diversificadas.Entretanto, construir, manter e atualizar uma base de dados com exemplos de vários lugares do mundo e em diversas situações é trabalhoso e complexo. Assim, métodos adaptativos e auto-supervisionados mostram-se como boas alternativas para sistemas de detecção do futuro próximo. Neste contexto, esta tese apresenta um método para estimar obstáculose via navegável através de sensores de baixo custo (câmeras estereoscópicas), sem o uso de técnicas de aprendizado de máquina e de diversas suposições normalmente utilizadas por trabalhos já disponíveis na literatura. Esses métodos utilizando sensor estereoscópico foram comparados fazendo uso de sensores do tipo 3D-LIDAR e mostraram resultados semelhantes. Este sistema poderá ser usado como uma fase pré-processamento de dados para melhorar ou viabilizar métodos adaptativos de aprendizado. / World wide, an estimated 1.2million lives are lostin road crashes each year and Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) and Self-driving cars promise to reduce this number. Among the various issues to complete this technology, perception systems are still an unsolved issues. Normally two of them, obstacle detection and road detection, make use of sophisticated algorithms such as supervised machine learning methods which can perform with impressive results if it was trained with good data sets. Since it is a complex and an expensive job to create and maintain data bases of scenarios from the entire world, adaptive and/or self-supervised methods are good candidates for detection systems in the near future. Due that, this thesis present a method to estimate obsta- cles and estimate the road terrain using low cost sensors (stereo camera), avoiding supervised machine learning techniques and the most common assumptions used by works presented in literature. These methods were compared with 3D-LIDAR approaches achieving similar results and thus it can be used as a pre-processing step to improve or allow adaptive methods with machine learning systems.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um modelo de programação paralela inspirado na estrutura geral dos sistemas conexionistas como proposta por Rumelhart, McClelland e Hinton em seu livro intitulado The Parallel Distributed Processing Perspective (MCCLELLAND, RUMELHART e HINTON, 1983). Este modelo tem como objetivo servir como base para o desenvolvimento de um sistema autônomo de controle em tempo hábil para um time de futebol de robôs, orientado ao uso de processamento paralelo em computadores multicore. O trabalho serve como um guia para compreensão e uso do modelo de programação proposto, apresentando ainda, por meio de experimentos, a sua eficiência dentro do contexto de processamento paralelo e a sua adequação para solução do problema de controle de futebol de robôs. / This work presents the development of a parallel programming model inspired by the general framework of connectionist systems as proposed by Rumelhart, McClelland and Hinton in their book entitled The Parallel Distributed Processing Perspective (MCCLELLAND, RUMELHART e HINTON, 1983). This model is intended to serve as the basis for the development of an autonomous system for real-time control of a robotic soccer team driven towards the usage of effective parallel processing on multicore computers. The work serves as a guide for understanding and using the proposed programming model, yet showing, through experiments, the efficiency within the context of parallel processing and its suitability for solving the robotic soccer control problem.

Neste trabalho foram utilizados os conceitos de célula flexível de manufatura e de automação utilizando a robótica para desenvolver uma célula robotizada de acabamento de instrumentos cirúrgicos forjados, com o objetivo de obter aumento de produção e flexibilizar o sistema de manufatura. Na produção manual de acabamento dos instrumentos cirúrgicos incluídos no estudo são realizados processos de lixamento, eletropolimento, polimento vibratório, jateamento e polimento com manta sintética e escova. Foi identificado que o sistema utilizando trabalho manual restringe a produtividade a um número de pinças insuficiente para atender à demanda do mercado. Desse modo, foi desenvolvida uma célula robotizada de acabamento, com a intenção de suprir a necessidade do aumento de produção dos instrumentos cirúrgicos. Em paralelo ao desenvolvimento da célula flexível de manufatura, estudaram-se os processos de acabamento utilizados, resultando na eliminação de etapas de acabamento no processo automatizado. Com a célula flexível de manufatura desenvolvida se obteve um aumento de produção de 96,87 % e uma redução nos custos de 50,53 % em relação à linha manual. Os produtos cuja manufatura se deseja automatizar são pinças hemostáticas, de apreensão e de campo que foram selecionadas através da análise da demanda produtiva. A matéria-prima utilizada nestes instrumentos é aço inoxidável martensítico, de denominação AISI 420D. O processo de fabricação utilizado nos componentes é o forjamento, que permite a melhora das propriedades mecânicas, modificando a disposição dos constituintes do material deformado. No entanto, foi avaliada de forma experimental a viabilidade de substituição do forjamento pelo corte laser, visando a eliminação do processo de lixamento dos componentes, com consequente aumento na taxa de produção, o que não foi possível devido à menor resistência obtida pelos componentes assim produzidos. / In this study, were used the concepts of flexible cell manufacturing and automation using robotics to develop a finishing in forged surgical instruments robot cell, in order to get increased production and a more flexible manufacturing system. On completion of the manual production of surgical instruments included in the study of processes are performed grinding, electropolishing, vibratory polishing, sandblasting and polishing synthetic blanket and brush. Was identified that the system using manual labor productivity to a limited number of tweezers insufficient to meet market demand. Thus, was developed a robotic finishing cell, with the intention of meeting the need for increasing production of surgical instruments. In parallel to the development of flexible manufacturing cell, were studied the finishing processes used, resulting in the elimination of finishing steps in the automated process. With the flexible manufacturing cell development was obtained an increase of 96.87% and production cost savings of 50.53% compared to the online manual. The products whose manufacture is desirable to automate hemostat, apprehension and field tweezers that were selected by analyzing the production demand. The raw material used in these instruments is martensitic stainless steel, designations AISI 420D. The manufacturing process used in the components is forginig, which allows the improvement of mechanical properties by modifying the arrangement of the constituents of the deformed material. However, it was experimentally evaluated the feasibility of replacing the forging by laser cutting, in order to eliminate the process of grinding the components, with consequent increase in production rate, which was not possible due to a lower resistance obtained by the components thus produced.

Com o intuito de utilizar uma rede com protocolo IP para a implementação de malhas fechadas de controle, este trabalho propõe-se a realizar um estudo da operação de um sistema de controle dinâmico distribuído, comparando-o com a operação de um sistema de controle local convencional. Em geral, a decisão de projetar uma arquitetura de controle distribuído é feita baseada na simplicidade, na redução dos custos e confiabilidade; portanto, um diferencial bastante importante é a utilização da rede IP. O objetivo de uma rede de controle não é transmitir dados digitais, mas dados analógicos amostrados. Assim, métricas usuais em redes de computadores, como quantidade de dados e taxa de transferências, tornam-se secundárias em uma rede de controle. São propostas técnicas para tratar os pacotes que sofrem atrasos e recuperar o desempenho do sistema de controle através da rede IP. A chave para este método é realizar a estimação do conteúdo dos pacotes que sofrem atrasos com base no modelo dinâmico do sistema, mantendo o sistema com um nível adequado de desempenho. O sistema considerado é o controle de um manipulador antropomórfico com dois braços e uma cabeça de visão estéreo totalizando 18 juntas. Os resultados obtidos mostram que se pode recuperar boa parte do desempenho do sistema. / ln order to enable the use of IP networks to implement closed-Ioop control systems, this work compares a distributed control system to its conventional counterpart, which is based on local controI. Usually the option for a distributed control architecture is motivated by simplicity, cost reduction and reliability, hence the use of an IP network. The goal of a control network is not to transmit pure digital data, but to transmit digitized control and sensor signals. Therefore, metrics common in computer networks, such as amount of transfered data and transfer rates, become of little importance. This work proposes a method to compensate for the delays imposed to network packets and to recover the control system performance. The key for this method is to estimate the contents of delayed network packets based on the system dymanic modeI. The example system is an antropormorphic robot with two arms and a stereo vision head. Results show that the system performance can be recovered.

Este trabalho apresenta e discute uma proposta de estratégia inédita para o problema de aprendizado de regras através de Sistemas Classificadores, aplicado à robótica móvel, utilizando um robô NOMAD 200. Esta estratégia tem como base, teorias de Algoritmos Genéticos e de Sistemas Classificadores, que são os paradigmas constituintes do núcleo da arquitetura implementada para o controle do robô. O aspecto diferencial desta abordagem é a inspiração em Algoritmos Genéticos com Idades, para permitir o uso e controle de uma população de tamanho variável. O sistema foi modelado observando-se características físicas do robô NOMAD 200 e sendo constituído por módulos de gerenciamento de memória, reprodução, controle da população e execução. A memória se apresenta como uma base de regras de produção; o módulo de reprodução incorpora um AG tradicional, com operadores de seleção, cruzamento e mutação; o controle populacional permite o uso de população de tamanho variável, através do de índices de usabilidade e similaridade das regras com as situações confrontadas pelo robô; por fim, o módulo de execução é responsável pela interação do robô com o ambiente, realizando leitura dos sensores e ações pelos atuadores e, quando necessário, ativar funções de segurança para preservar a integridade física do robô. Para dar sustentabilidade à proposta, esta foi validada através de vários experimentos, realizados em ambientes simulados e em um ambiente real, com um robô NOMAD 200, em diferentes cenários. Os ambientes testados variam desde ambientes esparsos até labirintos com obstáculos e paredes ortogonais entre si. Para cada experimento são apresentados os resultados e respectiva análise de dados. Foram realizadas análises criteriosas no comportamento da população, observando seu crescimento e idade média, bem como os eventos ocorridos no processo de aprendizado, para certificar as características a que se propõe esta abordagem. A principal contribuição deste trabalho é o uso da "IDADE" e II"CSABILIDADE" em um sistema baseado em SC. A usabilidade substitui o atributo de energia e respectivos cálculos do SC tradicional, no processo de escolha das regras, simplificando a implementação. Além disso, pode ser utilizado como índice de ajuste, para que possam ser usadas técnicas convencionais de seleção. A idade é responsável por preservar ou eliminar os indivíduos da população, através de estratégias de penalização e recompensa, possibilitando manter uma população de regras de tamanho variável, permitindo, ainda, manter a diversidade genética na população e evitar a sua homogenização, bem como isentar o modelador do sistema da definição destes parâmetros. / In this work, we propose a new strategy to the problem of learning rules in a Evolutionary System that is applied for mobile robotics using a NOMAD 200 robot. This strategy is based on Genetic AIgoriths and Classifier Systems theories, which are the paradigms of the implemented architecture core for robot controI. The unique feature of this approach is the inspiration on Genetic AIgorithms with Ages. This feature allows the algorithm to make use of a controlled variable size population. The system was designed respecting the physical features of the ~OMAD 200 robot. It is composed by modules of memory, reproduction, populational control and execution. The memory is the base for production rules. The reproduction module is a conventional GA, with operators for selection, crossover and mutation. The population control allows the use of a variable size population, based on the usability and the similarity of the rules on the situations presented to the robot. Finally, the execution module is responsable for the interaction between the robot and the environment, making the sensors reading and action application from the actuators and, if necessary, activating the security functions to preserve the physical integrity of the robot. To give support to the proposal, it was validated through several experiments, performed both in a simulated environment and in a real NOMAD 200 robot, in several cenarios. The environments used in the experiments ranged from open spaces to labyrinths with obstacles and ortogonal walls. Vle present the results and data analysis for each one of the experiments. AIso, the population behavior is analysed, by the observation of his growing and average age and the events occurred during the learning process, to confirm the features of these approach. The main contribution of this work is the use of "AGE"and ""CSABILITY"in a CS based system. The usability replaces the strength attribute and respective calculations necessary in the process of choosing rules in traditional CS. Because of this change, our solution is simpler to implement than traditional CS systems. Besides that, the usability can be used as fitness value, making possible the use of conventional selection techniques. The Age is responsible for the decision of to preserve or to elliminate individuaIs from the population. The choose of individuaIs is done by a penalty and reward strategy, which permits a variable size population of rules with genetic diversity and avoid the population's homogenization. The use of the age for decision making aIso preserves the system developer from the task of defining these parameters.

O presente trabalho tem por objetivo apresentar um estudo sobre o controle ativo de um manipulador robótico, que consiste de uma lâmina exível, articulada em uma extremidade a um atuador do tipo harmonic-drive e livre na outra. Considera-se a modelagem dinâmica estrutural baseada no formalismo discreto "lumped mass approach", o qual aproxima a exibilidade contínua por uma discreta, adotando-se um número nito de modos exíveis. A dinâmica do atuador também é considerada no modelo, a qual contém exibilidade e atritos. Tal modelagem é validada via comparação entre resultados de simulações e experimentos. Atritos não lineares existentes no interior das juntas dos robôs provocam efeitos tais como zona morta em torque e comportamentos do tipo stick-slip, di cultando o desempenho de leis de controle para o caso de robôs rígidos, chegando a inviabilizar completamente o controle para o caso dos robôs com elos exíveis. Para diminuir estes problemas utilizou-se uma rede neural arti cial (RNA) treinada o -line. A saída da RNA é o atrito estimado, o qual é utilizado para compensar o atrito real do manipulador. Como a RNA é treinada o -line e o atrito é um fenômeno que varia com o tempo e com as condições de operação do atuador, a RNA perde seu desempenho, surgindo assim a necessidade de auto ajustar o mecanismo de compensa ção. O torque de atrito (saída da RNA) é multiplicado por um ganho obtido a partir de um algoritmo de inferência fuzzy, constituindo, um compensador neurofuzzy. O algoritmo fuzzy ajusta on-line a saída do compensador para lidar com as variações do torque de atrito. Resultados experimentais indicaram que o compensador neuro-fuzzy reduz signi cativamente a não linearidade imposta pelo atrito no atuador. O problema de controle de vibrações da estrutura exível é abordado com as técnicas alocação de pólos e LQG/LTR (Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery) por meio de simulações. A tese é concluída com a apresentação de resultados experimentais de um controlador baseado na síntese H1 combinada com o compensador de atrito, cujo desempenho mostrou-se satisfatório no controle de vibrações da lâmina exível. / The aim of the present work is the active control of a robotic manipulator, which consists of a exible beam, articulated at one extremity by a harmonicdrive actuator and free at the other. It is employed a structural dynamic model based on the lumped mass approach, which approximates the continuous beam exibility by a discrete one, using a nite number of exible modes. The dynamics of the actuator is also considered in the model, based on its exibility and friction. The model is validated using numerical and experimental results. The non linear friction in the robot joints provokes e ects such as torque dead zone and stick-slip behaviors, di culting the performance of control laws for rigid robots and avoiding completely the control law performance in the case of robots with exible links. To reduce these problems an arti cial neural network (NN), trained o -line, was employed. The NN output is the estimated friction, which is used to compensate the real friction of the manipulator. Since the NN is trained o -line and the friction varies with time and with the actuator operational condition, the NN looses its performance, needing to self adjust this mechanism. The friction torque (NN output) is multiplied by a gain obtained from a fuzzy inference algorithm, resulting the neuro-fuzzy compensator. The fuzzy algorithm adjusts the compensator output on-line to deal with the variations of the friction torque. Experimental results indicate that the neuro-fuzzy compensator can signi cantly decrease the non linearity due to the friction on the actuator. The control of the structural vibrations is treated using pole allocation and Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery (LQG/LTR). The thesis ends with the presentation of experimental results for a controller based on H1 synthesis combined with a friction compensator, whose performance showed to be satisfactory in controlling the vibration of the exible beam.

A competitividade no mercado atual, aliado a uma demanda por qualidade e produtividade dos produtos, tem gerado um aumento significativo no emprego de robôs nos processos produtivos das indústrias. Entretanto, estes equipamentos estão sujeitos a apresentar problemas, mais especificamente, erros de exatidão e repetitividade em suas operações. Nesse contexto, a proposta deste trabalho consiste em aperfeiçoar o entendimento da metodologia existente para avaliação de desempenho de robôs industriais, apresentada pela norma ISO 9283, "Manipulating industrial robots - Performance criteria and related test methods", de modo a viabilizar sua aplicabilidade em testes instrumentalizados para robôs industriais. O dispositivo de avaliação de desempenho elaborado consiste num sistema conhecido como cubo-berço, projetado, construído e aplicado em um robô industrial, pertencente ao laboratório de usinagem e robótica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. As características de exatidão e repetitividade unidirecionais de posicionamento foram mensuradas experimentalmente com base nos critérios constantes na norma específica. Os dados foram obtidos da medição dos erros tridimensionais entre as posições atingidas nos ensaios e as posições programadas no robô de teste, através de um sistema de medição prático e de baixo custo. O dispositivo de medição é constituído por três relógios digitais, montados ortogonalmente em cada eixo do sistema de coordenadas do robô, sob uma estrutura metálica rígida, e conectados a um sistema informatizado, para a coleta e registro dos dados. Os resultados apresentados se mostraram satisfatórios, viabilizando o uso da metodologia apresentada na norma, assim como, do dispositivo de avaliação de desempenho projetado neste estudo. / The competitiveness in the current market, ally to a demand for quality and productivity of the products, has generated a significant increase in the job of robots in the productive processes of the industries. However, these equipments can present some problems, more specifically, errors precision and repeatability errors in operations. The proposal of this paper consists of perfecting the agreement of the existing methodology for evaluation of industrial robots performance, presented for norm ISO 9283, "Manipulating industrial robots - Performance criteria and related test methods", to make possible its applicability in instrumentation tests for industrial robots. The projected device consists of a known system as cube-cradle, projected, constructed and applied in an industrial robot installed on the robotics laboratory of the Rio Grande do Sul Federal University - UFRGS. The precision and repeatability characteristics of positioning had been experimentally measures on the constant criteria basis in the specific norm. The data had been gotten of the three-dimensional measurement errors between the test positions reached and the robot programmed positions, through a practical measurement system and low cost. The measurement device is constituted by three digital gages, assembled in each axle of the robot coordinate basis system, under a metallic structure, and connected to a electronic system, for the data collection and registers. The presented results had shown satisfactory, making possible the use of the methodology presented in the norm, as well, of the projected device of performance evaluation in this study.

Sistemas embarcados, em especial aqueles utilizados em robótica, apresentam, em sua estrutura, uma multiplicidade de dispositivos que resultam em uma arquitetura bastante heterogênea e bem distribuída. Para auxiliar na resolução dessa complexidade inerente, este trabalho resgata os conceitos de frameworks, buscando na sua integração e modelo conceitual, desenvolver um conjunto de ferramentas que gerencia a mediação entre sistemas embarcados e demais aplicações de software, fornecendo bibliotecas e componentes reutilizáveis para aplicações na robótica. Propõe-se utilizar framework e middleware de sistemas open-source para integração entre a plataforma de software e hardware. Um dos objetivos do projeto é criar um framework multi-plataforma com diferentes tipos de serviços para o de desenvolvimento de aplicações no campo da robótica. O projeto tem como estudo de caso sistemas embarcados aplicados em robótica móvel e tecnologia assistiva. / Embedded systems, especially those used in robotics, present in its structure, a plurality of devices that result in a very heterogeneous and well distributed architecture. To help resolve this inherent complexity, the work rescues the concepts of frameworks, seeking their integration and conceptual model, develop a set of tools that manage to mediate between embedded systems and other of software applications, providing reusable libraries and components for applications in robotics. It is proposed to use framework and middleware systems open source for integration between the platform software and hardware. One of the project objectives is to create a multi-platform framework with different types of services, considering the programming and compatibility with hardware for the development of applications in the field of robotics. The project’s case study developing embedded applied in mobile and Assistive Technology robotics.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema eletrônico de controle em tempo real para servoposicionadores pneumáticos baseado em microcontroladores. Os servoposicionadores pneumáticos, por apresentarem características tais como baixo preço, por serem não poluentes e de fácil utilização, além de apresentarem boa relação peso/potência, são atraentes para utilização na área de robótica. Entretanto, devido às suas não-linearidades inerentes, os servoposicionadores pneumáticos apresentam dificuldades que devem ser superadas para a sua adequada utilização em atividade de posicionamento preciso. Assim, visando compensá-las, estão sendo atualmente desenvolvidos algoritmos e técnicas cada vez mais complexas que exigem, por isso, ferramentas programáveis de controle com cada vez maior poder de processamento. Este trabalho apresenta, a partir de uma revisão bibliográfica, as soluções mais utilizadas para o controle digital de sistemas automáticos e de estudos sobre os dispositivos e componentes disponíveis no mercado, uma proposta econômica para o controle em tempo real de servoposicionadores pneumáticos. Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle desenvolvida foi utilizada para o controle de um servoposicionador pneumático. Para tanto, projetou-se e programou-se o tradicional controlador linear PID (Proporcional – Integral – Derivativo) e o controle não linear a estrutura variável baseado em modos deslizantes (Slide Mode Control). A partir dos resultados apresentados e das suas discussões pode-se avaliar o desempenho da arquitetura desenvolvida no controle do servoposicionador pneumático. / This work discusses the development of an electronic real-time control system for microcontroller-based pneumatic servopositioners. The servopositioners offer attractive characteristics for use in robotics, such as low price, non-polluting operation, being easy to use and with a good power/weight ratio. However, due to their inherent non-linearities, the servopositioners present difficulties in precise positioning applications. To compensate these difficulties, the use of complex algorithms and new techniques are currently being availed, requiring hardware for programmable control with increasing processing power. This paper presents an economic proposal for real-time control of servopositioners, starting from a literature review of the most popular solutions for digital control of automated systems and from studies of devices and commercial components currently available. To verify the efficiency of the proposed solution, the control architecture developed was used for the control of a pneumatic servopositioner. Therefore, we designed and programmed a traditional linear controller PID (Proportional – Integral – Derivative) and a nonlinear control based on variable structure sliding mode (Slide Mode Control). The results obtained in trajectory tracking tests were used to evaluate the performance of the developed architecture.

Este trabalho apresenta uma proposta desenvolvida em uma escola da Rede Municipal de Ensino de Porto Alegre que faz uso do recurso LEGO® nas aulas de matemática. O texto busca responder às seguintes perguntas: É possível utilizar a robótica educacional (LEGO® Mindstorms®) como recurso de ensino de Matemática nos anos finais do Ensino Fundamental? Como? Utilizou-se o estudo de caso como metodologia de pesquisa. As atividades visando a integração dos conceitos matemáticos e a robótica educacional foram elaboradas e implementadas à luz das teorias de Seymour Papert e Gèrard Vergnaud. O ambiente de aprendizagem e a Teoria dos Campos Conceituais também forneceram suporte para a análise dos dados. São mencionadas outras pesquisas referentes ao tema Robótica Educacional e suas contribuições para o atual trabalho. Como resultados observou-se um maior envolvimento dos estudantes nos estudos de matemática e robótica, a aceitação do erro como uma estratégia na busca de soluções de problemas de matemática e robótica e o desenvolvimento de estratégias para organizar-se em grupos de trabalho. / This dissertation presents a proposal developed in a school from Rede Municipal de Ensino de Porto Alegre that makes use of LEGO® in math classes. The text tries to answer the following questions: Is it possible to utilize the educational robotic (LEGO® Mindstorms®) as a resource for teaching Mathematics in the final years of elementary school? How? It was utilized the study of case as a research methodology. The activities targeting the integration of mathematics concepts and educational robotic were elaborated and implemented in lights of Seymour Papert’s and Gèrard Vergnaud’s theory. The learning environment and the Conceptual Fields Theory also provided support for the analysis of the data. Other researches relative to the Educational Robotic theme are mentioned and their contribution to the actual dissertation. As results could be observed a greater involvement of students in the studies of mathematics and robotic, the acceptation of the error as a strategy to find the solutions of mathematic and robotic problems, the development of strategies to organize groups of work.