Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / El presente trabajo para optar al título de magíster en ciencias de la ingeniería, mención mecánica radica en el diseño, fabricación y caracterización de una población heterogénea de robot modulares blandos. Cada robot modular es capaz de realizar un movimiento único y que en conjunto logran realizar tareas más complejas y complicadas. Cada diseño posee una característica propia la cual logra que el comportamiento de cada robot modular blando sea completamente diferente a otro. Principalmente se utiliza una fibra idealmente no extensible para impedir o guiar la expansión en ciertas direcciones logrando que el robot tenga la capacidad de rotar, de inclinar, de deslizar o de expandir en una dirección o en dos direcciones. Todos los robot modulares son simulados en un software de elementos finitos y dinámica de fluido computacional con las propiedades de un material tipo hiperelástico y un material idealmente inextensible, los cuales son sometidos a un procedimiento de presurización y despresurización controlado para observar su comportamiento e.g. su desplazamiento, deslizamiento o rotación. La fabricación de cada robot modular es realizado utilizando el método llamado litografía blanda, el cual se usa un tipo de elastómero que dentro de sus características se destacan su gran capacidad expansiva y su resistencia a la rotura. Esta silicona es depositada en moldes generadas por impresión 3D con el método llamado modelado por deposición fundida el cual es un proceso de fabricación utilizado para el modelado de prototipos y la producción a pequeña escala. Se ha realizado una comparación entre los datos adquiridos mediante las simulaciones y los datos empíricos obtenidos en base a las pruebas hechas de presurizado y despresurizado. Se adquieren el error estándar del comportamiento controlado que presenta cada módulo mediante su desviación estándar dividida por la raíz cuadrada del número de repeticiones. En esta tesis se ha podido concluir que la población de robots modulares blandos presenta un gran potencial para ser utilizados en variadas áreas de la investigación, gracias a su versatilidad para lograr diferentes configuraciones en su sistema logrando así una amplia gama de movimientos.

Ingeniero Civil Eléctrico / El objetivo general del presente trabajo es el de implementar un sistema de cuadricopteros miniatura controlados de forma autónoma, en un ambiente cooperativo, para el transporte de algún tipo de material de forma acumulativa. Se busca estudiar los posibles rangos de aplicaciones que puedan desarrollar cuadricopteros de tamaño reducido, que no sean factibles para drones de mayor tamaño, en cuanto a su desempeño, movilidad y escalabilidad. El sistema consiste en cuadricopteros miniatura Crazyflie controlados utilizando teoría de control PID. Para realizar el feedback del lazo cerrado de control, se utilizara un sistema de captura de movimiento OptiTrack, un conjunto de cámaras para obtener la ubicación espacial de los cuadricopteros y todos los objetos pertinentes en la escena. El sistema de OptiTrack funciona junto a su software Motive:Tracker, el cual puede hacer transmisión de la información de la escena en tiempo real. Se escribe un programa en lenguaje de programación Python para recibir e interpretar toda la información recibida de la escena, implementar el control PID y crear una rutina de comportamiento para los cuadricopteros. Respecto al hardware, ha de configurarse el set de cámaras, ensamblar los cuadricopteros y diseñar el mecanismo de sujeción que utilizaran para para transportar carga. Se logra implementar el sistema, desarrollando una iteración en el control de los cuadricopteros para adecuarse al propósito de transporte de material y trabajar acorde a las condiciones de su ambiente. Se consigue levantar 7gr de peso adicional, considerando que un cuadricoptero pesa 19gr. De la misma forma, el diseño del transporte de carga se ha iterado hasta lograr un funcionamiento adecuado, moviendo aproximadamente 2.7gr de arena por viaje.

Neste trabalho é realizado um estudo sobre controladores adaptativos aplicados a manipuladores robóticos, dando ênfase à infuência dos seus parâmetros de projeto sobre o desempenho do sistema de controle e aos benefícios propiciados pela utilização desses controladores. Primeiramente é efetuado um resumo sobre as principais estratégias de controle adaptativo para manipuladores robóticos, ressaltando suas classificações e princípios básicos de funcionamento. Posteriormente, são projetados um Controlador Adaptativo Auto-Sintonizável (Self-Tuning) e um Controlador Adaptativo por Modelo de Referência (MRAC). Os desempenhos destes controladores são comparados com um utilizando estratégia PID, com sintonia ótima, via simulações em um manipulador com três graus de liberdade realizando tarefas de rastreamento e Pick-and-Place sujeitas a variações abruptas de carga. As estratégias adaptativas também são comparadas entre si, no que se refere, por exemplo, à facilidade para se especificar os parâmetros de projeto e à carga computacional requerida.

En este trabajo se desarrolla el modelo dinámico de un actuador hidráulico de doble efecto de la marca Fluidtek, el cual forma parte importante del simulador de marcha normal que se desarrolla en la Pontifica Universidad Católica del Perú. Asimismo, se muestra el comportamiento dinámico del actuador por medio de simulaciones ejecutadas en MatLab, para lo cual se desarrolló el algoritmo correspondiente. En primer lugar se identificaron los parámetros que caracterizan el modelo dinámico del actuador hidráulico, definiendo como variable de entrada la presión hidráulica del fluido y como variable de salida el desplazamiento del vástago. El modelo matemático se obtuvo planteando las condiciones de equilibrio correspondientes a los fenómenos físicos presentes en el accionamiento del actuador. Algunos parámetros del modelo se obtuvieron revisando la información técnica del fabricante, mientras que otros fueron obtenidos por medición y experimentación (coeficiente de fricción dinámica) y de la literatura técnica (módulo de Bulk). Los resultados obtenidos indican que el comportamiento del actuador presenta un error en estado estacionario, lo cual produce imprecisión en la señal de salida, por lo que es necesario tomar acciones de control al respecto. Sin embargo, las gráficas muestran que la simulación en el computador asemeja a lo observado en el banco de pruebas. De esta manera, se concluye que el modelo matemático obtenido describe adecuadamente al actuador. / Tesis

Con el fin de reducir los principales riesgos presentes en la Cirugía Abierta y la Cirugía Mínimamente Invasiva (CMI), así como las dificultades relacionadas con la micro-manipulación se ha desarrollado el Sistema Robótico HOKUTO, el cual tiene la capacidad de manipular, con un alto grado de precisión, objetos, tejidos u otro tipo de materias físicas cuyas dimensiones sean inferiores a 1 cm. La estructura del sistema está compuesto por tres partes principales: el micromanipulador, la unidad de accionamiento, y el soporte principal. El micromanipulador es un brazo robótico, con forma cilíndrica y de tamaño milimétrico, con un radio de aproximadamente 5mm. El micro-manipulador cuenta con una gran movilidad y destreza de movimiento gracias a todos los grados de libertad (GDL) con los que cuenta: 4 GDL en la muñeca para su desplazamiento dentro de su espacio de trabajo y 1 GDL en el efector final para la sujeción de objetos. La unidad de accionamiento es utilizado para el almacenamiento de todos los actuadores empleados en el sistema, los cuales generan y transmiten el movimiento hasta el micro-manipulador, a través de un arreglo de poleas y cables. El soporte principal sujeta la unidad de accionamiento y almacena todos circuitos eléctricos, así como, la fuente de alimentación. La instalación del sistema se realiza a través del soporte principal, el cual se fija a una superficie horizontal por medio de tornillos, así mismo, cuenta con un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) conectada a una tomacorriente industrial, el cual permite al sistema seguir funcionando aun cuando se produzcan apagones o fallas en la fuente principal de energía. El sistema requiere de un operario capacitado para su uso. El control se realizará desde una computadora personal (PC), a través del software Microsoft Visual C++, el cual permitirá controlar cada movimiento del robot de forma independiente y proporcionará retroalimentación sobre la posición de cada una de las articulaciones del micro-manipulador en tiempo real. Cada uno de los componentes mecánicos del sistema estará fabricado en acero inoxidable 316, lo cual permitirá utilizarlo como una herramienta de inspección en Cirugía Robótica Mínimamente Invasiva (CRMI). / Tesis

Swarm robotics focuses on the study and development of robot systems containing a large number of agents that interact with each other in a collective behaviour in order to achieve tasks or overcome obstacles. Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application – qualities which are advantageous for agents of swarm robotic systems. However, most studies have been developed over systems with no control or systems with two or more actuators. The aim of this master thesis is the development of a bristle based robot agent for a swarm robotics microsystem with units for locomotion, sensing, data processing, control, communication and energy storage. New approaches in modelling and development of swarm agents are given, and a robot prototype is presented. The robot is driven by a single DC motor and uses a bristle system to create locomotion. It should be noted, that within the system design, considerations for the size, weight and minimalist architecture are taken. Experiments are presented and the system’s capabilities for displacement, velocity and trajectory generation are analysed. While the parallel velocity maintains a positive magnitude in both motor rotation directions, the rotation speed and transversal velocity of the robot have opposite directions, creating curved trajectories with opposite orientations. In Frequencies up to 210 Hz, the rotation direction of the robot is maintained while the magnitude slightly varies. However, for higher frequencies, the rotation direction of the robot is reversed, maintaining a similar magnitude. The transversal speeds at this frequency range, maintain their direction but are clearly reduced compared to lower frequencies. / Tesis

Submitted by FERNANDA DA SILVA VON PORSTER (fdsvporster@univates.br) on 2016-04-29T18:55:29Z No. of bitstreams: 3 license_text: 21785 bytes, checksum: 437124b5633f574dd923bee1fd1c88bf (MD5) license_rdf: 21267 bytes, checksum: 73e23c2acaaf13389e092bd813e3223d (MD5) 2015MariaClaudeteSchorrWildner.pdf: 4430010 bytes, checksum: 5a92be70e77f4042a839ef983be77b43 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Lisboa Monteiro (monteiro@univates.br) on 2016-05-04T17:47:07Z (GMT) No. of bitstreams: 3 license_text: 21785 bytes, checksum: 437124b5633f574dd923bee1fd1c88bf (MD5) license_rdf: 21267 bytes, checksum: 73e23c2acaaf13389e092bd813e3223d (MD5) 2015MariaClaudeteSchorrWildner.pdf: 4430010 bytes, checksum: 5a92be70e77f4042a839ef983be77b43 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-04T17:47:07Z (GMT). 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Os objetivos específicos propostos na pesquisa foram: identificar os conhecimentos prévios dos alunos em relação a alguns elementos da geometria plana e da robótica; desenvolver uma prática pedagógica, com alunos do 9º Ano do Ensino Fundamental, que envolva geometria plana por meio da robótica, estimulando os alunos a estabelecer conexões entre esta e a Matemática; analisar se as atividades desenvolvidas durante a prática pedagógica são potencialmente significativas para a aprendizagem de alguns conceitos da geometria plana. Para o alcance dos objetivos, compreendeu-se a robótica como meio para a aprendizagem da geometria plana. A pesquisa é de natureza quantitativa e qualitativa. Para levantamento dos dados, foram utilizados um pré-teste e um pós-teste, além de observações feitas em um diário de campo, fotos, filmagens e, por fim, um questionário de satisfação. Os dados apontaram que: a) os alunos evidenciaram, antes da intervenção pedagógica, a falta de alguns subsunçores relacionados aos conceitos de áreas e perímetros, em especial, de figuras planas no formato irregular; b) o material elaborado durante a prática pedagógica desenvolvida com os alunos mostrou ser potencialmente significativo, pois contribuiu para que houvesse modificação, enriquecimento e elaboração de subsunçores presentes nas estruturas cognitivas dos alunos; c) os alunos, diante da proposta apresentada, mostraram-se predispostos a aprender os conceitos de áreas e perímetros, favorecendo a ocorrência da aprendizagem significativa; d) o pós-teste e o questionário de satisfação evidenciaram alterações nos subsunçores dos alunos, bem como apontaram que a robótica pode ser um meio para auxiliar na aprendizagem de alguns conceitos relacionados à geometria. / This dissertation approaches the use of robotic as resource to a meaningful learning of plane geometry in 9th grade of Elementary School, whose research problem was: How can the robotic contribute in the meaningful learning of plane geometry in 9th grade of Elementary School. The study was performed in a private school of Lajeado city, Rio Grande do Sul, whose participants were, twenty seven students of 9th grade of Elementary School. The specific goals proposed on the research were: identify prior knowledge of students in relation to some elements of plane geometry and robotic; develop a pedagogical practice, with students of 9th grade of Elementary School, that involve plane geometry by means the robotic, stimulating students to establish connections between robotic and mathematic; examine whether the activities developed during the pedagogical practices are potentially meaningful to learning of some concepts of plane geometry. The research is a quantitative and qualitative nature. For data collection were used a pretest and post-test, besides of annotation performed in a field diary, photos, shooting, and the end, a satisfaction questionnaire. The data showed: a) students show, before the pedagogical intervention, the lack of some subsumer related to concepts of area and perimeter, in a special situation, in plane figures of irregular format; b) the material made during pedagogical practice developed with the students showed be potentially meaningful, because contributed to provide modification, enrichment and development of present subsumer on the cognitive structures of students; c) the students, face of presented proposed, show up predisposed to learn the concepts of area and perimeter, favoring the meaningful learning; d) the post-test and the satisfaction questionnaire showed modification on the student's subsumer, as well as indicate that the robotic may be a means to assist in learning of some concepts related to the geometry.

Inicialmente concebidos para operar em ambientes industriais fechados, os robôs vem se tornando cada vez mais difundidos na sociedade. Suas atribuições não se limitam mais exclusivamente a execução de simples tarefas de repetição, mas a uma interação efetiva com o mundo em que se inserem. Para atingir tal objetivo, estes robôs devem possuir um controlador flexível, capaz de adaptar-se continuamente ao mundo dinâmico que o cerca. A maioria das soluções para o posicionamento de um braço, manipulador funcionam através do mapeamento de posições/orientações espaciais e de configurações das juntas do braço. Uma vez que a função cinemática direta não possui inverso global, diversas restrições devem ser adicionadas ao sistema de modo a diminuir a quantidade de soluções possíveis. Este tipo de controlador não e flexível, uma vez que qualquer modificação no estado do sistema pode tornar o controlador Este fato obriga a introdução de novos paradigmas na programação de robôs. Redes neurais possuem a capacidade de solucionar problemas não-lineares que, de outra forma, tornam-se muito difíceis de tratar matematicamente. Devido a natureza altamente não-linear do controle de um braço manipulador articulado, seja da parte cinemática ou dinâmica do processo, redes neurais vem sendo utilizadas sistematicamente na definição de sistemas de controle robóticos. Porem, apesar da grande versatilidade das redes neurais, estas tem sido, em grande parte, utilizadas apenas como sistemas de mapeamento não-linear. Tanto nos problemas cinemáticos quanto dinâmicos, existe um processo de treinamento onde a rede armazena diversos estados possíveis para o sistema e, após este processo, busca as soluções previamente armazenadas na rede. Contudo, esta abordagem não e a mais adequada para sistemas abertos, ou seja, sistemas que não são completamente conhecidos e que podem sofrer transformações no decorrer do seu funcionamento. Este fato leva a que soluções armazenadas para uma determinada configuração do sistema não funcionem para outras configurações. Este trabalho apresenta uma estratégia de controle neural adaptativo para o posicionamento de um braço de robô no espaço. Diferentemente das abordagens tradicionais, não existe um processo de treinamento da rede, mas sim uma continua adaptação do bravo de modo a se aproximar da localização espacial (posição e orientação) desejada. Desta forma, qualquer que seja o estado corrente do ambiente no qual o sistema robótico esteja inserido, este e capaz de encontrar uma solução adaptativamente, sem as limitações impostas por configurações de braço previamente armazenadas. / Initially conceived to work inside closed industrial environments, robots are becoming part of our everyday lives. They are not demanded to execute repeated simple tasks anymore, but to interact with the world around them in an efficient and intelligent way. In order to achieve this goal, those robots must have a flexible controller, capable of adapting itself to a dynamic world. The majority of solutions to position a robot arm try to map a spatial position and orientation to a joint configuration. Since the forward kinematics function has no global inverse, several constraints must be added in order to prune the solution space, and the arm position will be restricted to the one previously mapped as the problem solution. This is not a flexible solution because any obstacle in the way will turn this approach useless. This fact obliges us to use new paradigms when programming robots, because known control techniques are, most of the time, no longer suitable. The problem of positioning a robot arm in the three-dimensional space has been studied for a long time. However, most solutions developed until now, despite the fact of providing great reliability and accuracy, lack the necessary flexibility to permit the arm to move in an open environment. Most problems to be solved by a robot arm in uncontrolled environments are mostly like the ones we solve in a daily basis, such as pick and place tasks. Those tasks don't necessarily need the accuracy provided by the known methods to positon an arm, but they do need the degree of adaptivity and flexibility that humans possess. In this thesis we will present a neural adaptive approach to solve the problem of positioning a robot arm in the space. This method works by incorporating the state of the system into the network. The network input is the current state of the system (the current arm position and orientation) and the outputs are the changes in the state variables (the joint values) in order to approximate the current state to the desired one. This is a closed-loop neural control scheme and it is done in real time without needing any previous training phase.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Fernando Lobo Pereira

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