Visando contribuir com o estado-da-arte de sistemas bioinspirados em formigas na robóotica, neste trabalho é abordado o problema do controle de um grupo de robôs para a solução coletiva das tarefas de exploração do ambiente e localização de objetos. Para isso, são utilizados algoritmos inspirados em colônias de formigas. O objetivo deste trabalho, portanto, é o desenvolvimento de um sistema de controle de navegação baseado em colônia de formigas para um time de robôs, de maneira que os robôs resolvam esses problemas utilizando estratégias de controle individuais e simples. Esse sistema tem como base a utilização de marcadores ou feromônios artificiais, que podem ser depositados pelos robôs para marcar determinadas posiçôes do ambiente / Aiming to advance the state-of-the-art of ant bioinspired systems in robotic applications, in this work we study the problem of controling a group of robots for solving colective tasks on environment exploration and object localization. To this end, we used algorithms inspired in ant colonies. Therefore, the objective of this work is to develop a navigation control system based on ant colony can solve the problems using simple control strategies. This system uses marks or artificial pheromones that can be released by the robots to mark specific positions in the environment

Nesta dissertação é realizado um estudo comparativo entre controladores robustos projetados para sistemas lineares em espaço de estado sujeitos a incertezas paramétricas. O objetivo é resolver problemas de acompanhamento de trajetória de robôs. O estudo é realizado em um robô móvel com tração diferencial e em um quadricóptero. Para tal, é aplicado um Regulador Linear Quadrático Robusto no qual engloba em uma estrutura unificada todos os parâmetros de incerteza de entrada e saída de maneira recursiva, útil em aplicações em tempo real. A fim de demonstrar a eficiência do Regulador Robusto, resultados de simulações e de experimentos são empregados comparando-o com controle Η∞ não linear via teoria dos jogos e com um controle Proporcional-Derivativo mais torque calculado. / This work provides a comparative study between robust controllers for linear statespace systems subject to parametric uncertainties to solve trajectory tracking problems. The study is developed in a mobile robot with differential traction and in a quadricopter. A Robust Linear Quadratic Regulator is applied, which encompasses in a unified framework all input and output uncertain parameters, useful in online applications. In order to show the effectiveness of the robust regulator, simulations and experiments results allow the comparison with nonlinear Η∞ control via game theory and with a Proportional- Derivative control plus computed torque.

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a estratégia de controle de posição de um robô pneumático para fins de aplicações industriais, incluindo-se os resultados de testes experimentais. Tal robô foi desenvolvido no Núcleo de Inovação em Máquinas Automáticas e Servo Sistemas (NIMASS) da Unijuí Câmpus Panambi. Atuadores pneumáticos são sistemas muito atrativos para diversas aplicações, em especial na robótica, porque eles têm a vantagem de baixo custo, leveza, durabilidade e são limpos, também possuem facilidade de manutenção, têm boa relação força/tamanho e flexibilidade de instalação, e além disso o ar comprimido está disponível na maioria das instalações industriais. Entretanto, sistemas de posicionamento pneumático possuem algumas características indesejáveis as quais limitam o uso destes em aplicações que requerem uma resposta precisa. Estas características indesejáveis são causadas pela compressibilidade do ar e pelas não linearidades presentes em sistemas pneumáticos, tais como o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da válvula e sua zona morta, além do atrito nas vedações do cilindro pneumático. Neste trabalho obtém-se um modelo matemático não linear de 10ª ordem (total) para os dois primeiros graus de liberdade do robô que tem a estrutura cinemática do tipo Gantry. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e o modelo proposto foi validado em malha aberta para a primeira junta. É implementada uma estratégia de controle clássico com compensação da não linearidade da zona morta em testes experimentais com malha fechada e planejamento da trajetória desejada senoidal e trapezoidal, sem e com a compensação da zona morta, cujos resultados ilustram as características do controlador utilizado e a importância da compensação da zona morta. Este trabalho de pesquisa contribui para o desenvolvimento e o controle de posição de robôs pneumáticos de baixo custo para aplicação industrial. / 131 f.

Historicamente, o termo robô teve sua origem associada à forma humana e também ao seu comportamento. O ser humano desenvolveu, ao longo de seu processo evolutivo, capacidades mentais superiores como a memória, a linguagem, a vontade, entre outras. Tais faculdades permitem-lhe comparar informações obtidas do ambiente e de seus semelhantes com suas recordações e deliberar ações, ou realizar comunicações por meio de linguagens simbólicas, muitas vezes ambíguas. A área da cooperação robótica concentra estudos sobre a interação entre robôs e tem apresentado soluções para o controle adaptativo que, em sua maioria, dota os agentes robóticos de capacidades reativas a estímulos do ambiente. Porém, quando a interação envolve robô e humano, nota-se que as abordagens publicadas colocam apenas o ser humano no papel deliberativo. Essa solução mostra-se limitada, principalmente quando se busca por novas formas de interação que permitam um sistema robótico colaborar efetivamente com humanos e até tutorar o aprendizado destes. Com intuito de contribuir com a solução desse problema, é proposta e apresentada uma nova abordagem de controle, baseada em arquitetura distribuída e que permite a deliberação de comportamentos cooperativos e colaborativos. Além disso, o novo modelo de arquitetura permite operar multi-agentes distribuídos e, com isso, partes distintas de um robô manipulador. Para se validar a aplicabilidade do modelo, apresenta-se o sistema Scara3D, uma interface gráfica que representa o gerador do ambiente virtual, a camada mais baixa do contexto global da arquitetura. Os testes do ambiente virtual envolveram a tele-operação do robô, e seus resultados comprovam a integração e a comunicação entre os contextos global e local da arquitetura. Para que os agentes robóticos e humanos decidam e deliberem ações durante tarefas colaborativas, eles devem compartilhar um mesmo modelo mental dos elementos envolvidos nesse ambiente. A estratégia adotada consiste da representação por meio de uma linguagem simbólica, restrita e não-ambígua, capaz de ser compreendida por humanos e interpretada por computadores. Nesse sentido, as regras do ambiente colaborativo robô-humano são então definidas e descritas nos termos da L-Forum, uma linguagem para abstração de ambientes colaborativos. Um estudo de caso que envolve a colaboração robô-humano em um jogo da velha é descrito em detalhes, assim como o projeto e o desenvolvimento do hardware e do software que o operam. Os testes realizados descrevem situações que demandam do robô a seleção e a aplicação de regras diferentes, e seus resultados validam o processo de deliberação de comportamentos pelo sistema. Conclui-se, portanto, que o uso de regras colaborativas oferece um nível extra de abstração ao sistema, e o torna mais flexível e adaptável em ambientes compartilhados por seres humanos. / Historically, the term robot was originally associated to the human form and also to his behavior. The human being, during its evolutionary process, has developed high level mental abilities such as memory, language, will, among others. Such features allow him to compare information obtained from the environment and from his peers with their memories and deliberate actions or communications by means of a symbolic language, often ambiguous. The research area of robotics cooperation focuses on the interaction among robots and has presented solutions for the adaptive control that, in most cases, provides the robotic agents with reactive capabilities in response to environmental stimuli. However, when the interaction involves robot and human, the approaches that are available in the literature, assign the deliberative role only to the human. This is a constrained solution, especially when looking for new interaction forms that allow a robotic system to effectively collaborate with humans and to tutor the learning of them. Aiming to contribute to the solution of this problem is proposed and presented a new control approach based on distributed architecture that allows the deliberation of cooperative and collaborative behavior. Moreover, the new architecture model allows the interoperation of distributed multi-agents, and thus, distinct parts of a robot manipulator. The presented Scara3D system is used to validate the applicability of the model. The Scara3D is a graphical interface that represents the generator of the virtual environment, the bottom most layer of the global context of architecture. The tests of virtual environment involved the robot teleoperation, and its results prove the integration and communication between local and global contexts of architecture. For the robotic agents and humans decide and deliberate actions during collaborative tasks, they must share the same mental model of the elements involved in this environment. The adopted strategy consists of representation by means of a symbolic language, restricted and non-ambiguous, understandable by humans and interpretable by computers. In this sense, the rules of human-robot collaborative environment are then defined and described in terms of L-Forum, a language that allows abstracting collaborative environments. A case study involving human-robot cooperation in a tic-tac-toe is described in detail, as well as design and development of hardware and software that operate it. The tests describe situations that require the robot selection and application of different rules, and their results validate the process of behavior deliberation by the system. Therefore it is possible to conclude that the collaborative rules usage provides an extra abstraction level to the system, and makes it more flexible and adaptive in environments shared by humans.

O presente trabalho visa à modelagem e ao controle ótimo de um robô quadrúpede autônomo. Devido a variações na topologia e nos graus de liberdade do robô ao longo do seu movimento, duas abordagens diferentes de modelagem foram consideradas: na primeira, foi considerado o robô com pelo menos duas pernas suportando seu corpo ou plataforma e, na segunda, considerou-se o modelo de uma perna no ar. Em ambos os casos, apresentou-se a solução dos problemas cinemáticos de posição direta e inversa por meio da parametrização de Denavit-Hartenberg. Analisaram-se também os problemas cinemáticos de velocidade e suas singularidades através da Matriz Jacobiana, e ainda obtiveram-se os modelos dinâmicos do sistema utilizando-se o Principio do Trabalho Virtual e o método iterativo de Newton-Euler para a plataforma e as pernas, respectivamente. A partir destes modelos dinâmicos, desenvolveu-se um algoritmo de otimização das perdas de energia elétrica dos motores das juntas. Neste sentido, utilizou-se a estratégia do controle independente por junta. Estratégia esta que, junto com a discretização no tempo do modelo do sistema, permitiu transformar o problema inicial de otimização para cada junta em outro de Programação Quadrática bem mais simples de ser resolvido. Depois de resolver estes problemas, para levar em conta as interações entre as dinâmicas das várias juntas, procedeu-se à busca de um ponto fixo ou mínimo global que caracterizasse a energia total gasta no movimento do sistema. Finalmente, realizada a demonstração e a análise de convergência do algoritmo, este foi testado no controle da andadura (gait) do robô Kamambaré. Como resultado do teste, observou-se o bom desempenho da formulação e a viabilidade de sua implementação em sistemas reais. / The present work aims the modeling and optimal control of an autonomous quadruped robot. Due to variations in the topology and the degree of freedom of the robot during its motion, two different modeling approaches were considered: firstly, the robot was considered with at least two legs supporting its body or platform and, second one, was considered the model of a leg in the air. In both cases, was presented the solution of the direct and inverse kinematic problem of position through the Denavit-Hartenberg parameterization. Were analyzed also, the kinematic problem of speed and the singularities through the Jacobian matrix, and was also obtained the dynamic model of the system using the Principle of Virtual Work or the dAlembert method and the iterative Newton-Euler method for the platform and legs, respectively. From these two dynamic model, were developed an algorithm for optimizing the power losses of the motors that driven the joints. In this sense, was used the strategy of independent control for each joint. Such a strategy, along with the discretization in time of the system model, has helped to change the initial optimization problem for each joint in a Quadratic Programming Problem, more simpler to solve. After solving these problems, and to take into account the interactions between the dynamics of various joints, was proceeded to search for a fixed point or a global minimum that would characterize the total energy spent in moving for the system. Finally, held the demonstration and analysis of convergence of the algorithm was tested in the control of gait of the Kamambaré robot. As a result of the test, we observed the good performance of the formulation and the feasibility of its implementation in real systems.

Há mais de uma década os robôs paralelos têm atraído a atenção das comunidades acadêmica e industrial devido às suas vantagens potenciais sobre as arquiteturas predominantes - as seriais. Dentre estas vantagens, pode-se citar a leveza, as elevadas velocidades e acelerações e a capacidade de carga. A aplicação industrial mais promissora para estas arquiteturas alternativas de robôs são as operações \"pega-e-põe\", necessárias nas indústrias alimentícia, farmacêutica e de componentes eletrônicos. Neste trabalho apresenta-se um robô paralelo, concebido com a finalidade de realizar operações \"pega-e-põe\" no espaço bidimensional (plano). O objetivo principal é a análise dinâmica deste mecanismo, empregando o método de Kane, para a determinação dos torques dos atuadores e das forças de reação, causados pelo efeito dinâmico de sua movimentação, quando a garra esteja sujeita a esforços externos e realizando uma trajetória retilínea ou circular em movimento uniforme ou uniformemente variado. Para tanto, desenvolveu-se nesta dissertação a análise cinemática do robô, um estudo de possíveis trajetórias para a garra, o levantamento do espaço de trabalho, bem como a análise dinâmica correspondente. Incluiu-se também diversas simulações para caracterizar melhor suas propriedades. / For over a decade parallel robots have attracted the interest from academic and industrial communities due to their potential advantages over the predominant serial architecture. Among these advantages are the lighter weight and higher speeds, accelerations, and load capacity. The most promising industrial application for these alternative architectures are the pick-and-place operations, which are needed in food, pharmaceutical and electronics industries. We show here a parallel robot designed to perform pick-and-place operations in two dimensions , i.e., on a plane. The main goal is the dynamical analysis of this mechanism by means of the Kane method. We determine the torques of the actuators and the reaction forces caused by the dynamical effects of its movement, when its end-effector is subject to external load. The cases of uniform and accelerated movements, with either straight or circular trajectory, are considered. Therefore, in this dissertation we present the kinematics analysis of the robot, an analysis of possible end-effector trajectories, the workspace development, and the corresponding dynamical analysis. A few simulations are also included to better describe its properties.

A análise da marcha humana é um dos principais recursos que podem ser utilizados no estudo e tratamento de patologias que envolvem o aparelho locomotor. O presente trabalho visa o projeto e a construção de um robô bípede antropomórfico para ser, juntamente com um laboratório de marcha, uma ferramenta de auxílio aos profissionais da saúde na análise da marcha humana. O robô construído é capaz de reproduzir, de uma forma assistida, padrões de marcha reais, cujos dados são previamente adquiridos por um laboratório de marcha. As características dimensionais e cinemáticas desse robô são semelhantes às de um corpo humano. Dessa forma, a escolha das dimensões dos membros do robô e das faixas de movimentação de suas articulações foi baseada em dados provenientes de corpos humanos. Além disso, para garantir uma semelhança ainda maior com o corpo humano, um mecanismo paralelo foi selecionado para ser o responsável pelos movimentos das articulações do tornozelo e do quadril. Um sistema de sensoriamento barato, baseado em sensores de inclinação e de contato, foi desenvolvido para avaliar a reprodução da marcha humana por parte do robô. Agora, para acionar o robô, servo motores controlados por sinais PWM foram utilizados. Esse trabalho também apresenta o desenvolvimento de um modelo dinâmico tridimensional do robô que considera a sua interação com o solo. / The analysis of the human gait is one of the main resources that can be used in studies and treatment of pathologies which involve the locomotor system. The goal of this research is to design and to build an anthropomorphic biped robot to be used as a tool that could help health professionals to study the human gait. Once built, the robot can reproduce in an assisted way, real gait patterns based on datas that were previously acquired by a gait laboratory. The dimensionals and kinematics traits of this robot are alike to the human body. Therefore the choice of the limb dimensions from the robot and the bustle ranges of its articulations were based on datas originated in human bodies. Beyond this and to guarantee a great similarity to the human body a parallel mechanism was selected to be the responsible for the articulations movements of the ankle and hip. A cheap sensor system based on tilt and contact sensors was developed to evaluate the reproduction of the human gait by the robot. To operate the robot servo-motors controlled by PWM signals were used. This study also presents the development of a three-dimensional dynamic model of the robot that considers its interaction with the ground.

Nas ciências de computação, o estudo de emoções tem sido impulsionado pela construção de ambientes interativos, especialmente no contexto dos dispositivos móveis. Pesquisas envolvendo interação humano-robô têm explorado emoções para propiciar experiências naturais de interação com robôs sociais. Um dos aspectos a serem investigados é o das abordagens práticas que exploram mudanças na personalidade de um sistema artificial propiciadas por alterações em um estado emocional inferido do usuário. Neste trabalho, é proposto um ambiente para interação humano-robô baseado em emoções, reconhecidas por meio de análise de expressões faciais, para plataforma Android. Esse sistema consistiu em um agente virtual agregado a um aplicativo, o qual usou informação proveniente de um reconhecedor de emoções para adaptar sua estratégia de interação, alternando entre dois paradigmas discretos pré-definidos. Nos experimentos realizados, verificou-se que a abordagem proposta tende a produzir mais empatia do que uma condição controle, entretanto esse resultado foi observado somente em interações suficientemente longas. / In computer sciences, the development of interactive environments have motivated the study of emotions, especially on the context of mobile devices. Research in human-robot interaction have explored emotions to create natural experiences on interaction with social robots. A fertile aspect consist on practical approaches concerning changes on the personality of an artificial system caused by modifications on the users inferred emotional state. The present project proposes to develop, for Android platform, an environment for human-robot interaction based on emotions. A dedicated module will be responsible for recognizing emotions by analyzing facial expressions. This system consisted of a virtual agent aggregated to an application, which used information of the emotion recognizer to adapt its interaction strategy, alternating between two pre-defined discrete paradigms. In the experiments performed, it was found that the proposed approach tends to produce more empathy than a control condition, however this result was observed only in sufficiently long interactions.

Norteado pela necessidade de evolução do mercado agrícola, o desenvolvimento da agricultura de precisão atinge o nível de gerenciamento escalar de uma única planta, utilizando robôs agrícolas autônomos, os quais deverão trabalhar por longos períodos, ser ambientalmente corretos, atender às necessidades dos clientes, e ainda, com qualidade, confiabilidade e segurança. Este trabalho tem como objetivos pesquisar, discutir e apresentar os requisitos da qualidade em robôs agrícolas, focando a satisfação do usuário final. Tais objetivos serão atingidos por meio do detalhamento da aplicação de ferramentas utilizadas durante o desenvolvimento do produto, e da avaliação de um robô existente, quanto ao atendimento dos requisitos definidos pelo usuário final. O estudo conclui que, a melhor metodologia a ser utilizada para satisfazer as necessidades do usuário final de um robô agrícola, é aplicação da ferramenta QFD durante o desenvolvimento do projeto do produto. Quanto à avaliação do robô existente, a conclusão foi de que, por se tratar de um robô desenvolvido com finalidade experimental para execução de pequenas atividades e com recursos financeiros limitados, sua nota média obtida pode ser considerada apropriada. / Guided by agricultural market evolution demand, precision agriculture development reaches scalar management level of one only plant, through the usage of autonomous agricultural robots, which must work in long shifts, environmentally friendly, meet customer requirements, all this with quality, reliability and safety. This work aims the research, discussion and presentation of quality requirements of agricultural robots, focusing on the satisfaction of final user. These objectives are reached through the tools application detailing used during the product development and evaluation of an existent robot on the requirements defined by the final user. The study concludes that the best methodology to be used to satisfy agricultural robots final user needs is through the application of QFD tool during the product design. As for the evaluation on the existent robot, the conclusion was that, as a robot developed for an experimental execution of small activities and with limited budget, his average score may be considered appropriated.

Visando contribuir com o estado-da-arte de sistemas bioinspirados em formigas na robóotica, neste trabalho é abordado o problema do controle de um grupo de robôs para a solução coletiva das tarefas de exploração do ambiente e localização de objetos. Para isso, são utilizados algoritmos inspirados em colônias de formigas. O objetivo deste trabalho, portanto, é o desenvolvimento de um sistema de controle de navegação baseado em colônia de formigas para um time de robôs, de maneira que os robôs resolvam esses problemas utilizando estratégias de controle individuais e simples. Esse sistema tem como base a utilização de marcadores ou feromônios artificiais, que podem ser depositados pelos robôs para marcar determinadas posiçôes do ambiente / Aiming to advance the state-of-the-art of ant bioinspired systems in robotic applications, in this work we study the problem of controling a group of robots for solving colective tasks on environment exploration and object localization. To this end, we used algorithms inspired in ant colonies. Therefore, the objective of this work is to develop a navigation control system based on ant colony can solve the problems using simple control strategies. This system uses marks or artificial pheromones that can be released by the robots to mark specific positions in the environment