presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo. / The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.

O reconhecimento da posição e orientação de objetos em uma imagem é importante para diversos segmentos da engenharia, como robótica, automação industrial e processos de fabricação, permitindo às linhas de produção que utilizam sistemas de visão, melhorias na qualidade e redução do tempo de produção. O presente trabalho consiste na elaboração de um sistema de visão computacional para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido, obtêm-se a posição e orientação de peças a fim de que as mesmas possam ser capturadas corretamente pelo robô. Para a obtenção da posição e orientação das peças, utilizou-se o método de cálculo dos momentos para extração de características de uma imagem, além da relação entre suas coordenadas em pixels com o sistema de coordenadas do robô. O desenvolvimento do presente trabalho visou também a integrar a esse sistema de visão computacional, um algoritmo de planejamento de trajetórias do robô, o qual, após receber os valores das coordenadas necessárias, gera a trajetória a ser seguida pelo robô, de forma que este possa pegar a peça em uma determinada posição e deslocá-la até outra posição pré-determinada. Também faz parte do escopo deste trabalho, a integração do sistema de visão, incluindo o planejamento de trajetórias, a um algoritmo de controle dos atuadores com compensação de atrito e a realização de testes experimentais com manipulação de peças. Para a demonstração da aplicação do método através de testes experimentais, foi montada uma estrutura para suportar as câmeras e as peças a serem manipuladas, levando em conta o espaço de trabalho do robô. Os resultados obtidos mostram que o algoritmo proposto de visão computacional determina a posição e orientação das peças permitindo ao robô a captação e manipulação das mesmas. / The recognition of the position and orientation of objects in an image is important for several technological areas in engineering, such as robotics, industrial automation and manufacturing processes, allowing production lines using vision systems, improvements in quality and reduction in production time. The present work consists of the development of a computer vision system for a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The application of the proposed method furnishes the position and orientation of pieces in a way that the robot could properly capture them. Position and orientation of the pieces are determined by means of a technique based on the method of calculating the moments for an image feature extraction and the relationship between their pixels coordinates with the robot coordinate system. The scope of the present work also comprises the integration of the computer vision system with a (previously developed) robot trajectory planning algorithm that use key-point coordinates (transmitted by the vision system) to generate the trajectory that must be followed by the robot, so that, departing from a given position, it moves suitably to another predetermined position. It is also object of this work, the integration of both vision system and trajectory planning algorithm with a (also previously developed) nonlinear control algorithm with friction compensation. Aiming at to demonstrate experimentally the application of the method, a special apparatus was mounted to support cameras and the pieces to be manipulated, taking into account the robot workspace. To validate the proposed algorithm, a case study was performed, with the results showing that the proposed computer vision algorithm determines the position and orientation of the pieces allowing the robot to capture and manipulation thereof.

presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo. / The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.

presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo. / The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.

O reconhecimento da posição e orientação de objetos em uma imagem é importante para diversos segmentos da engenharia, como robótica, automação industrial e processos de fabricação, permitindo às linhas de produção que utilizam sistemas de visão, melhorias na qualidade e redução do tempo de produção. O presente trabalho consiste na elaboração de um sistema de visão computacional para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido, obtêm-se a posição e orientação de peças a fim de que as mesmas possam ser capturadas corretamente pelo robô. Para a obtenção da posição e orientação das peças, utilizou-se o método de cálculo dos momentos para extração de características de uma imagem, além da relação entre suas coordenadas em pixels com o sistema de coordenadas do robô. O desenvolvimento do presente trabalho visou também a integrar a esse sistema de visão computacional, um algoritmo de planejamento de trajetórias do robô, o qual, após receber os valores das coordenadas necessárias, gera a trajetória a ser seguida pelo robô, de forma que este possa pegar a peça em uma determinada posição e deslocá-la até outra posição pré-determinada. Também faz parte do escopo deste trabalho, a integração do sistema de visão, incluindo o planejamento de trajetórias, a um algoritmo de controle dos atuadores com compensação de atrito e a realização de testes experimentais com manipulação de peças. Para a demonstração da aplicação do método através de testes experimentais, foi montada uma estrutura para suportar as câmeras e as peças a serem manipuladas, levando em conta o espaço de trabalho do robô. Os resultados obtidos mostram que o algoritmo proposto de visão computacional determina a posição e orientação das peças permitindo ao robô a captação e manipulação das mesmas. / The recognition of the position and orientation of objects in an image is important for several technological areas in engineering, such as robotics, industrial automation and manufacturing processes, allowing production lines using vision systems, improvements in quality and reduction in production time. The present work consists of the development of a computer vision system for a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The application of the proposed method furnishes the position and orientation of pieces in a way that the robot could properly capture them. Position and orientation of the pieces are determined by means of a technique based on the method of calculating the moments for an image feature extraction and the relationship between their pixels coordinates with the robot coordinate system. The scope of the present work also comprises the integration of the computer vision system with a (previously developed) robot trajectory planning algorithm that use key-point coordinates (transmitted by the vision system) to generate the trajectory that must be followed by the robot, so that, departing from a given position, it moves suitably to another predetermined position. It is also object of this work, the integration of both vision system and trajectory planning algorithm with a (also previously developed) nonlinear control algorithm with friction compensation. Aiming at to demonstrate experimentally the application of the method, a special apparatus was mounted to support cameras and the pieces to be manipulated, taking into account the robot workspace. To validate the proposed algorithm, a case study was performed, with the results showing that the proposed computer vision algorithm determines the position and orientation of the pieces allowing the robot to capture and manipulation thereof.

O reconhecimento da posição e orientação de objetos em uma imagem é importante para diversos segmentos da engenharia, como robótica, automação industrial e processos de fabricação, permitindo às linhas de produção que utilizam sistemas de visão, melhorias na qualidade e redução do tempo de produção. O presente trabalho consiste na elaboração de um sistema de visão computacional para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido, obtêm-se a posição e orientação de peças a fim de que as mesmas possam ser capturadas corretamente pelo robô. Para a obtenção da posição e orientação das peças, utilizou-se o método de cálculo dos momentos para extração de características de uma imagem, além da relação entre suas coordenadas em pixels com o sistema de coordenadas do robô. O desenvolvimento do presente trabalho visou também a integrar a esse sistema de visão computacional, um algoritmo de planejamento de trajetórias do robô, o qual, após receber os valores das coordenadas necessárias, gera a trajetória a ser seguida pelo robô, de forma que este possa pegar a peça em uma determinada posição e deslocá-la até outra posição pré-determinada. Também faz parte do escopo deste trabalho, a integração do sistema de visão, incluindo o planejamento de trajetórias, a um algoritmo de controle dos atuadores com compensação de atrito e a realização de testes experimentais com manipulação de peças. Para a demonstração da aplicação do método através de testes experimentais, foi montada uma estrutura para suportar as câmeras e as peças a serem manipuladas, levando em conta o espaço de trabalho do robô. Os resultados obtidos mostram que o algoritmo proposto de visão computacional determina a posição e orientação das peças permitindo ao robô a captação e manipulação das mesmas. / The recognition of the position and orientation of objects in an image is important for several technological areas in engineering, such as robotics, industrial automation and manufacturing processes, allowing production lines using vision systems, improvements in quality and reduction in production time. The present work consists of the development of a computer vision system for a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The application of the proposed method furnishes the position and orientation of pieces in a way that the robot could properly capture them. Position and orientation of the pieces are determined by means of a technique based on the method of calculating the moments for an image feature extraction and the relationship between their pixels coordinates with the robot coordinate system. The scope of the present work also comprises the integration of the computer vision system with a (previously developed) robot trajectory planning algorithm that use key-point coordinates (transmitted by the vision system) to generate the trajectory that must be followed by the robot, so that, departing from a given position, it moves suitably to another predetermined position. It is also object of this work, the integration of both vision system and trajectory planning algorithm with a (also previously developed) nonlinear control algorithm with friction compensation. Aiming at to demonstrate experimentally the application of the method, a special apparatus was mounted to support cameras and the pieces to be manipulated, taking into account the robot workspace. To validate the proposed algorithm, a case study was performed, with the results showing that the proposed computer vision algorithm determines the position and orientation of the pieces allowing the robot to capture and manipulation thereof.