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Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, Escola de Engenharia, 2011. / Submitted by Lilian M. Silva (lilianmadeirasilva@hotmail.com) on 2013-04-22T19:33:16Z No. of bitstreams: 1 Modelagem e controle de atuadores robóticos e veículos subaquáticos não tripulados.pdf: 2108153 bytes, checksum: 01646a2e791884ffca750c5291ce8bd1 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2013-06-03T19:14:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Modelagem e controle de atuadores robóticos e veículos subaquáticos não tripulados.pdf: 2108153 bytes, checksum: 01646a2e791884ffca750c5291ce8bd1 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-06-03T19:14:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Modelagem e controle de atuadores robóticos e veículos subaquáticos não tripulados.pdf: 2108153 bytes, checksum: 01646a2e791884ffca750c5291ce8bd1 (MD5) Previous issue date: 2011 / Esta dissertação trata da modelagem e do controle de um atuador robótico e de veículos subaquáticos não tripulados. Primeiramente o trabalho compara e valida experimentalmente dois modelos de atrito existentes na literatura (LuGre e Gomes). Desenvolve-se um controle de posição baseado em estrutura variável para o atuador robótico do tipo harmonic-drive. Simulações são realizadas a fim de verificar a robustez do controlador perante a variação paramétrica em comparação com o controle proporcional, integral e derivativo (PID). Resultados experimentais das aplicações dos controles são obtidos mostrando desempenhos muito próximos aos de simulação. Posteriormente é feito um estudo sobre veículos subaquáticos não tripulados (Tatuí e Nerov). A modelagem cinemática é descrita por ângulos de Euler e a modelagem dinâmica inclui a interação da estrutura mecânica do veículo com o meio aquático e a ação dos propulsores. Desenvolve-se um sistema de controle de posição e orientação utilizando estrutura variável. Resultados de simulação ilustram as características do controlador com incertezas paramétricas e correntes oceânicas em comparação com o PID usando a estratégia de linearização por realimentação. / The subject of this dissertation is the modeling and control of a robotic actuator and also of unmanned underwater vehicles. Firstly, it compares and experimentally validates two friction models (LuGre and Gomes). A position control based on a variable structure is developed for the harmonic-drive type of robotic actuator. Simulations are performed to verify the robustness of the controller against the parametric variation and to compare to the proportional, integral and derivative control (PID). Experiments then show results similar to those from simulations. Later, we a study about unmanned underwater vehicles (Tatuí and Nerov) is presented. The kinematics modeling is described by Euler’s angles. The dynamics modeling includes the interaction of the vehicle’s mechanical structure with the aquatic environment and the actuation of the propellers. By using a variable structure, a position and orientation control system is developed. The simulation results then show the characteristics of the controler with parametric uncertainties and ocean streams, and compares them with those from a PID controler with feedback linearization.

[pt] No contexto de robos colaborativos, há um crescente interesse em Atuadores Elásticos em Série impulsionado pela necessidade de garantir segurança e funcionalidade. No entanto, as não linearidades inerentes a esses atuadores, como atrito, folga nas engrenagens e ruído, aumentam significativamente o desafio de controlar e modelar tais dispositivos. Além disso, um elemento elástico adiciona uma nova não linearidade. Visando essas características, este trabalho propõe um extenso trabalho de identificação do sistema para obter um modelo para um atuador elástico em série baseado em elastômero de baixo custo e original. As metodologias propostas investigam diferentes características do sistema. A primeira se concentra em modelar as não linearidades da junta elástica por meio de um modelo híbrido. A segunda contribuição visa examinar a precisão de redes neurais informadas por física para identificação de caixa cinza de parâmetros de atrito. Por último, é proposto uma metodologia para obter os estados da montagem usando vídeo. A partir dessas estimativas, é proposta uma identificação de caixa cinza usando vídeo. Todos os três estudos utilizam os dados da montagem do atuador. As duas primeiras contribuições obtiveram resultados importantes indicando a eficiência das metodologias propostas. A terceira contribuição mostrou o potencial da nova abordagem de identificação baseada em vídeo. / [en] In the context of human interactive robotics, there is a growing interest in Series Elastic Actuators (SEA), driven by the critical need to ensure safety and functionality. Moreover, a precise model is required to obtain optimal control. However, the inherent nonlinearities of those actuators, such as friction, gear backlash, and noise, greatly increase the challenge of controlling and modeling such devices. Furthermore, a compliant element adds a new nonlinearity, making the modeling task more challenging. Aiming to tackle these issues, this work proposes extensive system identification to obtain mathematical models characterizing the dynamics of an original low-cost elastomer-based SEA. The proposed methodologies investigate different characteristics of the system. The first focuses on modeling the elastic joint s nonlinearities through a hybrid model. The second contribution aims to examine the accuracy of physics-informed neural networks for gray-box identification of friction parameters. Lastly, a framework to obtain the states of the assembly using video is proposed. From these estimations, a gray-box identification using video is proposed. All three studies use the data from the actuator assembly. The first two contributions obtained important results indicating the efficiency of the proposed methodologies. The third contribution showed the potential of the novel video-based identification approach.

<p dir="ltr">Rehabilitation devices, particularly for hand therapy, face limitations in executing complex joint-specific motions critical for recovery from ailments such as stroke and trigger finger. The study addresses these limitations by designing, developing, and validating a novel Variable Stiffness Soft Actuator (VSSA) integrated into an exoskeleton glove. The VSSA leverages variable stiffness technologies to control finger joint stiffness, enabling the execution of alternative rehabilitation therapies with complex motion patterns, including joint-blocking orthoses. The research utilized a development methodology, incorporating Finite Element Analysis (FEA) simulations and experimental validation, to evaluate the VSSA's performance across multiple configurations. The study was conducted in two phases, culminating in the refined VSSA-2 design, which features PneuNet-based bending mechanisms and enhanced ergonomic fit. Fabrication challenges, such as air leakage in 3D-printed actuators, were resolved through silicone molding, ensuring consistent performance. Experimental results demonstrated the VSSA-2’s functionality compared to a commercially available rehabilitation device (CAHRD), particularly in achieving diverse grip patterns and providing precise joint control. Performance metrics, including force application and deformation trajectories, validated the device’s potential for effective rehabilitation. The research emphasizes the significance of integrating variable stiffness technologies in rehabilitation robotics to improve the application of hand rehabilitation therapies. Recommendations for future work include clinical trials, further ergonomic optimization, and exploration of advanced actuation materials to enhance device reliability and scalability. The findings contribute to advancing rehabilitative and assistive technologies, offering a foundation for innovative applications in medical and industrial domains.</p>