Em um sistema mecânico, descrito pelo modelo par de impactos, estudamos o controle de caos, através de uma perturbação paramétrica, e os saltos entre trajetórias de dois atratores. Para esse sistema não integrável, obtivemos numericamente e analisamos a evolução das suas variáveis, para um grande conjunto de condições iniciais e parâmetros de controle. Para essa análise foram obtidos planos de fase, seções de Poincare, diagramas de bifurcação, bacias de atração, expoentes de Lyapunov e espaços bidimensionais de parâmetros. Um controle paramétrico foi implementado somando uma perturbação senoidal, com amplitude e freqüência definidas, ao forçamento original do sistema. O controle de caos foi analisado no espaço bidimensional de parâmetros do sistema. Observamos nesse espaço a formação de janelas periódicas (camarões) na vizinhança das janelas previamente existentes. Constatamos que, nas novas janelas, os atratores controlados possuem periodicidade e forma iguais as dos atratores presentes em janelas previamente existentes. Os saltos entre as trajetórias de dois atratores coexistentes foram analisados, com o sistema perturbado por uma simulação de um ruído branco com uma banda de freqüências. Mostramos que a freqüência dos saltos aumenta com a amplitude do ru´do e a intensidade da dissipação, devido `a mudança que esses fatores causam nas bacias de atração dos dois atratores. / For a mechanical system, described by the impact-pair model, we studied the control of chaos by a parametric perturbation and the basin-hopping phenomeno. For this nonintegrable system, we obtained numerically the evolution of its dynamical variables for a large set of initial conditions and control parameters. For this analysis, we used phase planes, Poincar´e sections, bifurcation diagrams, basin of attractions, Lyapunov exponents, and bidimensional parameter spaces. A parametric control was implemented by adding an external perturbation with defined amplitude and frequency. The control of chaos was analized in the two-dimensional parameter space. In the parameter space, we observed the formation of new periodic windows (shrimps) in the neighborhood of previously one. In the new periodic windows, the new controlled attractors have the same shape and periodicity of those in the original windows. For two attractors, the basin-hopping was analyzed for a white noise with frequency band. We showed that the hop frequency increases with the noise amplitude and the dissipation intensity. This occurs due to changes in the basins of attraction.

Em um sistema mecânico, descrito pelo modelo par de impactos, estudamos o controle de caos, através de uma perturbação paramétrica, e os saltos entre trajetórias de dois atratores. Para esse sistema não integrável, obtivemos numericamente e analisamos a evolução das suas variáveis, para um grande conjunto de condições iniciais e parâmetros de controle. Para essa análise foram obtidos planos de fase, seções de Poincare, diagramas de bifurcação, bacias de atração, expoentes de Lyapunov e espaços bidimensionais de parâmetros. Um controle paramétrico foi implementado somando uma perturbação senoidal, com amplitude e freqüência definidas, ao forçamento original do sistema. O controle de caos foi analisado no espaço bidimensional de parâmetros do sistema. Observamos nesse espaço a formação de janelas periódicas (camarões) na vizinhança das janelas previamente existentes. Constatamos que, nas novas janelas, os atratores controlados possuem periodicidade e forma iguais as dos atratores presentes em janelas previamente existentes. Os saltos entre as trajetórias de dois atratores coexistentes foram analisados, com o sistema perturbado por uma simulação de um ruído branco com uma banda de freqüências. Mostramos que a freqüência dos saltos aumenta com a amplitude do ru´do e a intensidade da dissipação, devido `a mudança que esses fatores causam nas bacias de atração dos dois atratores. / For a mechanical system, described by the impact-pair model, we studied the control of chaos by a parametric perturbation and the basin-hopping phenomeno. For this nonintegrable system, we obtained numerically the evolution of its dynamical variables for a large set of initial conditions and control parameters. For this analysis, we used phase planes, Poincar´e sections, bifurcation diagrams, basin of attractions, Lyapunov exponents, and bidimensional parameter spaces. A parametric control was implemented by adding an external perturbation with defined amplitude and frequency. The control of chaos was analized in the two-dimensional parameter space. In the parameter space, we observed the formation of new periodic windows (shrimps) in the neighborhood of previously one. In the new periodic windows, the new controlled attractors have the same shape and periodicity of those in the original windows. For two attractors, the basin-hopping was analyzed for a white noise with frequency band. We showed that the hop frequency increases with the noise amplitude and the dissipation intensity. This occurs due to changes in the basins of attraction.

Inicialmente, analisamos três sistemas mecânicos idéias com impactos: um oscilador com impactos, um sistema com par de impactos e uma caixa de engrenagens. Entre os impactos, o movimento é descrito por uma equação diferencial linear. Por ocasião dos impactos, introduzimos na solução analítica novas condições iniciais, de acordo com a lei de Newton para impactos. Devidos aos impactos, as trajetórias no espaço de fase são descontínuas e descritas por um mapa transcendental. Os expoentes de Lyapunov, importantes para caracterizar a natureza dos atratores obtidos, são calculados através desses mapas. Nas simulações numéricas, observamos fenômenos não-lineares como crises, intermitências, transientes caóticos e coexistências de atratores e obtemos as bacias de atração dos atratores coexistentes. Ademais, mostramos como controlar comportamentos caóticos, a partir de um forçamento de amplitude pequena, e pelo método OGY (Ott, Grebogi e Yorke) de controle de caos. Finalmente, investigamos a dinâmica de um sistema não-ideal com impactos, que é composto pelo sistema de par de impactos sobreposto ao um sistema não ideal (para qual a ação da fonte de energia depende da oscilação do sistema). A partir de simulações numéricas, identificamos fenômenos não-lineares como crise interior, intermitência e coexistência de atratores. Associado à crise interior observamos um tipo de intermitência que leva o sistema a oscilar entre três atratores caóticos. Além dessa intermitência, observamos uma outra, que envolve dois atratores periódicos e um caótico. Além disso, mostramos as bacias de atração de dois atratores periódicos coexistentes. Essas bacias possuem uma característica de bacia crivada. / Initially, we analyze three ideal mechanical systems with impacts: an impact oscilator, an impact-pair, and a gear-box (gear-rattling). Between impacts, the motion is described by a linear differential equation. After each impact, we use the Newton law of impact to determine new initial conditions of an analytical solution. Due to impacts, the trajectories in phase space are discontinuous and described by a transcendental map. The Lyapunov exponents, important to characterize the attractors, are calculated from the transcendental map. In the numerical simulations, we observe nonlinear phenomena as crises, intermittency, chaotic behavior, and coexisting attractors. Moreover, we present the basins of attraction of the coexisting attractors. Furthermore, we show how to control the chaotic behavior, with a small perturbation and by the OGY (Ott, Grebogi, and Yorke) method. Finally, we investigate the dynamics of a non-ideal system with impacts, that is composed by an impact-pair system on a non-ideal system (in this system, the energy source actions depend on the system oscillations). From the numerical simulations, we identify nonlinear phenomena as interior crises, intermittency, for which the system oscillates among three chaotic attractors. Besides this intermittency, we observe another one. Associated to a chaotic and two periodic attractors. In addition, we show the riddle basins of attraction of the two coexisting periodic attractors.

Inicialmente, analisamos três sistemas mecânicos idéias com impactos: um oscilador com impactos, um sistema com par de impactos e uma caixa de engrenagens. Entre os impactos, o movimento é descrito por uma equação diferencial linear. Por ocasião dos impactos, introduzimos na solução analítica novas condições iniciais, de acordo com a lei de Newton para impactos. Devidos aos impactos, as trajetórias no espaço de fase são descontínuas e descritas por um mapa transcendental. Os expoentes de Lyapunov, importantes para caracterizar a natureza dos atratores obtidos, são calculados através desses mapas. Nas simulações numéricas, observamos fenômenos não-lineares como crises, intermitências, transientes caóticos e coexistências de atratores e obtemos as bacias de atração dos atratores coexistentes. Ademais, mostramos como controlar comportamentos caóticos, a partir de um forçamento de amplitude pequena, e pelo método OGY (Ott, Grebogi e Yorke) de controle de caos. Finalmente, investigamos a dinâmica de um sistema não-ideal com impactos, que é composto pelo sistema de par de impactos sobreposto ao um sistema não ideal (para qual a ação da fonte de energia depende da oscilação do sistema). A partir de simulações numéricas, identificamos fenômenos não-lineares como crise interior, intermitência e coexistência de atratores. Associado à crise interior observamos um tipo de intermitência que leva o sistema a oscilar entre três atratores caóticos. Além dessa intermitência, observamos uma outra, que envolve dois atratores periódicos e um caótico. Além disso, mostramos as bacias de atração de dois atratores periódicos coexistentes. Essas bacias possuem uma característica de bacia crivada. / Initially, we analyze three ideal mechanical systems with impacts: an impact oscilator, an impact-pair, and a gear-box (gear-rattling). Between impacts, the motion is described by a linear differential equation. After each impact, we use the Newton law of impact to determine new initial conditions of an analytical solution. Due to impacts, the trajectories in phase space are discontinuous and described by a transcendental map. The Lyapunov exponents, important to characterize the attractors, are calculated from the transcendental map. In the numerical simulations, we observe nonlinear phenomena as crises, intermittency, chaotic behavior, and coexisting attractors. Moreover, we present the basins of attraction of the coexisting attractors. Furthermore, we show how to control the chaotic behavior, with a small perturbation and by the OGY (Ott, Grebogi, and Yorke) method. Finally, we investigate the dynamics of a non-ideal system with impacts, that is composed by an impact-pair system on a non-ideal system (in this system, the energy source actions depend on the system oscillations). From the numerical simulations, we identify nonlinear phenomena as interior crises, intermittency, for which the system oscillates among three chaotic attractors. Besides this intermittency, we observe another one. Associated to a chaotic and two periodic attractors. In addition, we show the riddle basins of attraction of the two coexisting periodic attractors.

Nature and its variety of motion forms have inspired new robot designs with inherentunderactuated dynamics. The fundamental characteristic of these controlled mechanicalsystems, called underactuated, is to have the number of actuators less than the number ofdegrees of freedom. The absence of full actuation brings challenges to planning feasibletrajectories and designing controllers. This is in contrast to classical fully-actuated robots.A particular problem that arises upon study of such systems is that of generating periodicmotions, which can be seen in various natural actions such as walking, running,hopping, dribbling a ball, etc. It is assumed that dynamics can be modeled by a classicalset of second-order nonlinear differential equations with impulse effects describing possibleinstantaneous impacts, such as the collision of the foot with the ground at heel strikein a walking gait. Hence, we arrive at creating periodic solutions in underactuated Euler-Lagrange systems with or without impulse effects. However, in the qualitative theory ofnonlinear dynamical systems, the problem of verifying existence of periodic trajectoriesis a rather nontrivial subject.The aim of this work is to propose systematic procedures to plan such motions and ananalytical technique to design orbitally stabilizing feedback controllers. We analyze andexemplify both cases, when the robotmodel is described just by continuous dynamics, andwhen continuous dynamics is interrupted from time to time by state-dependent updates.For trajectory planning, systems with one or two passive links are considered, forwhich conditions are derived to achieve periodicmotions by encoding synchronizedmovementsof all the degrees of freedom. For controller design we use an explicit form tolinearize dynamics transverse to the motion. This computation is valid for an arbitrarydegree of under-actuation. The linear system obtained, called transverse linearization, isused to analyze local properties in a vicinity of the motion, and also to design feedbackcontrollers. The theoretical background of these methods is presented, and developedin detail for some particular examples. They include the generation of oscillations forinverted pendulums, the analysis of human movements by captured motion data, and asystematic gait synthesis approach for a three-link biped walker with one actuator.