Nos últimos anos, a área de robôs aéreos vêm se tornando cada vez mais importantes no dia-a-dia, em diversos usos, em que se pode destacar: segurança pública e particular, agricultura de precisão, registro fotográfico de eventos, serviços de entregas e apoio a diversas outras áreas, como monitoramento ambiental.Para que tais robôs aéreos possam cumprir suas mais variadas tarefas, faz-se necessária uma etapa de planejamento de movimento, que consiste em encontrar um caminho factível entre a postura atual e uma postura final (também chamada de postura alvo ou meta) do robô aéreo. Neste trabalho, a tarefa de planejamento de movimento é abordada para o caso tridimensional em ambientes dinâmicos, nos quais não se assume que todos os obstáculos permanecerão fixos ao longo do trajeto. Derivado da Teoria de Campos Potenciais Harmônicos, os Campos Potenciais Modificados (CPM) permitem a distorção do campo potencial favorecendo uma direção específica de chegada a postura meta. Tais CPM resultam em um planejador de movimentos para ambientes dinâmicos e multidimensionais, em especial, o caso tridimensional. / In recent years, aerial robots have become increasingly important in day-to-day situations, in several uses, in which we can highlight: public and private security, precision agriculture, photographic record of events, delivery and support to several other areas, such as environmental monitoring. In order for aerial robots perform their broad range of tasks, a motion planning step is necessary. Motion planning consists in finding a feasible path between the current posture and a final posture (also called target posture or goal) of a robot. In this work, the task of motion planning is approached in three-dimensional and dynamic environments, in which it is not assumed that all the obstacles will remain fixed along the trajectory. Derived from Harmonic Potential Field Theory, Modified Potential Fields (MPF) allows a controlled distortion of the potential field, as an example, towards a specific direction of arrival to the target posture. Such MPF results in a motion planner for dynamic and multidimensional environments, especially the three-dimensional case.

The omnipresent tendency to &ldquo / live easy&rdquo / is a sign of our need for automatization. To enable for such a &ldquo / comfortable and safe&rdquo / world, the automatic systems have to be developed that satisfies the necessities of life. Biologically inspired robots, especially the humanoids, are thus the key, and research in this area focuses on the improvement of such systems. Lately, it has been shown by high dexterity examples that the humanoid robots achieved to a mature level even if there are still open issues to be improved, especially in the control and stability of the bipeds. The purpose of this thesis is to study biped locomotion in different floor conditions, such as stairs and obstacles / to improve the research done in this area / to contribute to the development of autonomous biped robots, dynamic modeling, gait planning, supervisory and guidence control, stability analysis of biped robots / and to implement new control algorithms for biped locomotion, especially by using optimization and high level intelligent control techniques. The locomotion aimed to be realized results from complex, high-dimensional, nonlinear and dynamically related interactions between the robot and its environment. The mathematical modeling of the physical system is realized based on a 5-link 7 DOF biped robot model walking on a 3D planar surface and the dynamic simulation is performed using MATLAB. In terms of control, several different methods applied, comparison and the performance of each method are given. The 3D dynamic simulation software is developed, which allows the user to operate the biped systems within a 3D virtual environment.

This thesis presents an integrated framework for online obstacle avoidance of rotary-wing unmanned aerial vehicles (UAVs), which can provide UAVs an obstacle field navigation capability in a partially or completely unknown obstacle-rich environment. The framework is composed of a LIDAR interface, a local obstacle grid generation, a receding horizon (RH) trajectory optimizer, a global shortest path search algorithm, and a climb rate limit detection logic. The key feature of the framework is the use of an optimization-based trajectory generation in which the obstacle avoidance problem is formulated as a nonlinear trajectory optimization problem with state and input constraints over the finite range of the sensor. This local trajectory optimization is combined with a global path search algorithm which provides a useful initial guess to the nonlinear optimization solver. Optimization is the natural process of finding the best trajectory that is dynamically feasible, safe within the vehicle's flight envelope, and collision-free at the same time. The optimal trajectory is continuously updated in real time by the numerical optimization solver, Nonlinear Trajectory Generation (NTG), which is a direct solver based on the spline approximation of trajectory for dynamically flat systems. In fact, the overall approach of this thesis to finding the optimal trajectory is similar to the model predictive control (MPC) or the receding horizon control (RHC), except that this thesis followed a two-layer design; thus, the optimal solution works as a guidance command to be followed by the controller of the vehicle. The framework is implemented in a real-time simulation environment, the Georgia Tech UAV Simulation Tool (GUST), and integrated in the onboard software of the rotary-wing UAV test-bed at Georgia Tech. Initially, the 2D vertical avoidance capability of real obstacles was tested in flight. Then the flight test evaluations were extended to the benchmark tests for 3D avoidance capability over the virtual obstacles, and finally it was demonstrated on real obstacles located at the McKenna MOUT site in Fort Benning, Georgia. Simulations and flight test evaluations demonstrate the feasibility of the developed framework for UAV applications involving low-altitude flight in an urban area.

Motion planning is central to the efficient operation and autonomy of robots in the industry. Generally, motion planning of industrial robots is treated in a two-step approach. First, a geometric path between the start and goal position is planned where the objective is to achieve as short path as possible together with avoiding obstacles. Alternatively, a pre-defined geometric path is provided by the end user. Second, the velocity profile along the geometric path is calculated accounting for system dynamics together with other constraints. This approach is computationally efficient, but yield sub-optimal solutions as the system dynamics is not considered in the first step when the geometric path is planned. In this thesis, an alternative to the two-step approach is investigated and a trajectory planner is designed and implemented which plans both the geometric path and the velocity profile simultaneously. The motion planning problem is formulated as an optimal control problem, which is solved by a direct collocation method where the trajectory is parametrised by splines, and the spline nodes and knots are used as optimization variables. The implemented trajectory planner is evaluated in simulations, where the planner is applied to a simple planar elbow robot and ABB's SCARA robot IRB 910SC. Trade-off between computation time and optimality is identified and the results indicate that the trajectory planner yields satisfactory solutions. On the other hand, the simulations indicate that it is not possible to apply the proposed method on a real robot in real-time applications without significant modifications in the implementation to decrease the computation time.

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.

Este trabalho trata do planejamento de trajetórias que minimizam as perdas elétricas no KA\'I yxo, um robô escalador de árvores que tem por finalidade realizar monitoramento ambiental em florestas através da coleta de diferentes tipos de dados. Como essa aplicação requer que o robô permaneça em ambientes remotos, o estudo de técnicas que reduzam as perdas de energia a fim de que se aumente o tempo em operação do robô se mostra relevante, sendo a minimização das perdas elétricas uma contribuição importante nesse sentido. Estruturalmente, o KA\'I yxo consiste em um robô bípede com duas garras e quatro ligamentos interconectados por três juntas rotacionais. Além disso, seu mecanismo de andadura foi biologicamente inspirado na forma de locomoção observada em lagartas mede-palmos, o que permitiu tratar o robô como um manipulador industrial, cuja base é o ligamento associado à garra engastada e cujo efetuador é o ligamento associado à garra livre. Com isso, quando conveniente, o robô foi tratado em dois casos, conforme a garra que se encontra engastada. Inicialmente, realizou-se a modelagem matemática do robô, obtendo-se as equações cinemáticas direta e inversa, e dinâmicas, bem como o modelo das juntas segundo a abordagem do controle independente por junta. Posteriormente, formulou-se um problema de controle ótimo, solucionado através de um método numérico que o transformou em um problema de programação quadrática, que por sua vez foi resolvido iterativamente. Por fim, as trajetórias ótimas planejadas foram implementadas no robô real e, como forma de validação, as novas perdas elétricas foram comparadas com as das trajetórias anteriormente executadas pelo robô, determinando-se a correspondente economia de energia. / This work deals with the minimum-energy trajectory planning, related to the electrical losses, in KA\'I yxo, a tree-climbing robot that aims to perform environmental monitoring in forests through the collection of different types of data. As this application requires that the robot remains in remote environments, the study of techniques that reduce energy losses in order to increase the operation time of the robot is shown to be relevant, and the minimization of the electrical losses is an important contribution in this sense. Structurally, KA\'I yxo consists of a biped robot with two claws and four links interconnected by three revolute joints. In addition, its gait mechanism was biologically inspired in the form of locomotion observed in caterpillars, allowing to treat the robot as an industrial manipulator, which base is the link associated with the fixed claw and which end-effector is the link associated with the free claw. In consequence, when convenient, the robot was treated in two cases, according to the claw that is fixed. Initially, the mathematical model of the robot was developed, being obtained the forward and inverse kinematic and dynamic equations, as well as the model of the joints according to the independent joint control approach. Subsequently, an optimal control problem was formulated, which was solved through a numerical method that turned it into a quadratic programming problem, which in turn was solved iteratively. Finally, the planned optimal trajectories were implemented in the real robot and, as a form of validation, the new electrical losses were compared with those of the trajectories previously executed by the robot, being determined the corresponding energy saving.

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.