Este trabalho apresenta os resultados da aplicação de três técnicas de controle utilizadas no projeto e implementação do controle de um manipulador subatuado planar de três juntas em série e de elos rígidos, projetado e construído pela Universidade Carnegie Mellon, EUA. Devido ao alto grau de não-linearidade deste sistema, seria muito difícil implementar um controlador H2, H&#8734 ou H2/H&#8734 que atuasse sozinho. Assim, propõe-se a utilização de um método de controle combinado: torque computado/H2, H&#8734 ou H2/H&#8734. No controle combinado, a porção correspondente ao torque computado lineariza e pré-compensa a dinâmica do modelo da planta nominal, enquanto a porção correspondente ao controle H2, H&#8734 ou H2/H&#8734 realiza uma pós-compensação dos erros residuais, que não foram completamente eliminados pelo método torque computado. Testes de acompanhamento de trajetória e testes de robustez são realizados aqui para comprovar a eficiência destes controladores, com resultados de implementação bastante satisfatórios. / This work presents the application results of three control techniques used for the control design and implementation of a serial planar underactuated manipulator with three joints and rigid links, designed and built by the Carnegie Mellon University, USA. Due to the high non-linearity degree of this system, it would be very difficult to implement an H2, H&#8734 or H2/ H&#8734 control which would actuate on the system by itself. Therefore, it is proposed a combined control method: computed torque/ H2, H&#8734 or H2/H&#8734. In the combined control, the portion corresponding to the computed torque linearizes and pre-compensates the dynamics of the nominal model, while the portion corresponding to the H2, H&#8734 or H2/H&#8734 control realizes a pos-compensation of the residual errors, not completely removed by the computed torque method. Trajetory tracking and robustness tests are performed here to demonstrate the efficiency of these controllers, with very satisfatory implementation results.

Este trabalho apresenta os resultados da aplicação de três técnicas de controle utilizadas no projeto e implementação do controle de um manipulador subatuado planar de três juntas em série e de elos rígidos, projetado e construído pela Universidade Carnegie Mellon, EUA. Devido ao alto grau de não-linearidade deste sistema, seria muito difícil implementar um controlador H2, H&#8734 ou H2/H&#8734 que atuasse sozinho. Assim, propõe-se a utilização de um método de controle combinado: torque computado/H2, H&#8734 ou H2/H&#8734. No controle combinado, a porção correspondente ao torque computado lineariza e pré-compensa a dinâmica do modelo da planta nominal, enquanto a porção correspondente ao controle H2, H&#8734 ou H2/H&#8734 realiza uma pós-compensação dos erros residuais, que não foram completamente eliminados pelo método torque computado. Testes de acompanhamento de trajetória e testes de robustez são realizados aqui para comprovar a eficiência destes controladores, com resultados de implementação bastante satisfatórios. / This work presents the application results of three control techniques used for the control design and implementation of a serial planar underactuated manipulator with three joints and rigid links, designed and built by the Carnegie Mellon University, USA. Due to the high non-linearity degree of this system, it would be very difficult to implement an H2, H&#8734 or H2/ H&#8734 control which would actuate on the system by itself. Therefore, it is proposed a combined control method: computed torque/ H2, H&#8734 or H2/H&#8734. In the combined control, the portion corresponding to the computed torque linearizes and pre-compensates the dynamics of the nominal model, while the portion corresponding to the H2, H&#8734 or H2/H&#8734 control realizes a pos-compensation of the residual errors, not completely removed by the computed torque method. Trajetory tracking and robustness tests are performed here to demonstrate the efficiency of these controllers, with very satisfatory implementation results.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento, implementação e análise de técnicas de controle H 'INFINITO' não lineares para robôs manipuladores subatuados, sujeitos a incertezas paramétricas e distúrbios externos. Na primeira parte, duas abordagens são consideradas para robôs manipuladores individuais subatuados. A primeira abordagem consiste em representar robôs manipuladores como um sistema não linear na forma quase-linear com parâmetros variantes e utilizar técnicas de controle H 'INFINITO' para sistemas lineares a parâmetros variantes baseadas em desigualdades matriciais lineares. Na segunda abordagem, uma solução explícita do problema de controle H 'INFINITO' não linear para robôs manipuladores é encontrada via teoria dos jogos diferenciais. Com este mesmo procedimento, implementam-se também os controles misto H'IND.2'/H 'INFINITO' não linear, adaptativo H 'INFINITO' não linear e adaptativo H 'INFINITO' não linear com redes neurais para robôs manipuladores. Também é desenvolvido um sistema tolerante a falhas para robôs manipuladores baseado em sistemas Markovianos e em controladores Markovianos H'IND.2', H 'INFINITO' e H'IND.2'/ H 'INFINITO'. Na segunda parte, o modelo dinâmico de robôs manipuladores cooperativos subatuados é representado na forma de espaço de estados, possibilitando a aplicação dos controladores H 'INFINITO' não lineares para controle de posição, juntamente com controle das forças de esmagamento, de um objeto. / This work presents the development, implementation and analysis of nonlinear H‡ control techniques applied to underactuated manipulators, under parametric uncertainties and external disturbances. At the first part, two approaches are considered for underactuated individual manipulators. The first approach consists in representing manipulators as nonlinear systems in the quasi-linear parameter varying form and in controlling them via H‡ control for linear parameter varying systems based on linear matrix inequalities. At the second approach, an explicit solution to the nonlinear H‡ control problem for manipulators is found via differential game theory. With this procedure, it is also implemented the nonlinear mixed H2/H‡, nonlinear adaptive H‡, and nonlinear adaptive H‡ with neural networks controls. Also is developed a fault tolerant system for manipulators based on Markovian systems and Markovian H2, H‡, and H2/H‡ controls. At the second part, the dynamic model of underactuated cooperative manipulators is represented in the state space form in order to apply the nonlinear H‡ controls to position control, plus the squeeze force control, of an object.

Este trabalho trata do controle Markoviano aplicado a um robô manipulador visando obter um sistema tolerante a falhas. Os controladores H2, H&#8734, e H2/H&#8734 Markovianos são calculados e aplicados ao robô em diversas situações de operação. Os controladores obtidos mantiveram a estabilidade do sistema tanto em situações de operação normal, quanto em situações de falhas sucessivas. / This work deals with Markovian control applied to a robot manipulator, in an effort to obtain a fault tolerant system. The H2, H&#8734, and H2/H&#8734 controllers were calculated and applied to the robot in different operation situations. The obtained controllers guaranteed the stability of the system in both situations: normal operation, and successive faults operation.

Este trabalho trata do controle Markoviano aplicado a um robô manipulador visando obter um sistema tolerante a falhas. Os controladores H2, H&#8734, e H2/H&#8734 Markovianos são calculados e aplicados ao robô em diversas situações de operação. Os controladores obtidos mantiveram a estabilidade do sistema tanto em situações de operação normal, quanto em situações de falhas sucessivas. / This work deals with Markovian control applied to a robot manipulator, in an effort to obtain a fault tolerant system. The H2, H&#8734, and H2/H&#8734 controllers were calculated and applied to the robot in different operation situations. The obtained controllers guaranteed the stability of the system in both situations: normal operation, and successive faults operation.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento, implementação e análise de técnicas de controle H 'INFINITO' não lineares para robôs manipuladores subatuados, sujeitos a incertezas paramétricas e distúrbios externos. Na primeira parte, duas abordagens são consideradas para robôs manipuladores individuais subatuados. A primeira abordagem consiste em representar robôs manipuladores como um sistema não linear na forma quase-linear com parâmetros variantes e utilizar técnicas de controle H 'INFINITO' para sistemas lineares a parâmetros variantes baseadas em desigualdades matriciais lineares. Na segunda abordagem, uma solução explícita do problema de controle H 'INFINITO' não linear para robôs manipuladores é encontrada via teoria dos jogos diferenciais. Com este mesmo procedimento, implementam-se também os controles misto H'IND.2'/H 'INFINITO' não linear, adaptativo H 'INFINITO' não linear e adaptativo H 'INFINITO' não linear com redes neurais para robôs manipuladores. Também é desenvolvido um sistema tolerante a falhas para robôs manipuladores baseado em sistemas Markovianos e em controladores Markovianos H'IND.2', H 'INFINITO' e H'IND.2'/ H 'INFINITO'. Na segunda parte, o modelo dinâmico de robôs manipuladores cooperativos subatuados é representado na forma de espaço de estados, possibilitando a aplicação dos controladores H 'INFINITO' não lineares para controle de posição, juntamente com controle das forças de esmagamento, de um objeto. / This work presents the development, implementation and analysis of nonlinear H‡ control techniques applied to underactuated manipulators, under parametric uncertainties and external disturbances. At the first part, two approaches are considered for underactuated individual manipulators. The first approach consists in representing manipulators as nonlinear systems in the quasi-linear parameter varying form and in controlling them via H‡ control for linear parameter varying systems based on linear matrix inequalities. At the second approach, an explicit solution to the nonlinear H‡ control problem for manipulators is found via differential game theory. With this procedure, it is also implemented the nonlinear mixed H2/H‡, nonlinear adaptive H‡, and nonlinear adaptive H‡ with neural networks controls. Also is developed a fault tolerant system for manipulators based on Markovian systems and Markovian H2, H‡, and H2/H‡ controls. At the second part, the dynamic model of underactuated cooperative manipulators is represented in the state space form in order to apply the nonlinear H‡ controls to position control, plus the squeeze force control, of an object.

Este trabalho trata da implementação de uma técnica de controle robusto, Síntese-&#956 em um robô manipulador de três graus de liberdade com juntas passivas. A necessidade de um de controle robusto se deve ao fato de que em uma aplicação real o sistema está sujeito a mudanças nos seus parâmetros internos e a distúrbios externos (ruído dos sensores, etc). Aqui, uma metodologia de controle robusto que combina o método do torque computado e controladores robustos projetados via Síntese-&#956 é proposta e utilizada com êxito. O equacionamento matemático da distância do sistema é apresentado e a linearização é realizada pela realimentação de estados presentes no método. Uma abordagem dos conceitos teóricos presentes na teoria de Síntese-&#956 é feita e um procedimento de projeto é apresentado. Modelos nominais para diferentes configurações do robô são definidos e controladores robustos são projetados utilizando o método de iterações D-K. O teste e a validação dos controladores projetados são verificados em um ambiente de simulação e também no manipulador experimental UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), que é um robô manipulador (equipado com 3 juntas, atuadores e freios) projetado para o estudo de dinâmicas passivas. / This work deals with implementation of a robust control technique, &#956-Synthesis, in a mani- pulator robot with three degrees of freedom and passive joints. The necessity of a robust control is due to the fact that in a real application the system is subject to changes in its internal parameters and external disturbances (sensor noise, etc). Here, a robust control methodology that combines the computed torque method and robust controllers designed via &#956-Synthesis is proposal and used with success. The mathematical formulation of the system dynamics is presented and the linearization is accomplished by the state feedback included in the method. An overview of theoretical concepts presents in the &#956-Synthesis theory is made and a design procedure is presented. Nominal models for all robot\'s configurations are defined and robust controllers are designed using the D-K iterations method. The test and validation of the controllers are realized in a simulation environment and also in the experimental manipulator UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), that is a robot manipulator (equipped with 3 joints, actuators and brakes) projected for the study of passive dynamics.

Este trabalho trata da implementação de uma técnica de controle robusto, Síntese-&#956 em um robô manipulador de três graus de liberdade com juntas passivas. A necessidade de um de controle robusto se deve ao fato de que em uma aplicação real o sistema está sujeito a mudanças nos seus parâmetros internos e a distúrbios externos (ruído dos sensores, etc). Aqui, uma metodologia de controle robusto que combina o método do torque computado e controladores robustos projetados via Síntese-&#956 é proposta e utilizada com êxito. O equacionamento matemático da distância do sistema é apresentado e a linearização é realizada pela realimentação de estados presentes no método. Uma abordagem dos conceitos teóricos presentes na teoria de Síntese-&#956 é feita e um procedimento de projeto é apresentado. Modelos nominais para diferentes configurações do robô são definidos e controladores robustos são projetados utilizando o método de iterações D-K. O teste e a validação dos controladores projetados são verificados em um ambiente de simulação e também no manipulador experimental UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), que é um robô manipulador (equipado com 3 juntas, atuadores e freios) projetado para o estudo de dinâmicas passivas. / This work deals with implementation of a robust control technique, &#956-Synthesis, in a mani- pulator robot with three degrees of freedom and passive joints. The necessity of a robust control is due to the fact that in a real application the system is subject to changes in its internal parameters and external disturbances (sensor noise, etc). Here, a robust control methodology that combines the computed torque method and robust controllers designed via &#956-Synthesis is proposal and used with success. The mathematical formulation of the system dynamics is presented and the linearization is accomplished by the state feedback included in the method. An overview of theoretical concepts presents in the &#956-Synthesis theory is made and a design procedure is presented. Nominal models for all robot\'s configurations are defined and robust controllers are designed using the D-K iterations method. The test and validation of the controllers are realized in a simulation environment and also in the experimental manipulator UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), that is a robot manipulator (equipped with 3 joints, actuators and brakes) projected for the study of passive dynamics.

D'un point de vue énergétique, les robots marcheurs sont moins performants que les humains. Face à ce défi, cette thèse propose une approche pour contrôler et optimiser les allures de marche des robots bipèdes à la fois en 2D et 3D en considérant les fréquences propres du robot et par ajout de ressorts. L'étude porte essentiellement sur un robot bipède 2D à 5 corps et des pieds ponctuels ainsi qu'un robot bipède 3D à 8 corps avec des pieds sans masse à contact linéique. La commande en boucle fermée considérée est basée sur la méthode des contraintes virtuelles et la linéarisation par retour d'état. Suite à des études précédentes, la stabilité du robot bipède 2D est vérifiée par une section de Poincaré unidimensionnelle et étendue au robot bipède 3D à contact linéique avec le sol. L'optimisation est effectuée en utilisant la programmation quadratique séquentielle. Les paramètres optimisés incluent des coefficients de polynômes de Bézier et des paramètres posturaux. Des contraintes d'optimisation sont imposées pour assurer la validité de l'allure de marche. Pour le robot bipède 2D, deux configurations différentes de ressorts placés aux hanches sont étudiées. Ces deux configurations ont permis de réduire le coût énergétique. Pour le robot bipède 3D, les paramètres d'optimisation sont séparés en deux parties : ceux décrivant le mouvement dans le plan sagittal et ceux du plan frontal. Les résultats de l'optimisation montrent que ces deux types de paramètres doivent être optimisés. Ensuite, des ressorts sont ajoutés respectivement par rapport au plan sagittal, par rapport au plan frontal puis dans les deux plans. Les résultats montrent que l'ajout des ressorts dans le plan sagittal permet de réduire significativement le coût énergétique et que l'association de ressorts dans le plan frontal améliore encore plus la consommation d'énergie. / From an energy standpoint, walking robots are less efficient than humans. In facing this challenge, this study aims to provide an approach for controlling and optimizing the gaits of both 2D and 3D bipedal robots with consideration for exploiting natural dynamics and elastic couplings. A 5-link 2D biped with point feet and an 8-link 3D biped with massless line feet are studied. The control method is based on virtual constraints and feedback linearization. Following previous studies, the stability of the 2D biped is verified by computing scalar Poincaré map in closed form, and now this method also applies to the 3D biped because of its line-foot configuration. The optimization is performed using sequential quadratic programming. The optimization parameters include postural parameters and Bézier coefficients, and the optimization constraints are used to ensure gait validity. For the 2D biped, two different configurations of hip joint springs are investigated and both configurations successfully reduce the energy cost. For the 3D biped, the optimization parameters are further divided into sagittal parameters and coronal parameters, and the optimization results indicate that both these parameters should be optimized. After that, hip joint springs are added respectively to the sagittal plane, the coronal plane and both these planes. The results demonstrate that the elastic couplings in the sagittal plane should be considered first and that the additional couplings in the coronal plane reduce the energy cost even further.