Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-08-03T17:51:03Z No. of bitstreams: 1 2017_SergioAndresPertuzMendez.pdf: 6221181 bytes, checksum: 6ead5ebcb0f082dc125c61d6a2ea118d (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-09-15T15:21:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_SergioAndresPertuzMendez.pdf: 6221181 bytes, checksum: 6ead5ebcb0f082dc125c61d6a2ea118d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T15:21:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_SergioAndresPertuzMendez.pdf: 6221181 bytes, checksum: 6ead5ebcb0f082dc125c61d6a2ea118d (MD5) Previous issue date: 2017-09-15 / Nos últimos anos grandes avanços tecnológicos formam feitos no campo da computação e áreas correlatas, o que permitiu o desenvolvimento de sistemas robóticos sofisticados como robôs biomiméticos. Esses robôs imitam sistemas biológicos que decorrem robustez e e ciência maiores se comparados com robôs convencionais quando usados em ambientes não estruturados. Por exemplo, uma mão robótica biomimética tem uma destreza e agilidade maior para executar tarefas de manipulação e agarres do que pinças convencionais. Desde os anos oitenta, o desenvolvimento de mãos robóticas biomiméticas é o foco de pesquisa de várias equipes de investigação no mundo. Na atualidade há um número vasto de trabalhos encaminhados à construção e controle dos mesmos, os quais tem o intuito de melhorar a destreza e o desempenho das mãos e incluem tópicos como projeto da mão, mecanismos de movimento para as juntas, plataformas embarcadas e estratégias de controle. Existem várias abordagens a nível computacional que ainda não têm sido exploradas neste tipo de robôs, por exemplo o uso de um chip FPGA para o aumento de desempenho das estratégias de controle dinâmico usadas nos mesmos. O presente trabalho descreve o desenvolvimento de uma arquitetura em hardware baseada em FPGA do controlador dinâmico de uma mão robótica, o qual é sintonizado usando algoritmos de otimização bioinspirada visando para atingir estabilidade de agarre. O projeto da mão robótica realizado neste trabalho inclui o uso de mecanismos para emular os movimentos de exão-extensão dos dedos. Os mecanismos foram otimizados visando minimizar o erro de trajetória usando a mão humana como referência. Os algoritmos bioinspirados PSO, DE e GA foram implementados para otimizar o mecanismo. 32 experimentos foram realizados para cada algoritmo a m de realizar uma análise estatística para determinar o mecanismo com o melhor resultado, o qual é implementado no projeto nal do mecanismo do dedo incluído no CAD da mão completa, o qual é descrito junto com o projeto eletrônico da plataforma. O projeto nal da mão é avaliado com análise cinemática e adaptações do teste de Kapandji. Em seguida o protótipo é fabricado e montado usando diversos processos de fabricação e prototipagem, tais como corte a jato de água, torneamento e impressão 3D. Logo após, foi projetado na plataforma Matlab/Simulink em alto nível o esquema de controle de impedância dos dedos o qual foi validado usando um simulador numérico do dedo para estudar o efeito do controlador no sistema sem colocar em risco a plataforma física. A sintonização do controlador é realizada usando o algoritmo de otimização bioinspirado PSO visando reduzir o tempo de estabilidade, o sobreimpulso e o tempo de subida. Seguidamente, esses resultados foram implementados em plataformas embarcadas nas linguagens de programação C e na linguagem de descrição de hardware HDL. Após ser avaliado, o esquema de controle foi implementado em C na plataforma Arduino e mapeado em FPGA na placa de desenvolvimento ZedBoard. Uma comparação numérica e analítica foi realizada em termos do desempenho e precisão das duas abordagens. O resultado da otimização do mecanismo de exão-extensão produziu um erro de 0.2660% e o uso deste mecanismo permitiu fabricar um protótipo com dimensões e peso similar a uma mão humana real. Além disso, o protótipo atingiu os dez níveis da adaptação do teste de Kapandji. Adicionalmente, a sintonização da estratégia de controle resultou no comportamento desejado, o qual é subamortecido e com um tempo de estabilização 355ms. Similarmente, os resultados da implementação em FPGA foram satisfatórios no sentido do desempenho do tempo de execução da estratégia de controle, o qual melhorou os resultados da implementação em Arduino e outros trabalhos correlatos no estado da arte. / In recent years, huge technological advances have been made in the eld of computing sciences and related areas, which has allowed the development of sophisticated robotic systems such as biomimetic robots. These robots mimic biological systems that result in greater robustness and e ciency compared to conventional robots when used in unstructured environments. For instance, a biomimetic robotic hand has greater dexterity and agility to perform manipulation tasks and grasp than conventional grippers. Since the 1980s, the development of biomimetic robotic hands has been the focus of many research teams all over the world. Nowadays several contributions regarding the construction and control of said systems, which aim to improve the dexterity and performance of the hands and include topics such as hand design, joint mechanisms, embedded platforms and control strategies. However, even with the great available knowledge, there are still no perfect robotic hands, therefore, there is still knowledge to be contributed in the scienti c community. There are several approaches at the computational level that have not yet been explored in this type of robots, for example, the use of a single FPGA chip to increase the performance of the dynamic control schemes used. This work describes the development of an FPGA-based hardware architecture of the dynamic controller in a robotic hand, which is tuned using bioinspired optimization algorithms applied to achieve stability of grasps. The robotic hand design performed in this work includes the use of mechanisms to emulate the exionextension movements of the ngers. The mechanisms were optimized to minimize the trajectory error using the human hand as reference. The bioinspired algorithms PSO, DE and GA were implemented to optimize the mechanism. 32 experiments are performed for each algorithm to perform a statistical analysis to determine 2 the best result. This optimized mechanism was implemented in the nal design of the nger mechanism included in the CAD of the complete hand, which is described together with the electronic design of the platform. The nal hand design is evaluated with kinematic analysis and Kapandji clinical test adaptations. The prototype was manufactured and assembled using various manufacturing and prototyping processes, such as water-jet cutting, turning and 3D printing. Afterwards, the nger impedance control scheme was designed on a high level platform using Matlab/Simulink, in addition to a numerical simulator of the nger for the study of the controller e ect on the system avoiding physical damage to the system. The controller was tuned using the PSO optimization algorithm aiming to reduce the stability time, the overshoot and the rise time. These results are then implemented on embedded platforms in both C and VHDL languages. After being evaluated, the control scheme is implemented in C on the Arduino platform and was manually mapped to FPGA on the ZedBoard development board. A numerical comparison between the two approaches was done in terms of performance and accuracy. The result of the optimization of the exion-extension mechanism produced an error of 0.2660% and the use of this mechanism allowed for manufacturing the prototype with dimensions and weight similar to a real human hand. The prototype reached the ten levels of the Kapandji test tting. In addition, the tuning of the control strategy resulted in the desired behavior, which is underdamped and with a stabilization time of 355ms. Similarly, the FPGA implementation results were satisfactory in the sense of the execution-time performance of the control strategy, which improved the implementation results in Arduino and other related work in the state of the art.

RISC - Uma nova tendência em arquitetura de computadores. Este trabalho apresenta um estudo de como surgiu esta nova arquitetura, e suas características básicas, que a diferencia das arquiteturas convencionais. Uma proposta de microprocessador RISC é apresentada, com sua rota de dados completamente detalhada. Um simulador para arquitetura RISC foi então construído, para se testar este microprocessador. Para validar o simulador, que é a idéia principal deste trabalho, e para se avaliar a arquitetura do microprocessador proposto, usou-se o benchmark Dhrystone, e os resultados foram comparados com máquinas comerciais. / RISC - A new trend in computer architecture. This work presents a study of how this new architecture emerged, and the basic caracteristics that diferentiate it from the conventional architectures. A proposed RISC microprocessor is presented with the completely detailed data-path. A simulator for the RIse architecture was built to test this microprocessor. To validate the simulator, which is the main idea of this work, and to evaluate the architecture of the proposed microprocessor, the Dhrystone benchmark was used and the results were compared with commercial machines.

Este trabalho tem por objetivo analisar a cinemática de um robô hiperredundante composto por módulos de estrutura paralela e atuadores binários. Cada módulo possui três graus de liberdades, dois graus de liberdade de rotação, com eixos perpendiculares entre si, e um grau de liberdade de translação. Após uma busca das arquiteturas paralelas existentes e relatadas na literatura e uma análise dos graus de liberdades das arquiteturas, foi selecionada a estrutura 3-RPS para o módulo. Essa arquitetura é composta por três cadeias cinemáticas idênticas, cada uma com uma articulação de rotação, uma articulação de translação atuada e uma articulação esférica. Foi desenvolvido um programa computacional para calcular as dimensões ótimas dos módulos considerando as restrições de movimento da junta esférica, as dimensões da base e da plataforma, e o comprimento máximo e mínimo do atuador linear. É realizada uma análise do volume de trabalho do robô hiperredundante composto de três e cinco módulos em série. Como o robô possui atuadores binários o seu volume de trabalho é discreto, consistindo na união de pontos no espaço. Finalmente a cinemática inversa do robô hiper-redundante é calculada e observam-se pequenos erros entre as posições desejadas e as posições alcançadas pelo efetuador do robô hiper-redundante. / This research studies hyper-redundant robots focusing on the kinematics analysis. A hyper-redundant robot was developed based on modules of parallel architecture and binary actuators. Each module has three degrees-of-freedom, two rotational degrees of freedom with perpendicular axis and one translational degree of freedom. After searching for parallel structures existent in the literature and analyzing the degrees of freedom of these structures, the 3-RPS architecture was selected. This architecture is composed by three legs with identical chains, each leg has a rotational joint, a translational actuated joint and a spherical joint. A computational program was developed to calculate the best modules geometry, considering the physical constrains of the spherical joint, the dimensions of the base and of the platform, and the maximum and the minimum values of the binary actuated joint. An analysis of the workspace of the hyper-redundant robot composed by three and five modules in series is performed. Since the robot has discrete actuators its workspace is also discrete, i.e., it is composed by the union of points in space. Finally, the inverse kinematics of the hiper-redundant manipulator is calculated and small errors are observed between the desired position and the real position in space reached by the efectuator.

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:59:38Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo5357_1.pdf: 4023431 bytes, checksum: 529e64a94dcf7762880f12bafed89834 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / A próxima revolução tecnológica, desde o surgimento da Internet, já está acontecendo e é um fenômeno denominado convergência digital. Impulsionado pelo desenvolvimento da computação pervasiva, em que dispositivos (celulares, PDAs, PCs), mídias (rádio, TV, jornal, Internet) e redes (celulares, Wi-Fi, TV digital) convergem, este processo está mudando a forma como cada um de nós interage com o ambiente através da tecnologia. Atualmente já existem dispositivos móveis com múltiplas interfaces de rede e, conseqüentemente, acesso a diversas fontes de dados, como Wi-Fi, Bluetooth, a rede celular e, mais recentemente, a rede de TV digital móvel. Estas diversas interfaces de rede geram um acesso desordenado a serviços remotos nos aparelhos móveis, complicando a experiência do usuário final, em vez de facilitá-la. O sistema de TV digital móvel, por si só, é um exemplo de uma tecnologia que agrega serviços de diversas redes, pois o conteúdo de áudio e vídeo é transmitido via rede broadcast, enquanto a interatividade é provida através de um canal unicast, como a rede celular, por exemplo. Como conseqüência dessa convergência de redes, tornou-se crucial para o desenvolvedor de aplicações, assim como para os usuários, que o acesso aos serviços remotos seja transparente da rede utilizada. Buscando prover esta transparência, portanto, é proposto neste trabalho um middleware para a convergência de serviços em TV digital móvel e redes sem fio, denominado middleconv, que possui mecanismos de descoberta, de execução e de monitoramento de serviços de aplicação disponíveis nas diversas interfaces de rede de um dispositivo móvel. Como estudo de caso, foi desenvolvida, e implantada em um ambiente real, uma aplicação de Electronic Service Guide convergente, na qual o usuário tem acesso aos serviços disponibilizados nas redes de TV digital móvel e nas intranets Wi-Fi, utilizando o middleware proposto

[pt] Com o fim de se conceber um sistema visando ao estudo detalhado de arquiteturas multiprocessadores, descrevem-se características de sistemas multiprocessadores, descrevem-se características de sistemas multiprocessadores de uma maneira geral e, em particular, daqueles que se tornaram clássicos. As razões que levaram à escolha de uma disposição barras simples e de um sistema de programas do tipo Mestre-Escravo são apresentadas juntamente com a descrição do sistema. Escolheu-se como célula microprocessadora o microprocessador 8080 cujo complexo material e funcional é descrito de acordo com os objetivos de projeto. Finalmente, alguns comentários são feitos visando-se a um futuro desenvolvimento do sistema. / [en] For the design of a system aiming the study of multiprocessor architectures, some multiprocessor architectures, some multiprocessor systems are described, particularly those which have become classic. The main reasons responsible for the choice of a disposition based on a single-bus and a master- slave software are presented along with the entire system. A 8080 microprocessador was selected the basic cell whose hardware and software complex is described acording to the design subjects. Finaly, some comments are carried out looking for a future development.

O desenvolvimento e a utilização de ambientes computacionais como apoio ao ensino e aprendizagem, aliados à evolução da computação móvel, têm contribuído significativamente para o estabelecimento de uma nova modalidade de ensino conhecida como aprendizagem móvel ou mobile learning (m-learning). Nesse cenário emergente, os ambientes educacionais existentes, mesmo possuindo diversos benefícios e facilidades no que diz respeito ao ensino e aprendizagem, apresentam problemas e desafios que precisam ser explorados. Um dos aspectos relevantes a ser investigado refere-se ao estabelecimento e adoção de padrões arquiteturais. De fato, grande parte desses ambientes é construída de forma isolada, possuindo arquiteturas e estruturas próprias, o que pode impactar negativamente a capacidade de padronização. O presente trabalho de pesquisa insere-se neste contexto, tendo como principal objetivo investigar e definir uma arquitetura de referência orientada a serviço voltada para ambientes de aprendizagem móvel. Tal arquitetura, denominada Ref-mLearning, visa contribuir para a evolução, reúso e interoperabilidade desses ambientes, possibilitando ainda um aumento na qualidade e redução de custos durante o seu desenvolvimento. Resultados alcançados por meio de avaliações e condução de um estudo de caso demonstram que a Ref-mLearning é uma arquitetura viável possuindo uma boa estrutura e organização para o desenvolvimento de ambientes de aprendizagem móvel orientados a serviço. / The development and use of computational environment to support the teaching and learning, together with the evolution of mobile computing, have contributed significantly to the establishment of a new mode of teaching known as mobile learning (m-learning). In this emerging scenario, the existing educational environments, despite having various benefits and facilities with regard to teaching and learning, present problems and challenges that need to be explored. An important aspect to be investigated refers to the establishment and adoption of architectural patterns. In fact, many of these environments is built in isolation, possessing own architectures and structures, which may negatively impact the standardization capacity. This research work is part of this context, the main objective to investigate and define a service-oriented reference architecture for mobile learning environments. Such an architecture, called Ref-mLearning, aims to contribute to the evolution, reuse and interoperability of these environments, still enabling an increase in quality and cost reduction during its development. Results achieved through evaluations and conducting a case study show that Ref-mLearning is a viable architecture having a good structure and organization for the development of a service-oriented mobile learning environment.

O desenvolvimento e a utilização de ambientes computacionais como apoio ao ensino e aprendizagem, aliados à evolução da computação móvel, têm contribuído significativamente para o estabelecimento de uma nova modalidade de ensino conhecida como aprendizagem móvel ou mobile learning (m-learning). Nesse cenário emergente, os ambientes educacionais existentes, mesmo possuindo diversos benefícios e facilidades no que diz respeito ao ensino e aprendizagem, apresentam problemas e desafios que precisam ser explorados. Um dos aspectos relevantes a ser investigado refere-se ao estabelecimento e adoção de padrões arquiteturais. De fato, grande parte desses ambientes é construída de forma isolada, possuindo arquiteturas e estruturas próprias, o que pode impactar negativamente a capacidade de padronização. O presente trabalho de pesquisa insere-se neste contexto, tendo como principal objetivo investigar e definir uma arquitetura de referência orientada a serviço voltada para ambientes de aprendizagem móvel. Tal arquitetura, denominada Ref-mLearning, visa contribuir para a evolução, reúso e interoperabilidade desses ambientes, possibilitando ainda um aumento na qualidade e redução de custos durante o seu desenvolvimento. Resultados alcançados por meio de avaliações e condução de um estudo de caso demonstram que a Ref-mLearning é uma arquitetura viável possuindo uma boa estrutura e organização para o desenvolvimento de ambientes de aprendizagem móvel orientados a serviço. / The development and use of computational environment to support the teaching and learning, together with the evolution of mobile computing, have contributed significantly to the establishment of a new mode of teaching known as mobile learning (m-learning). In this emerging scenario, the existing educational environments, despite having various benefits and facilities with regard to teaching and learning, present problems and challenges that need to be explored. An important aspect to be investigated refers to the establishment and adoption of architectural patterns. In fact, many of these environments is built in isolation, possessing own architectures and structures, which may negatively impact the standardization capacity. This research work is part of this context, the main objective to investigate and define a service-oriented reference architecture for mobile learning environments. Such an architecture, called Ref-mLearning, aims to contribute to the evolution, reuse and interoperability of these environments, still enabling an increase in quality and cost reduction during its development. Results achieved through evaluations and conducting a case study show that Ref-mLearning is a viable architecture having a good structure and organization for the development of a service-oriented mobile learning environment.

As características particulares dos dados geográficos constituem a razão pela qual se faz necessário estruturar novos tipos de dados e arquitetar novas formas de armazenamento e acesso aos dados. Este trabalho apresenta uma análise considerando as Arquiteturas Dual e Integrada em relação à forma de gerenciamento e recuperação da informação espacial, em conjunto com as informações não espaciais. Este trabalho aborda os conceitos fundamentais acerca dos Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados Geográficos. Para demonstrar como estes conceitos são importantes e influenciam diretamente na eficiência dos mesmos, conclui-se o trabalho com o desenvolvimento de alguns testes de funcionalidade sob duas ferramentas com arquiteturas distintas, são elas: o SPRING, de Arquitetura Dual, e o ORACLE SPATIAL, de Arquitetura Integrada. Os testes de funcionalidade objetivaram verificar se e como as ferramentas em estudo, suportam determinados tipos de consultas espaciais. Para tanto foi escolhido o cenário de Planejamento Urbano e selecionados alguns tipos de consultas envolvendo componentes espaciais, que normalmente são implementadas neste tipo de aplicação. Os resultados obtidos permitem concluir, principalmente, que as ferramentas analisadas suportaram as consultas espaciais utilizadas nos testes - algumas envolvendo o objeto espacial e o atributo ao mesmo tempo - porém, com algumas restrições. Além disso, foi possível fazer algumas considerações em relação à utilização ou não de índices espaciais para otimização das consultas e algumas constatações sobre as arquiteturas de banco de dados geográficos analisadas, em relação à integração dos dados espaciais com os dados não espaciais. / The spatial data complexity justifies the need to develop new spatial data types and to design new structures to store, to query and to handle spatially referenced data inside a database management system (DBMS). This work presents an analysis of these issues considering the different architectures of geographic databases. The Dual and Integrated arquitectures are considered in relation to spatial data and attribute handling. The principal concepts concerning the spatial DBMS are presented. To demonstrate how these concepts are important and influence directly in the efficiency of Geographic Information Systems (GIS) tools, these work concludes with the development of some tests of functionality. Two GIS programs with distinct architectures were tested, and they are: the SPRING, of Dual Architecture, and ORACLE SPATIAL, of Integrated Architecture. The functionality tests aimed to verify if the tools in study support some kind of spatial queries, describing the necessary steps to perform these queries. In order to perform the tests, an Urban Planning application was chosen and some spatial queries were defined and executed.

Tradicionalmente, em aplicações industriais predominam robôs cujas arquiteturas correspondem a estruturas cinemáticas seriais, ou seja, seus atuadores e peças movidas são dispostos em série, um após o outro, formando uma única cadeia cinemática aberta, de modo a posicionar o órgão terminal, a parte do robô que comumente contém uma garra ou um eletrodo de solda. Esses robôs apresentam desempenho insatisfatório em aplicações que demandem precisão, rigidez, alta freqüência natural e baixo tempo de ciclo. Sendo assim, tanto a comunidade acadêmica como a industrial têm manifestado um interesse crescente pela utilização de outro tipo de estrutura cinemática, denominada paralela, que se caracteriza pela presença de várias cadeias cinemáticas independentes, atuando de forma paralela e simultânea sobre o órgão terminal. Essa arquitetura não-convencional apresenta, potencialmente, uma série de vantagens, como: alta rigidez, leveza, rapidez, precisão e alta capacidade de carga. No entanto, existe uma série de problemas abertos que necessitam de uma investigação mais profunda, de modo a garantir que essa mudança de tendência venha a ser implementada com eficácia. O objetivo desta pesquisa é contribuir para o desenvolvimento de uma máquina fresadora de arquitetura paralela que seja promissora quanto à sua simplicidade construtiva, bem como a precisão de posicionamento da ferramenta, se comparada com os robôs paralelos tradicionais. Esses dois requisitos simplicidade e precisão serão alcançados mediante o emprego de uma estrutura modular e a utilização de uma barra de ancoragem ativa, de forma que a estrutura final apresente três atuadores operando em conjunto. Sendo assim, serão empregados três membros, todos ativos, formando uma estrutura cinemática redundante com mobilidade igual a dois. A avaliação do comportamento da arquitetura proposta para a fresadora será realizada por meio de simulações, com o mapeamento dos erros estáticos, de modo a identificar a sua precisão de posicionamento ao longo dos seus eixos de movimentação. / Traditionally, in industrial activities, there is a preference over robots whose architectures correspond to serial kinematic structures, i.e., its actuators and moving parts are arranged in series, one after another, forming a single open kinematic chain, in order to position the body terminal, the part of the robot that commonly contain a claw or a welding electrode. However, these robots have poor performance in applications that require precision, rigidity, high natural frequency and low cycle time. Due to these factors, both academic and industrial communities have expressed a growing interest in the use of another type of kinematic structure, called parallel, which is characterized by the presence of several independent kinematic chains, operating in parallel and simultaneously on the terminal organ. This unconventional architecture has potentially a number of advantages, such as high stiffness, lightness, speed, precision and high load capacity. However, there are a number of open problems that need further investigation in order to ensure that this trend change will be implemented effectively. The objective of this research is to contribute for the development of a parallel milling machine that presents a promising behavior in terms of precision and simplicity in construction, compared with the traditional parallel robots. Both requirements simplicity and precision will be achieved with the utilization of a modular structure and the introduction of an active docking bar, so that the final structure has three actuators working simultaneously. Thus, three members will be used, all active, forming a kinematic redundant structure with mobility equal to two. The expected behavior of the proposed architecture for the milling machine is evaluated through simulations, with the mapping of static errors that allow the identification of its positioning accuracy along the motion axes.

Esta tese apresenta um estudo sobre a implementação de sistema de detecção e reconhecimento de faces no processador CELL na plataforma CBE, utilizando um sistema Playstation 3. Inicialmente, diversas abordagens para reconhecimento e detecção de faces são estudadas, bem como arquiteturas de processador multi núcleos. São apresentadas três implementação, sendo a segunda implementação premiada com quarto colocado no IBM CELL UNIVERSITY CHALLENGE 2007 para desenvolvimento de programas para plataforma Cell BE. A terceira implementação apresenta os resultados interessantes relacionados a vetorização do processamento dos dados da detecção de objetos e os recursos adotados para obter o melhor desempenho. / This thesis presents a study of face detection implementation on CBE plataform and employ the system with Playstation 3 hardware. Several approaches for face detection and recognition are studied as well as multicore processor architetures. We implemented three versions of system. First implementation was a naive reference implementation with worst performance. Second implementation granted fourth prize in IBM CELL UNIVERSITY CHALLENGE 2007 that incentive development on CBE plataform. Third implementation had most interesting results with vectorized approaches on code of object detection.