Semi-autonomous control schemes can address the limitations of both teleoperation and fully autonomous robotic control of rescue robots in disaster environments by allowing cooperation and task sharing between a human operator and a robot with respect to tasks such as navigation, exploration and victim identification. Herein, a unique hierarchical reinforcement learning (HRL) -based semi-autonomous control architecture is presented for rescue robots operating in unknown and cluttered urban search and rescue (USAR) environments. The aim of the controller is to allow a rescue robot to continuously learn from its own experiences in an environment in order to improve its overall performance in exploration of unknown disaster scenes. A new direction-based exploration technique and a rubble pile categorization technique are integrated into the control architecture for exploration of unknown rubble filled environments. Both simulations and physical experiments in USAR-like environments verify the robustness of the proposed control architecture.

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.

Les objectifs scientifiques de ces travaux de thèse reposent sur le développement d’une plateforme robotisée pour la réalisation d’un acte d’échographie à distance. Les contraintes de cet acte médical à distance ont conduit à la réalisation d’un robot sériel à cinq degrés de liberté. La présence d’une singularité centrale a conditionné la proposition d’une loi de commande cinématique pondérée dont l’objectif est d’assurer le meilleur suivi du geste médical et le maintien du plan ultrasonore à l’approche de la singularité. Cette loi de commande est basée sur une combinaison linéaire de l’inverse et de la pseudo-inverse de la matrice jacobienne de base du robot. Les réseaux haut débit sont nécessaires pour l’utilisation de la plateforme télé-opérée afin d’assurer une très bonne qualité des images échographiques reçues par l’expert. Cependant, ils sont soumis à de forts délais de transmission perturbant la stabilité du système robotique et le ressenti des interactions robot/patient. L’architecture de commande bilatérale passive proposée est basée sur le formalisme des variables d’ondes, et inclut les structures mécatroniques des postes maître et esclave, et les caractéristiques des liens de communication. Cette approche garantit, quels que soient les délais de transmission, la stabilité et la transparence de la plateforme télé-opérée. La prise en compte de l’ensemble des caractéristiques mécatroniques de la chaîne télé-opérée a permis de proposer une méthodologie pour l’adaptation d’impédance afin d’améliorer le rendu haptique au niveau du poste maître. Des expérimentations par satellite ont validé l’approche de la structure bilatérale et confirmé la stabilité et la transparence de la chaîne télé-opérée quels que soient les délais de communication. / The scientific objectives of this PhD thesis work are based on the development of a robotic platform used to perform tele-echography act via satellite link. The constraints of the remote tele-echography procedure led to the development of a 5-DOF serial robot. The presence of a central singularity has conditioned the proposal of a weighted kinematic control law to ensure a better monitoring of medical procedure and ultrasonic plan when approaching the singularity. This control law is based on a linear combination of the inverse and pseudo-inverse of the Jacobian matrix. Broadband networks are required to provide high quality ultrasound images to the medical expert. However, they are subject to high transmission delays disrupting the stability of the robotic system and rendering of robot/patient interactions. The passive bilateral control architecture proposed is based on the wave variables approach ; it includes the mechatronic master and slave characteristics, and the communication links characteristics. This approach ensures stability and transparency of the tele-operated platform whatever the transmission time delay. A methodology for impedance matching taking into account the characteristics of mechatronic tele-operated chain has improved haptic rendering at the station master. Satellite experiments have validated the proposed wave variables bilateral structure and confirmed the stability and transparency of the tele-operated chain for any communication delays.

Este trabalho tem como objetivo principal apresentar o estudo comparativo de diversas arquiteturas para a implementação de partes de controle de sistemas digitais, propondo um método de concepção orientado para a etapa de síntese no domínio estrutural. E apresentada uma descrição geral dos sistemas digitais que aborda os seguintes aspectos: a classificação, as formas de implementação, as metodologias de projeto e o use de níveis de interpretação. As arquiteturas de controladores são desenvolvidas através de diversos componentes combinacionais, associados a elementos de memorização, que permitem a realização de maquinas de estados finitos. 0 conhecimento das características destes componentes digitais, bem como das ferramentas que os geram de forma automática, pode levar a escolha da arquitetura de controle que melhor se adéqua a implementação do circuito integrado. A divisão de um circuito em unidade controladora e unidade operativa é uma decisão do projetista. Esta escolha pode ser orientada de acordo com certos parâmetros, geralmente ligados a complexidade dos sistemas. A classificação quanto a complexidade, tamanho da palavra de instrução, número de comandos que irão atuar na parte operativa, entre outros parâmetros, permite agrupar os algoritmos em conjuntos. Os algoritmos pertencentes a um determinado conjunto, utilizando a mesma arquitetura para a implementação da unidade de controle, apresentarão resultados semelhantes em termos de área, desempenho elétrico, flexibilidade, etc., se forem implementados pelo mesmo sistema de PAC. De forma que torna-se possível selecionar arquiteturas que se adequem melhor para realizar os circuitos que apresentam características comuns. Diversas propostas de arquiteturas para a implementação de unidades de controle são apresentadas, citando os pontos positivos e negativos de cada implementação. Dois circuitos digitais, no caso microprocessadores, são utilizados, como exemplo, para ilustrar a realização destas arquiteturas. A comparação entre as arquiteturas deve ser efetuada através de ferramentas que permitam avaliar os métodos de implementação e, também, verificar a correção dos circuitos implementados. Para os exemplos utilizou-se SHC (Simulador para HDC) com esta finalidade. O SHC é um simulador que tem como entrada uma linguagem de descrição de hardware HDC, e que permite a simulação de diversas arquiteturas, a partir de descrições tão próximas da implementação física dos circuitos quanto necessário (dentro dos níveis de descrição permitidos pela linguagem HDC). / The main subject of this work is the comparative study of several architectures for control unit implementation. Meanwhile a structural domain synthesis strategy is proposed. A general description of digital systems is presented, which focuses the followings aspects: classification, implementation, design methodologies and the use of interpretation levels. Controllers' architectures are developed with several combinatorial components, associated to memory elements, which realize a finite state machine. The knowledge of digital circuits characteristics, as well as the automatic generation tools available, can help to choose the best control architecture iJ use in integrated circuits implementation. Control unit and execution unit circuits division is a designer's decision. This choice can be oriented according to some parameters, usually related to systems' complexity. Algorithms can be classified by their complexity, length of instruction word, number of commands that will act in the execution unit and other parameters. This classification allows to group algorithms in sets. When some implementation of control unit architecture is selected, any algorithm of a given set will present similar results in terms of area, performance, flexibility and so on. Then it becomes possible to select architectures that are more suited to implement circuits showing common characteristics. Several architectures for control unit implementation are presented, demonstrating advantages and drawbacks of each one. Two digital circuits are used (in this case microprocessors) as examples, illustrating these architectures implementation. The comparison between architectures has to be done with tools that allow the evaluation of each implementation method and circuit verification. Each example was simulated by SHC (HDC Simulator). SHC is a simulator which has, as an input, the HDC hardware description language. This simulator allows architecture simulation by descriptions as close to physical circuit implementation as needed (inside the available HDC description levels).

Este trabalho tem como objetivo principal apresentar o estudo comparativo de diversas arquiteturas para a implementação de partes de controle de sistemas digitais, propondo um método de concepção orientado para a etapa de síntese no domínio estrutural. E apresentada uma descrição geral dos sistemas digitais que aborda os seguintes aspectos: a classificação, as formas de implementação, as metodologias de projeto e o use de níveis de interpretação. As arquiteturas de controladores são desenvolvidas através de diversos componentes combinacionais, associados a elementos de memorização, que permitem a realização de maquinas de estados finitos. 0 conhecimento das características destes componentes digitais, bem como das ferramentas que os geram de forma automática, pode levar a escolha da arquitetura de controle que melhor se adéqua a implementação do circuito integrado. A divisão de um circuito em unidade controladora e unidade operativa é uma decisão do projetista. Esta escolha pode ser orientada de acordo com certos parâmetros, geralmente ligados a complexidade dos sistemas. A classificação quanto a complexidade, tamanho da palavra de instrução, número de comandos que irão atuar na parte operativa, entre outros parâmetros, permite agrupar os algoritmos em conjuntos. Os algoritmos pertencentes a um determinado conjunto, utilizando a mesma arquitetura para a implementação da unidade de controle, apresentarão resultados semelhantes em termos de área, desempenho elétrico, flexibilidade, etc., se forem implementados pelo mesmo sistema de PAC. De forma que torna-se possível selecionar arquiteturas que se adequem melhor para realizar os circuitos que apresentam características comuns. Diversas propostas de arquiteturas para a implementação de unidades de controle são apresentadas, citando os pontos positivos e negativos de cada implementação. Dois circuitos digitais, no caso microprocessadores, são utilizados, como exemplo, para ilustrar a realização destas arquiteturas. A comparação entre as arquiteturas deve ser efetuada através de ferramentas que permitam avaliar os métodos de implementação e, também, verificar a correção dos circuitos implementados. Para os exemplos utilizou-se SHC (Simulador para HDC) com esta finalidade. O SHC é um simulador que tem como entrada uma linguagem de descrição de hardware HDC, e que permite a simulação de diversas arquiteturas, a partir de descrições tão próximas da implementação física dos circuitos quanto necessário (dentro dos níveis de descrição permitidos pela linguagem HDC). / The main subject of this work is the comparative study of several architectures for control unit implementation. Meanwhile a structural domain synthesis strategy is proposed. A general description of digital systems is presented, which focuses the followings aspects: classification, implementation, design methodologies and the use of interpretation levels. Controllers' architectures are developed with several combinatorial components, associated to memory elements, which realize a finite state machine. The knowledge of digital circuits characteristics, as well as the automatic generation tools available, can help to choose the best control architecture iJ use in integrated circuits implementation. Control unit and execution unit circuits division is a designer's decision. This choice can be oriented according to some parameters, usually related to systems' complexity. Algorithms can be classified by their complexity, length of instruction word, number of commands that will act in the execution unit and other parameters. This classification allows to group algorithms in sets. When some implementation of control unit architecture is selected, any algorithm of a given set will present similar results in terms of area, performance, flexibility and so on. Then it becomes possible to select architectures that are more suited to implement circuits showing common characteristics. Several architectures for control unit implementation are presented, demonstrating advantages and drawbacks of each one. Two digital circuits are used (in this case microprocessors) as examples, illustrating these architectures implementation. The comparison between architectures has to be done with tools that allow the evaluation of each implementation method and circuit verification. Each example was simulated by SHC (HDC Simulator). SHC is a simulator which has, as an input, the HDC hardware description language. This simulator allows architecture simulation by descriptions as close to physical circuit implementation as needed (inside the available HDC description levels).

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:05:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissRWCM.pdf: 3820933 bytes, checksum: 0defe423c2e4d7d5969558fc1677062d (MD5) Previous issue date: 2005-08-26 / In order to attend the market quickly, a company need to have flexibility and to change its production line, to assist to the production of personalized products, to change the raw material or, even, the conception of the product like in an automatic system of manufacture. Administration of processes, industrial automation and IT (Information Technology) are essential to guarantee not only the companies, competitiveness but their survival inside of this scenery. The larger interest among the automatic systems of manufacture in this work is the flexible manufacture system (FMS), for its inclusion and complexity and, consequently, its control and the variety of architectures, as the centralized, the hierarchical, the heterarchical, the hybrid and, finally the multi - agent, therefore the main focus of this work will be the control system of a FMS. So one of the architecture alternatives, is the proposal using a system of hybrid control, because it allows the communication among levels, by sidelong, and the modules involved in the production process and factory ground control, so it will be possible, to determine which are the instances or moments so of decision, describing the used functions, as well as the treated information. To make possible the modeling modules are used: manager, selective and movement controller facilitating the construction of a structured algorithm aiming at the detail of the process mapping of communication about the actions unchained in the factory ground. / Para uma empresa responder mais rapidamente ao mercado, é importante ter flexibilidade e poder mudar sua linha de produção facilmente, para atender à fabricação de produtos personalizados, alterar a matéria-prima ou, até mesmo, a concepção do produto como em um sistema automático de manufatura. Gerenciamento de processos, automação industrial e TI (Tecnologia da Informação) são essenciais para garantir não somente competitividade das empresas, mas sua sobrevivência dentro deste cenário. Dentre os sistemas automáticos de manufatura que têm sido abordados, o de maior interesse para o escopo deste trabalho é o sistema flexível de manufatura (FMS), por sua abrangência e complexidade e, conseqüentemente, seu controle. Há uma variedade de arquiteturas de controle, como a centralizada, a hierárquica, a heterárquica, a híbrida e, finalmente a multi agente, com vantagens e desvantagens em relação à facilidade de modelagem, implementação e desempenho. Como proposta deste trabalho é estudada uma das alternativas de arquitetura, utilizando um sistema de controle híbrido, pelo fato do mesmo permitir a comunicação entre níveis, tanto lateralmente, como com os módulos envolvidos no processo de fabricação e controle de chão de fábrica. Será possível com isto, determinar quais são as instâncias ou momentos de tomada de decisão, descrevendo as funções utilizadas, bem como as informações tratadas. Para viabilizar a modelagem utilizam-se módulos: gerenciador, seletivo e controlador de movimentação facilitando a construção de um algoritmo estruturado objetivando o detalhamento do mapeamento do processo de comunicação das ações desencadeadas no chão de fábrica.

Os mercados estão se tornando independentes de barreiras geográficas e as indústrias têm procurado novas configurações de sistemas produtivos (SPs), passando de estruturas centralizadas para estruturas distribuídas, deslocando suas plantas produtivas para países com reservas de energia e baixos custos operacionais. Para permitir a coordenação e gerenciamento deste tipo de SP disperso, aproveita-se dos avanços das tecnologias mecatrônicas e de informação, as quais permitem uma maior cooperação entre as partes do sistema e entre os atores (clientes, operadores, administradores, etc.) envolvidos. Cada parte do SP disperso que também é um SP tem seu grau de autonomia operacional. Esse tipo de sistema apresenta novos problemas de integração e coordenação de componentes, que têm que ser superados para se chegar a uma efetiva implementação. A falta de dados de testes já realizados com estruturas distribuídas dificulta o desenvolvimento prático de SPs dispersos. Este trabalho inicialmente adota uma arquitetura de controle para a negociação entre usuários de um SP disperso. Para a implementação da arquitetura foram desenvolvidos modelos computacionais explorando o potencial da rede de Petri e do PFS (production flow schema) para sistematizar a construção dos modelos. Pela análise dos modelos com base nas propriedades da rede de Petri avaliou-se a arquitetura de controle e estabeleceu-se as especificações que foram adotadas para sua implementação prática. A implementação e os testes foram realizados considerando os subsistemas autônomos de um sistema flexível de montagem que emula um SP disperso. Os estudos, análises e testes realizados foram fundamentais para adquirir maior experiência prática relacionado a concepção, projeto, implementação e operação de arquiteturas de controle distribuído aplicadas a SPs dispersos. / The markets are becoming independent of geographic and industry have sought new configurations of productive systems, from centralized structures to distributed structures, shifting their production plants to countries with energy reserves and low operating costs. To allow the coordination and management of this type of dispersed productive system, takes advantage of advances in mechatronics and information technologies, which allow greater cooperation between parts of the system and among stakeholders (customers, operators, administrators, etc.) involved. Each part of disperse productive system, that is also a productive system, has its own level of operational autonomy. This type of system presents new problems of integration and coordination of components that must be overcome to achieve effective implementation. The lack of data from tests already carried out with distributed structures hinders the practical development of disperse productive systems. This work initially adopts a control architecture for negotiation between users of a disperse productive system. For the implementation of the architecture were developed computational models exploring the potential of Petri networks (PN) and the production flow schema (PFS) to systematize the construction of models. For the analysis of models based on the PN properties we evaluated the control architecture and established the specifications that were used for its practical implementation. The implementation and the tests were performed considering the autonomous subsystems of a flexible mounting system that emulates a disperse productive system. The studies, analysis and tests were essential to acquire more practical experience related to conception, design, implementation and operation of distributed control architectures applied to disperse productive systems.

Este trabalho tem como objetivo principal apresentar o estudo comparativo de diversas arquiteturas para a implementação de partes de controle de sistemas digitais, propondo um método de concepção orientado para a etapa de síntese no domínio estrutural. E apresentada uma descrição geral dos sistemas digitais que aborda os seguintes aspectos: a classificação, as formas de implementação, as metodologias de projeto e o use de níveis de interpretação. As arquiteturas de controladores são desenvolvidas através de diversos componentes combinacionais, associados a elementos de memorização, que permitem a realização de maquinas de estados finitos. 0 conhecimento das características destes componentes digitais, bem como das ferramentas que os geram de forma automática, pode levar a escolha da arquitetura de controle que melhor se adéqua a implementação do circuito integrado. A divisão de um circuito em unidade controladora e unidade operativa é uma decisão do projetista. Esta escolha pode ser orientada de acordo com certos parâmetros, geralmente ligados a complexidade dos sistemas. A classificação quanto a complexidade, tamanho da palavra de instrução, número de comandos que irão atuar na parte operativa, entre outros parâmetros, permite agrupar os algoritmos em conjuntos. Os algoritmos pertencentes a um determinado conjunto, utilizando a mesma arquitetura para a implementação da unidade de controle, apresentarão resultados semelhantes em termos de área, desempenho elétrico, flexibilidade, etc., se forem implementados pelo mesmo sistema de PAC. De forma que torna-se possível selecionar arquiteturas que se adequem melhor para realizar os circuitos que apresentam características comuns. Diversas propostas de arquiteturas para a implementação de unidades de controle são apresentadas, citando os pontos positivos e negativos de cada implementação. Dois circuitos digitais, no caso microprocessadores, são utilizados, como exemplo, para ilustrar a realização destas arquiteturas. A comparação entre as arquiteturas deve ser efetuada através de ferramentas que permitam avaliar os métodos de implementação e, também, verificar a correção dos circuitos implementados. Para os exemplos utilizou-se SHC (Simulador para HDC) com esta finalidade. O SHC é um simulador que tem como entrada uma linguagem de descrição de hardware HDC, e que permite a simulação de diversas arquiteturas, a partir de descrições tão próximas da implementação física dos circuitos quanto necessário (dentro dos níveis de descrição permitidos pela linguagem HDC). / The main subject of this work is the comparative study of several architectures for control unit implementation. Meanwhile a structural domain synthesis strategy is proposed. A general description of digital systems is presented, which focuses the followings aspects: classification, implementation, design methodologies and the use of interpretation levels. Controllers' architectures are developed with several combinatorial components, associated to memory elements, which realize a finite state machine. The knowledge of digital circuits characteristics, as well as the automatic generation tools available, can help to choose the best control architecture iJ use in integrated circuits implementation. Control unit and execution unit circuits division is a designer's decision. This choice can be oriented according to some parameters, usually related to systems' complexity. Algorithms can be classified by their complexity, length of instruction word, number of commands that will act in the execution unit and other parameters. This classification allows to group algorithms in sets. When some implementation of control unit architecture is selected, any algorithm of a given set will present similar results in terms of area, performance, flexibility and so on. Then it becomes possible to select architectures that are more suited to implement circuits showing common characteristics. Several architectures for control unit implementation are presented, demonstrating advantages and drawbacks of each one. Two digital circuits are used (in this case microprocessors) as examples, illustrating these architectures implementation. The comparison between architectures has to be done with tools that allow the evaluation of each implementation method and circuit verification. Each example was simulated by SHC (HDC Simulator). SHC is a simulator which has, as an input, the HDC hardware description language. This simulator allows architecture simulation by descriptions as close to physical circuit implementation as needed (inside the available HDC description levels).

Applications of power electronics in power systems are growing very rapidly and changing the power system infrastructure in terms of operation speed and control. Even though applications of power electronics are wide spread, the cost and reliability of power electronics are the issues that could hinder their penetration in the utility and industrial systems. The demand for efficient and reliable converter controllers gave rise to modularized converter and controller design. The objective of this dissertation is to determine the appropriate partitioning and interface requirements between the system and application control layers for power electronic converters so that the minimum set of system layer to application layer control interfaces is compatible across all power electronic controllers. Previous work, using the Open System Architecture (OSA) concept has shown that there is a set of common functions shared by different converters at the low-level control layers. It has also shown that, depending on the application, there is a variation in control functions in application/middle control layers. This functional variation makes it difficult to define system functionality of power converters at upper control layers and further complicates the investigation into the partition requirements of system to application control layer. However, by analyzing the current or voltage affected by a converter in terms of orthogonal components, where each component or group of components is associated with a power-converter application, and the amount of required DC bus energy storage, a common functionality can be observed at the application control layer. Therefore, by establishing common functionality in terms of affected current or voltage components, a flexibility of operation can be realized at upper control layers that will be a major contribution towards standardizing the open system architecture. In order to a construct functional flexible power converter control architecture, the interface requirements to the system control layer and the partitioning between the system control layer and application control layer need to be explored. This will provide flexibility of system design methodology by reducing the number of constraints and enabling system designers to explore possible system architectures much more effectively.

Supondo-se que os robôs coexistirão conosco num futuro próximo, é então evidente a necessidade de Arquiteturas de Controle Inteligentes voltadas para a Interação Humano-Robô. Portanto, este trabalho desenvolveu uma Organização de Arquitetura de Controle Inteligente comportamental, cujo objetivo principal é permitir que o robô interaja com as pessoas de maneira intuitiva e que motive a colaboração entre pessoas e robôs. Para isso, um módulo emocional sintético, embasado na teoria bidimensional de emoções, foi integrado para promover a adaptação dos comportamentos do robô, implementados por Esquemas Motores, e a comunicação de seu estado interno de modo inteligível. Esta Organização subsidiou a implantação da Arquitetura de Controle em uma aplicação voltada para a área assistencial da saúde, consistindo, destarte, em um estudo de caso em robótica social assistiva como ferramenta auxiliar para educação especial. Os experimentos realizados demonstraram que a arquitetura de controle desenvolvida é capaz de atender aos requisitos da aplicação, conforme estipulado pelos especialistas consultados. Isto posto, esta tese contribui com o projeto de uma arquitetura de controle capaz de agir mediante a avaliação subjetiva baseada em crenças cognitivas das emoções, o desenvolvimento de um robô móvel de baixo-custo, e a elaboração do estudo de caso em educação especial. / Assuming that robots will coexist with humans in the near future, it is conspicuous the need of Intelligent Control Architectures suitable for Human-Robot Interaction. Henceforth, this research has developed a behavioral Control Architecture Organization, whose main purpose is to allow the intuitive interaction of robot and people, thus fostering the collaboration between them. To this end, a synthetic emotional module, based on the Circumplex emotion theory, promoted the adaptation of the robot behaviors, implemented using Motor Schema theory, and the communication of its internal state. This Organization supported the adoption of the Control Architecture into an assistive application, which consists of the case study of assistive social robots as an auxiliary tool for special education. The experiments have demonstrated that the developed control architecture was able to meet the requirements of the application, which were conceived according to the opinion of the consulted experts. Thereafter, this thesis contributes with the design of a control architecture that is able to act upon the subjective evaluation based on cognitive beliefs of emotions, the development of a low-cost mobile robot, and the development of the case study in special education.