Esta dissertação aborda a caracterização mecânica de um robô manipulador paralelo de 3 graus de liberdade. A topologia do manipulador corresponde a um mecanismo de estrutura cinemática paralela, cujo efetuador é capaz de realizar 3 deslocamentos lineares no espaço tridimensional. A tecnologia associada ao controle de robôs de estrutura cinemática serial encontra-se bastante madura. No entanto, o mesmo não se dá nos robôs paralelos. Para que se avance no domínio do controle de trajetória destes robôs é necessária a sua caracterização mecânica, a qual fornecerá os subsídios para identificação paramétrica, calibração de modelos, ajuste de ganhos dos controladores, etc. Especificamente, a caracterização mecânica neste trabalho teve por objetivo o levantamento experimental dos erros de posicionamento do efetuador com relação a exatidão e repetibilidade, sua rigidez sob a ação de cargas externas, bem como das frequências naturais do sistema. Os ensaios realizados foram executados no robô Laila, que é um protótipo físico de um robô manipulador, desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. A dissertação apresenta como resultados os mapeamentos dos erros de posicionamento do efetuador, a rigidez sob a ação de cargas externas, bem como suas frequências naturais, ao longo do espaço de medição. A seguir, apresenta-se uma discussão da consistência dos valores obtidos para estas propriedades. Por fim, é feita uma análise sobre a influência das folgas mecânicas sobre os índices de desempenho do robô. / This dissertation deals with the mechanical characterization of a parallel manipulator robot of 3 degrees of freedom. The topology of the manipulator corresponds to a mechanism of parallel kinematic structure, whose effector is capable of performing 3 linear displacements in the three-dimensional space. The technology associated with the control of robots of serial kinematic structure is quite mature. However, the same is not true of parallel robots. In order to advance in the field of control of trajectory of these robots it is necessary to characterize them mechanically, which will provide the subsidies for parametric identification, calibration of models, adjustment of gains of the controllers, etc. Specifically, the mechanical characterization in this work had as objective the experimental study of the positioning errors of the effector in relation to the accuracy and repeatability, its rigidity under the action of external loads, as well as the natural frequencies of the system. The tests were performed in the Laila robot, which is a physical prototype of a manipulator robot, developed by the Department of Mechatronics Engineering and Mechanical Systems of the Polytechnic School of the University of São Paulo. The dissertation presents as results the mappings of the positioning errors of the effector, the rigidity under the action of external loads, as well as their natural frequencies, along the measurement space. The following is a discussion of the consistency of the values obtained for these properties. Finally, an analysis is made on the influence of the mechanical gaps on the performance indexes of the robot.

Modelos baseados na teoria de Processos Decisórios de Markov (PDM) têm sido propostos para situações realistas a serem enfrentadas por robôs móveis aplicados a tarefas que envolvem navegação (vigilância, distribuição de mensagens, etc.). Entretanto, um aspecto crítico em problemas reais é a enorme dimensão do espaço de estados. Como praticamente todos os algoritmos de aprendizagem de controle ou planejamento que utilizam PDM são baseados em um mapeamento explícito entre estados e ações, tal situação normalmente força o uso de representações do espaço de estados compactas, para as quais não existem algoritmos de aprendizagem ou planejamento comprovadamente eficientes, ou mesmo convergentes nos casos mais gerais. O objetivo deste trabalho é a análise de mecanismos que permitam o planejamento online eficiente em robótica móvel, em situações realistas nas quais não é possível o uso de uma representação explícita dos estados devido à dimensão do espaço de estados. É considerada uma técnica de planejamento relatada na literatura conhecida como Amostragem Esparsa (AE). Esta técnica é baseada em amostragem esparsa de instâncias simuladas de um modelo do PDM que representa a interação do robô com o seu ambiente, e pode ser combinada ao uso de opções (macro-operadores) que correspondem a seqüências de ações primitivas. O uso de opções pode ser visto como uma melhoria ao desempenho do algoritmo de AE, pois em tarefas de aprendizagem, seu uso produz exploração mais efetiva do espaço de estados, o que acelera a convergência do aprendizado. Entretanto, o tempo de execução deste algoritmo é exponencial no nível de exploração e no número de amostras a serem gerados. Deste modo, este trabalho propõe uma melhoria para o algoritmo de AE, através da utilização de informações pré-processadas do ambiente a ser explorado. Tais informações são adquiridas a partir da execução do algoritmo de aprendizado por reforço Q-Leaning sobre uma discretização do espaço de estados deste ambiente.

Este trabalho aborda o problema do controle dinâmico de robôs testando e comparando o desempenho de três diferentes controladores desenvolvidos para o manipulador robótico da Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica do ITA (Robô ITA-IEMP), a saber: um controlador IJC (Independent Joint Control) tradicional utilizando algoritmo PID, um controlador utilizando a técnica do torque computado e um controlador utilizando redes neurais artificiais. Inicialmente as três estratégias foram simuladas em computador utilizando um modelo dinâmico do Robô ITA-IEMP derivado simbolicamente a partir da Formulação de Lagrange-Euler. Uma vez feita a simulação, estas foram implementadas computacionalmente de forma a executarmos o controle em tempo real do manipulador. São apresentados os resultados das simulações computacionais e da operação em tempo real do manipulador para cada uma das estratégias desenvolvidas. De forma a integrar as implementações computacionais destas técnicas de controle e também as diferentes rotinas para geração de trajetórias desenvolvidas, foi implementada uma interface gráfica amigável com o auxílio do pacote CXL.

O objetivo principal deste trabalho é o estudo do comportamento dinâmico de um manipulador robótico de três graus de liberdade posicional. O estudo dinâmico focaliza o modelamento teórico e experimental do sistema de acionamento robótico. A tecnica de modelamento por grafos de ligação "bond-graph" é caracterizada completamente pela fonte de flexibilidade devido a elasticidade da transmissão mecânica e da compliância do acionamento com juntas robóticas flexíveis. Gera-se um modelo generalizado que contém as flexibilidades dos acionamentos, conectadas com a dinâmica de multi-corpos rígidos. Concluindo este estudo, um experimento foi montado, no qual inclui três graus de liberdade do manipulador robótico com acionamento por servomotores "brushless". Um microcomputador PC-AT compatível foi interfaceado com o CAMAC (IEEE-583) para executar as funções de excitação do sistema de digitalização de sinais transduzidos. Um programa de acionamento utiliza conversores programáveis A/D e D/A do padrão CAMAC foi aplicado no processamento digital dos sinais e estudos de identificação através do modelamento por séries temporais dos processos AR, MA e ARMA.

A utilização da programação "off-line" para robôs é reconhecidamente um procedimento útil em automação industrial, uma vez que possibilita o desenvolvimento de novos programas e a realização de testes de configurações no "workspace" do robô sem comprometimento do tempo de sua utilização, realizando-se conseqüentemente, tarefas de baixo custo, e tempo reduzido. A programação off-line necessita que haja a correspondência dos dados geométricos entre o modelo "off-line" obtido em CAD e o espaço de trabalho do manipulador real. Para que isso ocorra, é preciso fazer a calibração da interface robô-CAD, de maneira a garantir correspondência entre software (modelo CAD/programa off-line) e máquina (manipulador/espaço de trabalho). Atualmente esta calibração é feita de maneira "ad hoc", não sistematizada, acarretando uma carga de trabalho adicional para o operador. Como uma solução alternativa a esse problema, é proposto neste trabalho um procedimento para a calibração desta interface, de maneira a validar os resultados obtidos na programação "off-line", tornando o procedimento menos dependente da intervenção do operador. Este procedimento foi elaborado visando a sua utilização na programação "off-line" de robôs em nível de tarefa, cujo objetivo é aumentar o grau de "inteligência" dos robôs, principalmente em aplicações de montagem. Uma montagem experimental para validação dos resultados foi implementada utilizando o manipulador PUMA 560 da Unimation e o aplicativo CAD, AutoCAD. Os resultados obtidos mostraram que o procedimento proposto pode ser usado com sucesso em aplicações industriais.

Em aplicações de Aprendizagem por Reforço tais como a navegação de robôs autônomos, o uso de opções (macro-operadores) no lugar de ações de baixo nível tem sido considerado como um meio para produzir convergência mais rápida e uma exploração mais significativa do espaço de estados.Esta dissertação apresenta um estudo sobre a utilização de opções em Aprendizagem por Reforço com o objetivo de encontrar formas para acelerar o processo de aprendizagem. São abordados dois tipos de opções, opções OP e OS. Uma opção OP corresponde a uma política de ações que depende de todos os estados visitados durante a execução da opção, sendo que uma política de ações mapeia uma ação para cada estado do ambiente. O segundo tipo de opções, cuja proposta é uma das principais contribuições do trabalho, corresponde a uma seqüência fixa de ações, que depende exclusivamente do estado em que a opção foi disparada. O desempenho das opções OP e OS foi comparado através da realização de experimentos com o simulador do robô móvel Khepera usando-se o algoritmo de aprendizagem Q-Learning. Também foram realizados experimentos com as opções OP e uma adaptação do método de Campos Potenciais, no qual cada opção OP corresponde a um mapeamento de ações que podem aproximar o agente do seu alvo ou fazer com que o mesmo desvie de obstáculos. Para finalizar os estudos, algumas técnicas conhecidas na literatura que possibilitam melhoras na aprendizagem com opções OP, tais como o Término Melhorado e a utilização de Hierarquias foram aplicadas às opções OS. A primeira técnica possibilita que a execução de uma opção seja interrompida sempre que isto pareça ser melhor que ir até o final da mesma e a utilização de hierarquias permite uma categorização de comportamentos, fazendo a chamada de determinados comportamentos apenas quando estes forem necessários. Os resultados desta última fase experimental também são relatados na dissertação.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição baseado em visão computacional, que consiga se comunicar com um manipulador robótico e, por meio das medidas realizadas, possa orientar o robô manipulador de forma a posicionar um objeto de geometria qualquer em uma posição alvo. Para tanto foram utilizadas câmeras industriais e dois tipos de análise no mesmo sistema. A primeira se baseia em uma análise metrológica individual de cada câmera, tendo por base sua calibração e análise de alvos conhecidos, fixos aos objetos que se deseja posicionar, assim como a identificação de algumas características do objeto. A segunda análise se baseia no trabalho em conjunto de, pelo menos, duas câmeras, que geram uma análise, em visão estéreo, do ambiente de trabalha do manipulador robótico. Para verificação e testes dos procedimentos propostos foi utilizado um robô manipulador industrial antropomorfo de seis graus de liberdade, sistemas de metrologia externos, tais como Laser Radar e iGPS e chapas retas e curvas. Os resultados obtidos foram analisados e considerados como adequados para atender os requisitos de uma montagem de equipamentos de grande porte. Os resultados obtidos pela implementação aqui proposta mostram que um sistema de visão pode ter precisão e exatidão inferior a 1 mm para volumes entre 125 e 300 m. E que é possível usar a informação desse tipo de sistema para orientar e movimentar um manipulador robótico antropomórfico por meio de protocolos de uso industrial.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento dos algoritmos de controle de um robô móvel autônomo para coleta de lixo. O objetivo do robô é coletar latas de refrigerante espalhadas pelo chão. O sistema de navegação do robô foi implementado utilizando a arquitetura denominada \"Motor-Schema\". Essa arquitetura fornece um método para projetar comportamentos primitivos que atuam em forma paralela para realizar ações robóticas inteligentes em resposta aos estímulos do ambiente. O sistema de controle apresentado foi constituído por vários comportamentos primitivos que, coordenados, permitiram ao robô explorar de forma segura um ambiente desconhecido, detectar e coletar o lixo e levá-lo num depósito determinado. Os algoritmos desenvolvidos foram testados utilizando uma ferramenta de simulação 2D denominada Player/Stage. Os resultados obtidos mostraram que a solução apresentada é adequada para resolver a aplicação robótica de coleta de lixo. / This work presents the control system for an autonomous mobile robot for soda can collection. The navigation system is implemented using a reactive architecture called \"Motor-Schema\". This architecture provides a methodology to design primitive behaviors that can act in a distributed and parallel manner to yield intelligent robotic actions in response to environmental stimuli. The control system is composed of several primitive behaviors, which enable the robot explore an unknown environment, detect and collect the soda cans and navigate toward a soda can reservoir. The algorithms are tested using Player/Stage, a software for 2D simulation. The results show that the solution is suitable for soda can collection.

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 estuda o sistema de controle de um robô móvel, termo que designa veículos sem motorista humano e com capacidade de trafegar por rotas livremente escolhidas. As arquiteturas de controle utilizadas em robôs móveis são analisadas. A arquitetura adotada neste trabalho, de caráter funcional,é apresentada e discutida. O trabalho se concentra nos níveis mais simples de controle, relacionados ao controle de trajetória, cujo objetivo é garantir que o robô móvel percorra uma rota pré-definida. Um controlador de trajetória é proposto e projetado. O controlador resulta da aplicação da teoria de controle ótimo a um modelo de robô móvel em referencial fixo. Uma técnica recente de controle de robôs (técnica de atgs) é empregada para melhorar a robustez do controlador. O desempenho do controlador obtido com uso de atgs é comparado com o desempenho do controlador obtido inicialmente. Com o objetivo de validar esta proposta de controlador de trajetória, resultados fornecidos por simulações são discutidos. A análise do controlador foi respaldada com dados experimentais obtidos junto a um robô móvel, denominado Ariel, desenvolvido no laboratório de automação e sistemas (mecatrônica) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. / This work studies the Control System of a Mobile Robot, term which refers to vehicles without human driver and with ability to follow arbitrary routes. This work analyses the Control Architectures frequently employed in Mobile Robots. The Architecture here adopted is a functional one, which is presented and described. This work focuses on the simplest levels of Control, those which are mainly related to the Trajectory Control, and whose objective is to guarantee that the Mobile Robot follows a specified route. A Trajectory Controller is proposed and designed. The Controller is based on Optimal Control Theory. A recently developed technique for robot control (called ATGS techinique) is used in order to improve the Controller robustness. Simulation results are discussed in order to validate the proposed Controller. The Controller analysis is tested in a real Mobile Robot (named Ariel) currently developed at Laboratório de Automação e Sistemas (Mecatrônica) , at Escola Politécnica of Universidade de São Paulo.