Este trabalho propõe um Ambiente de Programação de Robôs Móveis direcionado especialmente à língua portuguesa, que consiste em um novo ambiente de programação gráfica e textual, capaz de atender a perfis diferenciados de usuários. O ambiente de programação contém três módulos para programação de robôs móveis: o modulo C ou editor C, o módulo Assembly ou editor Assembly, e o módulo blocos que é um módulo que contêm blocos de programação para auxiliar os programadores inexperientes a programarem robôs móveis por meio de uma meta linguagem desenvolvida que encapsula a linguagem C. O diferencial deste trabalho consiste na Gramática adaptativa criada para robôs móveis, que é uma derivação das gramáticas descendentes recursivas com um mecanismo de busca (\"look ahead\"). A derivação encontra-se na definição formal de gramática que foi adaptada nessa proposta para permitir a categorização de terminais da gramática, adicionando um passo a mais na compilação, que é a checagem de categorias permitidas da linguagem. Nesta dissertação são relacionados alguns ambientes de programação de robôs disponíveis na literatura bem como uma discussão de suas características. Também são apresentados experimentos realizados com usuários não especializados em programação, principalmente crianças, e com o Laboratório de Robótica a Distância da Universidade de São Paulo em São Carlos, São Paulo / This work proposes a Mobile Robot Programming Environment focused in the Portuguese language, which is able to attend different user categories and where the user can work textually and graphically. The programming environment contains three different modules: the C module, or C editor; the Assembly module, or Assembly editor; and the block module, which contains programming blocks that can help novice programmers to develop software for mobile robots using a meta-language that encapsulates the C language. The major contribution of this work consists of the proposition of a novel adaptive grammar, specially developed to mobile robots, which is a derivation of recursive descendent grammars, containing a look ahead module. The derivation is found in the formal definition of the grammar, adapted to allow the specification of grammar terminals, adding one more compilation step, which is the check of language permitted categories. The document presents some robot programming environments found in literature and discusses their characteristics. The results show experiments performed with non-specialized users, mostly children, and with the Remote Robotics Laboratory of the University of São Paulo, in São Carlos, São Paulo state, Brazil

É apresentada uma aproximação para controle simultâneo de força e posição para garras antropomórficas, a fim de se obter uma manipulação segura de objetos e ferramentas. Para que a aproximação seja satisfatória, deve-se levar em consideração a variação da força e da posição no tempo, a geometria da garra, as características de rigidez, a geometria do objeto, as possibilidades e tipos de contato. A análise cinestática do sistema garra-objeto, é feita com o auxílio da Teoria Helicoidal. Esta teoria permite análises e representações de problemas complexos do espaço dimensional igual a seis, no espaço Euclidiano tridimensional. Isso é possível pois esta teoria foi desenvolvida utilizando as coordenadas de Plücker, que descrevem uma reta com seis informações. Essa abordagem traz vantagens quando comparada a métodos tradicionais e torna possível a obtenção de um controlador que considera a influência de cada dedo no processo da pega. No caso de robôs trabalhando de forma cooperativa, e no sistema de pega e manipulação de objetos, a mesma abordagem pode ser utilizada. / This work presents a simultaneous force and position control approach - a kinestatic controller -, applied to the manipulation of objects and tools using an anthropomorphic gripper. To approximate in a efficient way, the functions accomplished by a human hand, the controller should be conceived taking into consideration: the time-variable information of space and forces, the gripper geometry, the gripper elastic characteristics, the object geometry and the intermittent contacts possibilities. To take the gripper and object characteristics into consideration the screw theory was employed. The screw theory allows the analysis in the three-dimensional Euclidean space of six-dimensional complex problems. This is possible since the theory was based on Plücker coordinates, which are used to describe lines in space using six inputs. This theory provides severaI advantages when compared to anothers traditional methods. Using this theory it is possible to construct a controller that takes in account the fingers or robots (when it works cooperatively) influences in the grasping and manipulating processes.

Este trabalho apresenta uma metodologia de controle de posição das juntas passivas de um manipulador subatuado de uma maneira subótima. O termo subatuado se refere ao fato de que nem todas as juntas ou graus de liberdade do sistema serem equipados com atuadores, o que ocorre na prática devido a falhas ou como resultado de projeto. As juntas passivas de manipuladores desse tipo são indiretamente controladas pelo movimento das juntas ativas usando as características de acoplamento da dinâmica de manipuladores. A utilização de redundância de atuação das juntas ativas permite a minimização de alguns critérios, como consumo de energia, por exemplo. Apesar da estrutura cinemática de manipuladores subatuados ser idêntica a do totalmente atuado, em geral suas características dinâmicas diferem devido a presença de juntas passivas. Assim, apresentamos a modelagem dinâmica de um manipulador subatuado e o conceito de índice de acoplamento. Este índice é utilizado na seqüência de controle ótimo do manipulador. A hipótese de que o número de juntas ativas seja maior que o número de passivas permite o controle ótimo das juntas passivas, uma vez que na etapa de controle destas há mais entradas (torques nos atuadores das juntas ativas), que elementos a controlar (posição das juntas passivas). Neste ponto reside a contribuição desta tese ao estado da arte, uma vez que não há até o momento publicação que proponha o controle ótimo das juntas passivas neste caso. / This work presents a control methodologie for the position of the passive joints of an underactuated manipulator in a suboptimal way. The term underactuated refers to the fact that not all the joints or degrees of freedom of the system are equipped with actuators, which occurs in practice due to failures or as design result. The passive joints of manipulators like this are indirectly controlled by the motion of the active joints using the dynamic coupling characteristics. The utilization of actuation redundancy of the active joints allows the minimization of some criteria, like energy consumption, for example. Although the kinematic structure of an underactuated manipulator is identical to that of a similar fully actuated one, in general their dynamic characteristics are different due to the presence of passive joints. Thus, we present the dynamic modelling of an underactuated manipulator and the concept of coulpling index. This index is used in the sequence of the optimal conirol of the manipulator. The hipotheses that the number of active joints is greatter than the number of passives (na>np) allows the optimal control of the passive joints, since there are more inputs (torques at the actuators of the active joints), than elements to be controlled (position of the passive joints). At this point resides the contribution of this dissertation to the state of the art, once there is no publication that proposes the optimal control of the passive joints in this case.

Neste trabalho apresentamos uma nova classe de robos bipedes com pernas articuladas e um corpo central. O projeto de robo proposto faz uso de contrapesos em cada um de seus links, e apresenta propriedades que simplificam excepcionalmente as equações dinâmicas que regem seu movimento. Prova- mos que o sistema encontrado, sob certas hipóteses, é linearizavel por meio de uma realimentaçao não-linear de seus estados. Resolvemos o problema de otimização do tempo de percurso de uma trajetória predefinida para este robo, admitindo-se limitações em seus atuadores. Projetamos um sistema de controle inspirado no conceito de \"flatness\" a fim de rastrear esta política ótima de percurso da trajetória. Testamos a robustez deste sistema em simulações de alguns exemplos numéricos. / In this thesis we present a new class of biped robots with articulate legs and a torso. The proposed design is constructed by means of applying counter- balances to each link of the leg, and therefore it has some properties that simplifies dramatically the dynamics of the robot. We prove that the result- ing system, under certain assumptions, is exact linearizable by a nonlinear feedback. We describe the solution to the time-optimal tracking problem of a predefined trajectory for this robot, assuming that its actuators have torque limits. We designed a control system inspired on the concept of °flatness\"in order to track this reference optimal trajectory. We evaluated the robustness of such system during the simulations of some numerical examples.

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.

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.

É apresentada uma aproximação para controle simultâneo de força e posição para garras antropomórficas, a fim de se obter uma manipulação segura de objetos e ferramentas. Para que a aproximação seja satisfatória, deve-se levar em consideração a variação da força e da posição no tempo, a geometria da garra, as características de rigidez, a geometria do objeto, as possibilidades e tipos de contato. A análise cinestática do sistema garra-objeto, é feita com o auxílio da Teoria Helicoidal. Esta teoria permite análises e representações de problemas complexos do espaço dimensional igual a seis, no espaço Euclidiano tridimensional. Isso é possível pois esta teoria foi desenvolvida utilizando as coordenadas de Plücker, que descrevem uma reta com seis informações. Essa abordagem traz vantagens quando comparada a métodos tradicionais e torna possível a obtenção de um controlador que considera a influência de cada dedo no processo da pega. No caso de robôs trabalhando de forma cooperativa, e no sistema de pega e manipulação de objetos, a mesma abordagem pode ser utilizada. / This work presents a simultaneous force and position control approach - a kinestatic controller -, applied to the manipulation of objects and tools using an anthropomorphic gripper. To approximate in a efficient way, the functions accomplished by a human hand, the controller should be conceived taking into consideration: the time-variable information of space and forces, the gripper geometry, the gripper elastic characteristics, the object geometry and the intermittent contacts possibilities. To take the gripper and object characteristics into consideration the screw theory was employed. The screw theory allows the analysis in the three-dimensional Euclidean space of six-dimensional complex problems. This is possible since the theory was based on Plücker coordinates, which are used to describe lines in space using six inputs. This theory provides severaI advantages when compared to anothers traditional methods. Using this theory it is possible to construct a controller that takes in account the fingers or robots (when it works cooperatively) influences in the grasping and manipulating processes.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário da FEI, São Bernardo do Campo, 2014

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2017.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2018