Orientador: Pablo Siqueira Meirelles / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-31T18:38:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alvarez-Jacobo_JustoEmilio_M.pdf: 7357916 bytes, checksum: 36471c499450bbadf2fb1a62630efad2 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Este trabalho apresenta o projeto, implementação e construção do robô autônomo móvel RAM-I, o qual tem autonomia energética e de controle. A locomoção é feita através de motores de passo, controlados pelo módulo Controlador dos Motores, baseados no microcontrolador PIC 16F84. O módulo Principal recebe os sinais dos sensores externos e os processa conforme a estratégia de controle implementada. Esta é baseada na Arquitetura Subsumption, tomando as decisões que serão enviadas pela interface para o módulo Controlador dos Motores, sem necessidade de intervenção externa. A alimentação é feita por meio de baterias embarcadas. Será apresentado o projeto do Sistema, descrição das partes, implementação da estratégia de controle, modelagem do robô e por ultimo os resultados experimentais obtidos com o protótipo construído em laboratório / Abstract: This work presents the design, implementation and construction of a mobile autonomous robot RAM-I, which has autonomous energy supply and control. The locomotion is done through stepper motors, controlled by the module Controller of the Motors based on microcontroller PIC16F84. The Main module, also based in the PIC, receives the inputs signals from external sensors and processes according with the control strategy implemented, based on the Architecture of Subsumption, taking decisions that will be sent to the interface for the Motor Controller, without the necessity of external intervention. The power will be supplied by internal batteries. It will be presented the design of the system, description of the parts, implementation of the control strategy and modeling, as well as the experimental results obtained with the prototype constructed in the laboratory / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

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

Orientador: Marcos Silveira / Coorientador: Mauricio Becerra Vargas / Banca: Douglas Domingues Bueno / Banca: Fabricio Cesar Lobato de Almeida / Resumo: Robôs paralelos ou robôs de cadeia cinemática fechada vêm ganhando destaque no cenário industrial e acadêmico, principalmente diante da necessidade de robôs com altas acelerações e velocidades, alta relação capacidade de carga/peso e alta rigidez e precisão, motivo pelo qual são usados em simuladores de voo e robôs pick-and-place. Muitos trabalhos foram publicados tratando sobre o controle de posição de robôs paralelos, porém muitos mantiveram-se restritos ao estudo teórico, sem considerar algumas limitações na aplicação prática. Neste contexto, esta dissertação apresenta o projeto e a implementação prática de um controlador PD (Proporcional-Derivativo) independente para cada junta de um robô paralelo de seis graus de liberdade do tipo 6-UPUR (universal-prismáticauniversal- rotational) acionado por atuadores lineares eletromecânicos. Inicialmente foi realizada a calibração e o acondicionamento do sinal dos sensores de realimentação, do driver e dos atuadores eletromecânicos. Posteriormente, modelos matemáticos do comportamento dinâmico dos atuadores lineares foram identificados e, finalmente, considerando critérios de desempenho específicos para simuladores de voo, foram projetados os controladores para cada atuador. O desempenho de cada controlador foi avaliado por meio de sinais de entrada em degrau, rampa e parábola em coordenadas cartesianas e, por meio da cinemática inversa, foram calculadas as entradas desejadas para cada atuador. O desempenho do robô na frequência foi ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Parallel robots or closed kinematic chain robots has gained more attention from both in industry and in academic research, especially in view of the need for robot whith high velocities and accelerations, high payload-weight ratio, high stiffness and accuracy. That is why they are used in flight simulators and robots pick-and-place. Many studies have been published addressing the problem of motion control of parallel robots, but many are limited to the theoretical study, without considering some limitations in practical application. In this context, this dissertation presents the design and practical imple- mentation of independent-joint PD (Proportional-Derivative) controller for a 6-UPRU (universal-prismatic-universal-rotational) degree-of-freedom parallel manipulator driven by electromechanical linear actuators. First, the feedback sensors, drive and electrome- chanical actuators are calibrated, and their signals are processed. Later, mathematical models of the dynamical behaviour of the linear actuators are identified. Then, conside- ring specific performance criteria for flight simulators, the controller for each actuator is designed. The performance of each controller was evaluated for step, ramp and parabolic inputs in cartesian coordinates, then the cartesian trajectory is converted to desired actu- ator trajectory by using inverse kinematics. The perfomance of the robot was evaluated in frequency domain using sinousoidal inputs in cartesian coordinates, describing fu... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Energetic limitations in low scale Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) sometimes turns outdoor field applications impractical, which restricts the realization of several tasks that could potentially be improved or benefited from its sounding characteristics. Depending on the mission, Mini Aerial Vehicles (MAVs) energetic resources may be mostly wasted during the round trip from launching base and target point around which a given mission must be accomplished. In this sense, the initial deployment problem becomes prominent, raising new opportunities on how aerial robots may be launched/deployed. This work presents a novel perspective in morphological adaptations for aerial robotics that may potentially minimize initial deployment problem issues. From that perspective, we present three novel morphologies. First refers to a hybrid fixed-wing/quadrotor aiming in-flight launching possibilities. Still looking at in-flight launching, second MAV regards to a new morphology for a quadrotor whose center of gravity is shifted in order to improve passive static stability. Third one relates to a hybrid MAV that combines a watercraft and a quadrotor. The aircraft may navigate on water with low energetic cost through a specially designed structure. It also presents static stability in air and over the ground. We present all details concerning new concepts, development, analysis, design and flight simulation for all three novel platforms. A concise and robust validation of stability control is firstly performed with the ©VICON vision system. Finally, on-the-field evaluation for all three morphologies are extensively carried out, presenting optimistic experimental results of our findings. / As limitações energéticas em robótica aérea de campo muitas vezes levam à sua não utilização em tarefas que poderiam se beneficiar substancialmente de suas inúmeras vantagens. Dependendo da complexidade da missão, os recursos energéticos podem ser despendidos prematuramente ainda durante o traslado ao ponto de interesse. Nesse contexto, se evidencia o problema do lançamento inicial de robôs, o que faz surgir novas possibilidades para o desenvolvimento de novas maneiras de lançá-los. Este trabalho propõe uma nova perspectiva para adaptações morfológicas para robótica aérea as quais podem significativamente minimizar os efeitos das limitações energéticas. Sob essa ótica, são propostas três novas morfologias. A primeira consiste de um robô aéreo híbrido asa fixa/quadrotor visando a possibilidade do lançamento em voo. A segunda consiste de uma aeronave de asa rotativa na configuração quadrotora morfologicamente adaptada para reposicionamento do seu centro de gravidade. O aumento da estabilidade estática passiva da aeronave também visa o seu lançamento durante o voo. A terceira se refere a um veículo aéreo híbrido que combina uma estrutura naval e um quadrotor, capaz de navegar em cenários aquáticos com baixo custo energético. O desenho mecânico resultante permite sua operação no ponto ótimo tanto para a navegação aérea quanto aquática, oferecendo estabilidade estática em todos os cenários (terra, ar e água). São apresentados todos os detalhes de conceito, concepção, análise, projeto e simulação em voo das três novas plataformas. Uma validação robusta dos sistemas de controle e estabilidade é realizada por sistema de visão ©VICON. Por fim, ensaios em campo são realizados, apresentando resultados experimentais otimistas para a aplicação das três novas morfologias.

Os robôs móveis e de serviço vêm assumindo um papel cada vez mais amplo e importante junto à sociedade moderna. Um tipo importante de robô móvel autônomo são os robôs voltados para a vigilância e segurança em ambientes internos (indoor). Estes robôs móveis de vigilância permitem a execução de tarefas repetitivas de monitoramento de ambientes, as quais podem inclusive apresentar riscos à integridade física das pessoas, podendo assim ser executadas de modo autônomo e seguro pelo robô. Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento dos principais módulos que compõem a arquitetura de um sistema robótico de vigilância, que incluem notadamente: (i) a aplicação de sensores com percepção 3D (Kinect) e térmica (Câmera FLIR), de relativo baixo custo, junto a este sistema robótico; (ii) a detecção de intrusos (pessoas) através do uso conjunto dos sensores 3D e térmico; (iii) a navegação de robôs móveis autônomos com detecção e desvio de obstáculos, para a execução de tarefas de monitoramento e vigilância de ambientes internos; (iv) a identificação e reconhecimento de elementos do ambiente que permitem ao robô realizar uma navegação baseada em mapas topológicos. Foram utilizados métodos de visão computacional, processamento de imagens e inteligência computacional para a realização das tarefas de vigilância. O sensor de distância Kinect foi utilizado na percepção do sistema robótico, permitindo a navegação, desvio de obstáculos, e a identificação da posição do robô em relação a um mapa topológico utilizado. Para a tarefa de detecção de pessoas no ambiente foram utilizados os sensores Kinect e câmera térmica FLIR, integrando os dados fornecidos por ambos sensores, e assim, permitindo obter uma melhor percepção do ambiente e também permitindo uma maior confiabilidade na detecção de pessoas. Como principal resultado deste trabalho foi desenvolvido um iii sistema, capaz de navegar com o uso de um mapa topológico global, capaz de se deslocar em um ambiente interno evitando colisões, e capaz de detectar a presença de seres humanos (intrusos) no ambiente. O sistema proposto foi testado em situações reais com o uso de um robô móvel Pioneer P3AT equipado com os sensores Kinect e com uma Câmera FLIR, realizando as tarefas de navegação definidas com sucesso. Outras funcionalidades foram implementadas, como o acompanhamento da pessoa (follow me) e o reconhecimento de comandos gestuais, onde a integração destes módulos com o sistema desenvolvido constituem-se de trabalhos futuros propostos / Mobile robots and service robots are increasing their applications and importance in our modern society. An important type of autonomous mobile robot application is indoor monitoring and surveillance tasks. The adoption of mobile robots for indoor surveillance tasks allows the execution of repetitive environment patrolling, which may even pose risks to the physical integrity of persons. Thus these activities can be autonomously and safely performed by security robots. This work aimed at the development of key modules and components that integrates the general architecture of a surveillance robotic system, including: (i) the development and application of a 3D perception sensor (Kinect) and a thermal sensor (FLIR camera), representing a relatively low-cost solution for mobile robot platforms; (ii) the intruder detection (people) in the environment, through the joint use of 3D and thermal sensors; (iii) the autonomous navigation of mobile robots within obstacle detection and avoidance, performing the monitoring and surveillance tasks of indoor environments; (iv) the identification and recognition of environmental features that allow the robot to perform a navigation based on topological maps. We used methods from Computer Vision, Image Processing and Computational Intelligence to carry out the implementation of the mobile robot surveillance modules. The proximity and distance measurement sensor adopted in the robotic perception system was the Kinect, allowing navigation, obstacle avoidance, and identifying key positions of the robot with respect to a topological map. For the intruder detection task we used a Kinect sensor together with a FLIR thermal camera, integrating the data obtained from both sensors, and thus allowing a better understanding of the environment, and also allowing a greater reliability in people detection. As a main result of this work, it has been v developed a system capable of navigating using a global topological map, capable of moving itself autonomously into an indoor environment avoiding collisions, and capable of detect the presence of humans (intruders) into the environment. The proposed system has been tested in real situations with the use of a Pioneer P3AT mobile robot equipped with Kinect and FLIR camera sensors, performing successfully the defined navigation tasks. Other features have also been implemented, such as following a person and recognizing gestures, proposed as future works to be integrated into the developed system

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

Esta tese trata da aplicação de múltiplas redes neurais em sistemas mecatrônicos. É mostrado que as múltiplas redes neurais devem ser treinadas em seqüência, tal que aprendizado acumulativo possa ser obtido sem a necessidade de um coordenador geral. Este método de treinamento pode manter o aprendizado já adquirido pelas redes neurais, que foram treinadas primeiramente, enquanto novo aprendizado pode ser obtido pelas redes neurais, que foram adicionadas e treinadas posteriormente. A saída de todas as redes é simplesmente somada para produzir a saída da estrutura neural. A estrutura proposta de múltiplas redes neurais é aplicada em dois tipos de sistemas mecatrônicos: a) para controlar a posição de um sistema com uma haste flexível e b) para criar uma matriz de representação comprimida, que é usada no planejamento de trajetórias de um robô móvel considerando o desvio de obstáculos dinâmicos. Para o sistema com uma haste flexível, o uso de múltiplas redes neurais em três tipos de estruturas de controle do tipo Feedback-Error-Learning é investigado: IDML (Inverse Dynamic Model Learning), NRL (Nonlinear Regulator Learning) e Referência Atrasada. Para o problema de planejamento de trajetórias de um robô móvel, primeiramente a técnica Reinforcement Learning é usada para adquirir o aprendizado necessário na decisão de como desviar de obstáculos dinâmicos. Este aprendizado é codificado em uma matriz. Então as múltiplas redes neurais são usadas para criar uma representação mais comprimida desse aprendizado com uma pequena degradação da resolução.

Os robôs móveis e de serviço vêm assumindo um papel cada vez mais amplo e importante junto à sociedade moderna. Um tipo importante de robô móvel autônomo são os robôs voltados para a vigilância e segurança em ambientes internos (indoor). Estes robôs móveis de vigilância permitem a execução de tarefas repetitivas de monitoramento de ambientes, as quais podem inclusive apresentar riscos à integridade física das pessoas, podendo assim ser executadas de modo autônomo e seguro pelo robô. Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento dos principais módulos que compõem a arquitetura de um sistema robótico de vigilância, que incluem notadamente: (i) a aplicação de sensores com percepção 3D (Kinect) e térmica (Câmera FLIR), de relativo baixo custo, junto a este sistema robótico; (ii) a detecção de intrusos (pessoas) através do uso conjunto dos sensores 3D e térmico; (iii) a navegação de robôs móveis autônomos com detecção e desvio de obstáculos, para a execução de tarefas de monitoramento e vigilância de ambientes internos; (iv) a identificação e reconhecimento de elementos do ambiente que permitem ao robô realizar uma navegação baseada em mapas topológicos. Foram utilizados métodos de visão computacional, processamento de imagens e inteligência computacional para a realização das tarefas de vigilância. O sensor de distância Kinect foi utilizado na percepção do sistema robótico, permitindo a navegação, desvio de obstáculos, e a identificação da posição do robô em relação a um mapa topológico utilizado. Para a tarefa de detecção de pessoas no ambiente foram utilizados os sensores Kinect e câmera térmica FLIR, integrando os dados fornecidos por ambos sensores, e assim, permitindo obter uma melhor percepção do ambiente e também permitindo uma maior confiabilidade na detecção de pessoas. Como principal resultado deste trabalho foi desenvolvido um iii sistema, capaz de navegar com o uso de um mapa topológico global, capaz de se deslocar em um ambiente interno evitando colisões, e capaz de detectar a presença de seres humanos (intrusos) no ambiente. O sistema proposto foi testado em situações reais com o uso de um robô móvel Pioneer P3AT equipado com os sensores Kinect e com uma Câmera FLIR, realizando as tarefas de navegação definidas com sucesso. Outras funcionalidades foram implementadas, como o acompanhamento da pessoa (follow me) e o reconhecimento de comandos gestuais, onde a integração destes módulos com o sistema desenvolvido constituem-se de trabalhos futuros propostos / Mobile robots and service robots are increasing their applications and importance in our modern society. An important type of autonomous mobile robot application is indoor monitoring and surveillance tasks. The adoption of mobile robots for indoor surveillance tasks allows the execution of repetitive environment patrolling, which may even pose risks to the physical integrity of persons. Thus these activities can be autonomously and safely performed by security robots. This work aimed at the development of key modules and components that integrates the general architecture of a surveillance robotic system, including: (i) the development and application of a 3D perception sensor (Kinect) and a thermal sensor (FLIR camera), representing a relatively low-cost solution for mobile robot platforms; (ii) the intruder detection (people) in the environment, through the joint use of 3D and thermal sensors; (iii) the autonomous navigation of mobile robots within obstacle detection and avoidance, performing the monitoring and surveillance tasks of indoor environments; (iv) the identification and recognition of environmental features that allow the robot to perform a navigation based on topological maps. We used methods from Computer Vision, Image Processing and Computational Intelligence to carry out the implementation of the mobile robot surveillance modules. The proximity and distance measurement sensor adopted in the robotic perception system was the Kinect, allowing navigation, obstacle avoidance, and identifying key positions of the robot with respect to a topological map. For the intruder detection task we used a Kinect sensor together with a FLIR thermal camera, integrating the data obtained from both sensors, and thus allowing a better understanding of the environment, and also allowing a greater reliability in people detection. As a main result of this work, it has been v developed a system capable of navigating using a global topological map, capable of moving itself autonomously into an indoor environment avoiding collisions, and capable of detect the presence of humans (intruders) into the environment. The proposed system has been tested in real situations with the use of a Pioneer P3AT mobile robot equipped with Kinect and FLIR camera sensors, performing successfully the defined navigation tasks. Other features have also been implemented, such as following a person and recognizing gestures, proposed as future works to be integrated into the developed system

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

Energetic limitations in low scale Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) sometimes turns outdoor field applications impractical, which restricts the realization of several tasks that could potentially be improved or benefited from its sounding characteristics. Depending on the mission, Mini Aerial Vehicles (MAVs) energetic resources may be mostly wasted during the round trip from launching base and target point around which a given mission must be accomplished. In this sense, the initial deployment problem becomes prominent, raising new opportunities on how aerial robots may be launched/deployed. This work presents a novel perspective in morphological adaptations for aerial robotics that may potentially minimize initial deployment problem issues. From that perspective, we present three novel morphologies. First refers to a hybrid fixed-wing/quadrotor aiming in-flight launching possibilities. Still looking at in-flight launching, second MAV regards to a new morphology for a quadrotor whose center of gravity is shifted in order to improve passive static stability. Third one relates to a hybrid MAV that combines a watercraft and a quadrotor. The aircraft may navigate on water with low energetic cost through a specially designed structure. It also presents static stability in air and over the ground. We present all details concerning new concepts, development, analysis, design and flight simulation for all three novel platforms. A concise and robust validation of stability control is firstly performed with the ©VICON vision system. Finally, on-the-field evaluation for all three morphologies are extensively carried out, presenting optimistic experimental results of our findings. / As limitações energéticas em robótica aérea de campo muitas vezes levam à sua não utilização em tarefas que poderiam se beneficiar substancialmente de suas inúmeras vantagens. Dependendo da complexidade da missão, os recursos energéticos podem ser despendidos prematuramente ainda durante o traslado ao ponto de interesse. Nesse contexto, se evidencia o problema do lançamento inicial de robôs, o que faz surgir novas possibilidades para o desenvolvimento de novas maneiras de lançá-los. Este trabalho propõe uma nova perspectiva para adaptações morfológicas para robótica aérea as quais podem significativamente minimizar os efeitos das limitações energéticas. Sob essa ótica, são propostas três novas morfologias. A primeira consiste de um robô aéreo híbrido asa fixa/quadrotor visando a possibilidade do lançamento em voo. A segunda consiste de uma aeronave de asa rotativa na configuração quadrotora morfologicamente adaptada para reposicionamento do seu centro de gravidade. O aumento da estabilidade estática passiva da aeronave também visa o seu lançamento durante o voo. A terceira se refere a um veículo aéreo híbrido que combina uma estrutura naval e um quadrotor, capaz de navegar em cenários aquáticos com baixo custo energético. O desenho mecânico resultante permite sua operação no ponto ótimo tanto para a navegação aérea quanto aquática, oferecendo estabilidade estática em todos os cenários (terra, ar e água). São apresentados todos os detalhes de conceito, concepção, análise, projeto e simulação em voo das três novas plataformas. Uma validação robusta dos sistemas de controle e estabilidade é realizada por sistema de visão ©VICON. Por fim, ensaios em campo são realizados, apresentando resultados experimentais otimistas para a aplicação das três novas morfologias.