Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:29Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7338_1.pdf: 3540135 bytes, checksum: c27c573ffb46a8f060e00669646a50fa (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2003 / Este trabalho considera robôs manipuladores que empregam motores de passo como força motriz em cada junta. Tendo como dado uma trajetória ideal, o primeiro problema é aproximar esta trajetória por uma outra que seja capaz de ser executada pelo robô. Assim, uma métrica deve ser definida para que a trajetória escolhida seja ótima. O segundo problema é associado à programação do robô. Neste sentido, tendo em vista a trajetória aproximada a ser percorrida, uma estratégia de movimento é escolhida e o programa é gerado. O terceiro problema é associado à simulação do robô de tal forma que todos os componentes eletrônicos ou não, envolvidos no movimento do robô devem ser considerados. Com tal complexidade é possível obter um nível de realismo bastante acentuado, que vai desde a trajetória exata até o movimento do robô. A saída desta simulação pode ser visual, de tal forma que se possa observar o nível de concordância entre a trajetória desejada (aproximada) e a trajetória simulada (considerada como a executada pelo robô). Exemplos teóricos são analisados e um exemplo prático de um braço com três barras e três motores é apresentado

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 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.

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 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.

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.

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.

O problema da tolerância a falhas em robôs manipuladores cooperativos conectados rigidamente a um objeto indeformável é estudado nesta tese. A tolerância a falhas é alcançada através de reconfiguração do sistema de controle. Primeiro, a falha é detectada e isolada. Então, o sistema de controle é reconfigurado de acordo com a falha isolada. As falhas em robôs manipuladores são primeiramente estudadas de acordo com suas consequências no sistema cooperativo. Quatro tipos de falhas são identificados: juntas com balanço livre (sem atuadores ativos), bloqueadas, com informação incorreta de posição e com informação incorreta de velocidade. A detecção e a isolação dos dois primeiros tipos de falhas são alcançadas através de um sistema utilizando redes neurais artificiais. Redes do tipo MLP são empregadas para mapear a dinâmica dos robôs cooperativos sem falhas e uma rede RBF é utilizada para a classificação do vetor de resíduos. As falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são detectadas e isoladas através do uso das restrições impostas pela cadeia cinemática fechada presente no sistema cooperativo. Quando falhas do tipo juntas com balanço livre ou bloqueadas são isoladas, as leis de controle são reconfiguradas. Para estes casos, controladores híbridos de movimento e esmagamento do objeto são deduzidos. Quando falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são isoladas, as medidas afetadas são substituídas por valores estimados. Resultados obtidos em simulações e em robôs cooperativos reais mostram que a metodologia proposta é viável. / The problem of fault tolerance in cooperative manipulators rigidly connected to an undeformable load is addressed in this work. Fault tolerance is reached by reconfiguration of the control system. The faults are firstly detected and isolated. Then, the control system is reconfigured according to the isolated fault. Four faults are considered: free-swinging joint faults, locked joint faults, incorrectly measured joint position faults, and incorrectly measured joint velocity faults. Free-swinging and locked joint faults are detected and isolated by artificial neural networks. MLP’s are utilized to reproduce the dynamics of the fault-free system and an RBF is used to classify the residual vector. Incorrectly measured joint position and velocity faults are detected and isolated based on the kinematic constraints imposed on the cooperative system. When free-swinging and locked joint faults are isolated, the control laws are reconfigured. Control laws for motion and squeeze of the object are developed in these cases. When incorrectly measured joint position faults and incorrectly measured joint velocity faults are isolated, the faulty measurements are replaced by their estimates. Results obtained in simulations and in real cooperative robots indicate that the proposed methodology is viable.

Este trabalho trata da implementação de uma técnica de controle robusto, Síntese-&#956 em um robô manipulador de três graus de liberdade com juntas passivas. A necessidade de um de controle robusto se deve ao fato de que em uma aplicação real o sistema está sujeito a mudanças nos seus parâmetros internos e a distúrbios externos (ruído dos sensores, etc). Aqui, uma metodologia de controle robusto que combina o método do torque computado e controladores robustos projetados via Síntese-&#956 é proposta e utilizada com êxito. O equacionamento matemático da distância do sistema é apresentado e a linearização é realizada pela realimentação de estados presentes no método. Uma abordagem dos conceitos teóricos presentes na teoria de Síntese-&#956 é feita e um procedimento de projeto é apresentado. Modelos nominais para diferentes configurações do robô são definidos e controladores robustos são projetados utilizando o método de iterações D-K. O teste e a validação dos controladores projetados são verificados em um ambiente de simulação e também no manipulador experimental UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), que é um robô manipulador (equipado com 3 juntas, atuadores e freios) projetado para o estudo de dinâmicas passivas. / This work deals with implementation of a robust control technique, &#956-Synthesis, in a mani- pulator robot with three degrees of freedom and passive joints. The necessity of a robust control is due to the fact that in a real application the system is subject to changes in its internal parameters and external disturbances (sensor noise, etc). Here, a robust control methodology that combines the computed torque method and robust controllers designed via &#956-Synthesis is proposal and used with success. The mathematical formulation of the system dynamics is presented and the linearization is accomplished by the state feedback included in the method. An overview of theoretical concepts presents in the &#956-Synthesis theory is made and a design procedure is presented. Nominal models for all robot\'s configurations are defined and robust controllers are designed using the D-K iterations method. The test and validation of the controllers are realized in a simulation environment and also in the experimental manipulator UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), that is a robot manipulator (equipped with 3 joints, actuators and brakes) projected for the study of passive dynamics.

O problema da tolerância a falhas em robôs manipuladores cooperativos conectados rigidamente a um objeto indeformável é estudado nesta tese. A tolerância a falhas é alcançada através de reconfiguração do sistema de controle. Primeiro, a falha é detectada e isolada. Então, o sistema de controle é reconfigurado de acordo com a falha isolada. As falhas em robôs manipuladores são primeiramente estudadas de acordo com suas consequências no sistema cooperativo. Quatro tipos de falhas são identificados: juntas com balanço livre (sem atuadores ativos), bloqueadas, com informação incorreta de posição e com informação incorreta de velocidade. A detecção e a isolação dos dois primeiros tipos de falhas são alcançadas através de um sistema utilizando redes neurais artificiais. Redes do tipo MLP são empregadas para mapear a dinâmica dos robôs cooperativos sem falhas e uma rede RBF é utilizada para a classificação do vetor de resíduos. As falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são detectadas e isoladas através do uso das restrições impostas pela cadeia cinemática fechada presente no sistema cooperativo. Quando falhas do tipo juntas com balanço livre ou bloqueadas são isoladas, as leis de controle são reconfiguradas. Para estes casos, controladores híbridos de movimento e esmagamento do objeto são deduzidos. Quando falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são isoladas, as medidas afetadas são substituídas por valores estimados. Resultados obtidos em simulações e em robôs cooperativos reais mostram que a metodologia proposta é viável. / The problem of fault tolerance in cooperative manipulators rigidly connected to an undeformable load is addressed in this work. Fault tolerance is reached by reconfiguration of the control system. The faults are firstly detected and isolated. Then, the control system is reconfigured according to the isolated fault. Four faults are considered: free-swinging joint faults, locked joint faults, incorrectly measured joint position faults, and incorrectly measured joint velocity faults. Free-swinging and locked joint faults are detected and isolated by artificial neural networks. MLP’s are utilized to reproduce the dynamics of the fault-free system and an RBF is used to classify the residual vector. Incorrectly measured joint position and velocity faults are detected and isolated based on the kinematic constraints imposed on the cooperative system. When free-swinging and locked joint faults are isolated, the control laws are reconfigured. Control laws for motion and squeeze of the object are developed in these cases. When incorrectly measured joint position faults and incorrectly measured joint velocity faults are isolated, the faulty measurements are replaced by their estimates. Results obtained in simulations and in real cooperative robots indicate that the proposed methodology is viable.