Uma Sistematização da modelagem e programação cinemática de sistemas robóticos cooperativos para a realização de tarefas

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011A utilização de robôs na indústria vem aumentado devido as exigências como qualidade do produto, custo, agilidade de produção, entre outros, provocado pela competitividade entre as empresa. As indústrias têm investido em robôs buscando satisfazer tais exigências e seu chão de fábrica é composto por inúmeros robôs, e dependendo da aplicação é interessante fazer com que esses robôs realizem tarefas de forma cooperativa. Um Sistema Robótico Cooperativo (SRC) é um sistema composto por vários robôs que auxiliam ou colaboram na realização de uma ou mais tarefas simultaneamente. A programação desses robôs para atuarem de forma cooperativa na realização de tarefas é complexa, pois existe uma relação de dependência entre eles. Neste trabalho é criada uma sistemática para a modelagem e programação cinemática de SRC. A sistemática é generalizada para trabalhar com um número arbitrário de robôs, sendo independente do número e tipo de juntas e focada na especificação das várias tarefas. Para implementar a sistemática foram definidos três ambientes para a programação robótica de SRC: a estrutura robótica, o ambiente da tarefa e a cinemática diferencial. Esses ambientes estabelecem os modelos dos objetos envolvidos: robôs e tarefas. Uma formalização matemática é apresentada demonstrando que o crescimento do SRC é estruturado, conforme são adicionados novos robôs ao sistema. Esta formalização matemática permite introduzir no SRC as características adicionais como o controle do erro de integração, evitamento de colisão e deslocamentos relativos das bases dos robôs com o sistema de coordenadas fixo. Por fim, são apresentados os casos de estudos analisando a sistemática desenvolvida para SRCs. Em um dos casos é destacada a programação de um SRC composto pelos robôs XR-4 e Scara da fabricante Rhino, nesse sistema são realizadas três abordagens diferentes para a execução da tarefa e os resultados das simulações são implementados nos robôs. Em um outro caso é apresentado o sistema composto por quatro robôs e especificadas as tarefas. A partir desse cenário são feitas alterações nos parâmetros e analisado o impacto que elas provocam no desempenho do sistema. Para mostrar a flexibilidade da sistemática da modelagem, é também realizada uma nova simulação em que um dos robôs tem a base móvel

Full-State and Output Feedback Control of Uncertain Nonlinear Nonstandard Multiple-Time-Scale Systems

Nonlinear systems with dynamics evolving in distinct slow and fast time-scales are common in science and engineering. Geometric singular perturbation theory is a powerful tool for controller design for such systems over multiple-time-scales. Aerospace vehicles such as aircraft and spacecraft are examples of nonstandard multiple-time-scale systems, for which the control synthesis is more challenging than for standard systems. Most control methods for nonstandard systems assume deterministic model and full-state feedback. This dissertation extends the current capabilities of multiple-time-scale control for nonstandard systems by developing novel theories of control design for uncertain systems and using output feedback. Both of slow state tracking and simultaneous slow and fast state tracking for nonstandard systems are considered as control objectives. Using the time-scales of the slow states, slow actuators, fast states and fast actuators, the control laws developed over four-time-scales can account for multiplicative and additive uncertainties. The controller uses estimates of the unknown parameters and the unmeasured states, and ensures Lyapunov-stability of the lower-order reduced subsystems. The estimates are updated by an online parameter estimator and a nonlinear state observer respectively. They are designed using the composite Lyapunov analysis. This analysis also proves the boundedness of errors and establishes bounds of time-scale separation to accomplish the same. The theory is applied to perform attitude tracking for a generic spacecraft with uncertain inertias, and large-amplitude combined longitudinal and lateral/directional maneuvers of a nonlinear six-degree-of-freedom aircraft with uncertain inertias, control derivatives and engine time-constant