https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/175899 Mon, 19 Oct 2026 23:47:32 GMT 2026-10-19T23:47:32Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276894 Development, integration, and comparative evaluation of mixed reality and conventional robotic teleoperation systems: an integrated framework for performance, workload, usability, and user experience Hernandez, Matheus Nicolás Esta dissertação apresenta o desenvolvimento, a integração e a avaliação comparativa de dois sistemas de teleoperação robótica aplicados ao controle de um manipulador industrial FANUC LR Mate 200iD/7L: um sistema convencional baseado na interface 2D do MoveIt/RViz e um sistema imersivo desenvolvido em Realidade Mista (MR) utilizando Unity, Meta Quest 3 e ROS. A motivação para este estudo está associada à necessidade de reduzir a exposição humana a tarefas de alto risco por meio da teleoperação robótica, buscando abordagens que proporcionem maior segurança, eficiência e percepção espacial durante a teleoperação. Embora a literatura apresente avanços recentes em teleoperação imersiva, ainda existe uma lacuna em estudos experimentais que avaliem comparativamente o desempenho operacional, a usabilidade, a carga cognitiva e a experiência do usuário entre abordagens de MR e métodos convencionais de maneira integrada. Os sistemas desenvolvidos foram avaliados experimentalmente por meio de uma tarefa de telemanipulação utilizando métricas quantitativas de desempenho e instrumentos de avaliação qualitativa. Os resultados indicaram que a interface imersiva apresentou vantagens relacionadas à velocidade de execução e à experiência subjetiva dos participantes, especialmente em relação aos aspectos hedônicos e experienciais da interação, embora também tenham sido identificadas limitações relacionadas à precisão em manipulações finas. Como contribuição, esta dissertação propõe uma abordagem integrada de avaliação comparativa aplicada à análise de interfaces imersivas e convencionais de teleoperação robótica.; Abstract: This dissertation presents the development, integration, and comparative evaluation of two robotic teleoperation systems applied to the control of a FANUC LR Mate 200iD/7L industrial manipulator: a conventional system based on the 2D MoveIt/RViz interface and an immersive system built in Mixed Reality (MR) using Unity, Meta Quest 3, and ROS. The motivation for this study is associated with the need to reduce human ex posure to high-risk tasks through robotic teleoperation, seeking approaches that pro vide greater safety, efficiency, and spatial perception during teleoperation. Although the literature presents recent advances in immersive teleoperation, there is still a gap in experimental studies that comparatively evaluate operational performance, usabil ity, cognitive workload, and user experience between MR approaches and conven tional methods in an integrated manner. The developed systems were experimentally evaluated through a telemanipulation task using quantitative performance metrics and qualitative assessment instruments. The results indicated that the immersive interface presented advantages related to execution speed and participants? subjective experi ence, especially regarding hedonic and experiential aspects of the interaction, although limitations related to fine manipulation precision were also identified. As a contribution, this dissertation proposes an integrated comparative evaluation approach applied to the analysis of immersive and conventional robotic teleoperation interfaces. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2025. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/276894 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275429 Modelo analítico para otimização da distribuição de módulos de flutuação em risers de aço lançados em lazy wave Desordi, Brian Cezar da Costa A exploração de petróleo em águas profundas e ultra profundas impõe diversos desafios técnicos, especialmente no projeto dos risers. Entre as soluções estudadas para viabilizar o uso de risers de aço em grandes profundidades, destaca-se a configuração lazywave, amplamente consolidada na indústria offshore. Essa configuração reduz as trações e o desgaste estrutural ao desacoplar o movimento da unidade flutuante do ponto de contato do risercom o leito marinho, minimizando as cargas transmitidas e prolongando a vida útil do sistema. Devido ao grande número de variáveis de projeto (estruturais e ambientais),a definição da distribuição dos flutuadores demanda elevado esforço computacional, uma vez que tradicionalmente depende de análises iterativas e da experiência do projetista. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma metodologia para a determinação automática e otimizada da distribuição dos módulos de flutuação, a partir de informações provenientes das etapas iniciais do projeto. O objetivo é minimizar a amplitude de variação de tensões em regiões críticas do riser, parâmetro fortemente associado àvida em fadiga. A otimização é conduzida em regime estático, com base em uma formulação analítica que representa adequadamente o comportamento da estrutura e reduz significativamente o custo computacional quando comparada ao modelo de análise baseado no Método dos Elementos Finitos implementado no programa comercial(OrcaFlex)utilizado comoreferência. Os resultados obtidos demonstram que, mesmo com as simplificações assumidas, como a inelasticidadeda linha e a ausência de efeitos dinâmicos, o modelo analítico é capaz de reproduzir com boa precisão o comportamento estrutural observado numericamente. Assim, o procedimento desenvolvido mostra-se promissor como ferramenta de apoio à definição preliminar de configurações lazywaveem risers de aço, conciliando precisão, eficiência e aplicabilidade nas fases iniciais de projeto.Os resultados demonstraram boa concordância entre as configurações obtidas pelo modelo analítico e pelo OrcaFlex, com diferenças pouco significativas nas soluções finais. Em termos de desempenho computacional, o modelo analítico gerou os 2.000 pontos do espaço amostral em aproximadamente 10 horas, enquanto o OrcaFlex demandou cerca de 38 horas para a mesma tarefa, representando uma redução de aproximadamente 75% no tempo de processamento.; Abstract: Deepwater and ultra-deepwater oil exploration presents significant technical challenges, particularly in riser design. Among the solutions studied to enable the use of steel risers at great depths, the lazy-wave configuration stands out, being widely established in the offshore industry. This configuration reduces axial loads and structural wear by decoupling the motion of the floating unit from the riser?s seabed contact point, minimizing transmitted forces and extending the system?s service life. Due to the large number of design variables, both structural and environmental, defining the distribution of flotation modules requires substantial computational effort, as it traditionally relies on iterative analyses and designer experience. In this context, the present work proposes a methodology for the automatic and optimized determination of the flotation module distribution based on information obtained during the initial design stages. The objective is to minimize the variation in stress amplitude in critical regions of the riser, a parameter strongly linked to fatigue life. The optimization is performed under static conditions using an analytical formulation that accurately represents the structural behavior while significantly reducing computational cost compared to a finite-element-based analysis implemented in the commercial software (OrcaFlex) used as reference. The results show that, even with simplifications such as line inelasticity and the neglect of dynamic effects, the analytical model can reproduce the structural behavior observed numerically with good accuracy. Therefore, the proposed procedure is a promising tool for supporting the preliminary design of lazy-wave steel risers, combining precision, efficiency, and applicability in the early design stages. The results showed good agreement between the configurations obtained using the analytical model and OrcaFlex, with only minor differences in the final solutions. In terms of computational performance, the analytical model generated the 2,000 sample points in approximately 10 hours, whereas OrcaFlex required about 38 hours for the same task, representing a reduction of roughly 75% in processing time. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2025. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275429 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275364 Membrana híbrida de nanocelulose bacteriana com lignina incorporada In situ para aplicações como membrana de troca de prótons Trainotti, Kamila A produção de membranas de troca de prótons (MTPs) a partir de materiais renováveis tem se destacado como uma alternativa sustentável às membranas comerciais à base de fluoropolímeros, como a Nafion®. Nesse contexto, a nanocelulose bacteriana (NCB) apresenta-se como uma matriz promissora devido à sua elevada pureza, cristalinidade, estrutura nanofibrilar e estabilidade mecânica. A incorporação in situ de lignina durante a biossíntese da NCB possibilita a obtenção de membranas híbridas funcionalizadas, combinando as propriedades estruturais da celulose com a natureza aromática e funcional da lignina. Este trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar membranas de nanocelulose bacteriana/lignina (NCB/Lig) produzidas por incorporação in situ de lignina Kraft, avaliando o efeito dessa modificação nas propriedades físico-químicas, mecânicas, térmicas e eletroquímicas do material. As membranas foram obtidas por cultivo estático de Komagataeibacter hansenii, com adição controlada de lignina solubilizada. As caracterizações incluíram absorção de água, porosidade, capacidade de troca iônica (IEC), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difração de raios X (DRX), análise termogravimétrica (TGA) e ensaios mecânicos. Os resultados indicam que a lignina foi incorporada de forma homogênea à rede celulósica, promovendo aumento na densidade de grupos hidroxila e carboxila, o que favorece a condução protônica. Os valores de IEC (5,22 mmol/g) mostraram-se consistentes com a literatura, evidenciando que a modificação química da celulose contribui para o aumento da capacidade de troca iônica. As micrografias de MEV demonstraram que o tratamento alcalino em temperaturas elevadas proporciona um equilíbrio adequado entre eficiência de purificação e integridade estrutural, enquanto condições mais brandas favorecem a retenção de lignina em detrimento da remoção de impurezas. Os espectros de FTIR confirmaram a incorporação da lignina e evidenciaram a influência dos tratamentos de purificação na composição química final das membranas. A análise integrada das propriedades mecânicas, estruturais e térmicas revelou que a incorporação de lignina induz modificações estruturais significativas que impactam diretamente o desempenho do material. Teores moderados de lignina resultaram em redução da rigidez e aumento da ductilidade, enquanto teores mais elevados podem promover efeito de reforço, dependendo da dispersão e das interações interfaciais. O desempenho eletroquímico foi avaliado em células a combustível microbianas (MFCs), nas quais as membranas NCB/Lig apresentaram desempenho superior em relação à NCB pura. Entre as amostras, a membrana NCB/Lig 2 destacou-se, atingindo maior potencial de saída (~30 mV), atribuído ao equilíbrio entre cristalinidade, retenção de água e transporte de prótons. De modo geral, a incorporação in situ da lignina mostrou-se uma estratégia eficaz e sustentável para ajustar as propriedades físico-químicas e eletroquímicas das membranas. Dessa forma, as membranas NCB/Lig apresentam potencial como alternativa ecológica às MTPs comerciais, com aplicações promissoras em células a combustível microbianas e outros sistemas bioeletroquímicos voltados à geração de energia limpa.; Abstract: The development of proton exchange membranes (PEMs) from renewable materials has emerged as a sustainable alternative to commercial fluoropolymer-based membranes such as Nafion®. In this context, bacterial nanocellulose (BNC) stands out as a promising matrix due to its high purity, crystallinity, nanofibrillar structure, and mechanical stability. The in-situ incorporation of lignin during BNC biosynthesis enables the production of functionalized hybrid membranes, combining the structural properties of cellulose with the aromatic and functional nature of lignin. This study aimed to develop and characterize bacterial nanocellulose/lignin (BNC/Lig) membranes produced via in situ incorporation of Kraft lignin, evaluating the effects of this modification on the physicochemical, mechanical, thermal, and electrochemical properties of the material. The membranes were obtained through static cultivation of Komagataeibacter hansenii, with controlled addition of solubilized lignin. Characterization techniques included water uptake, porosity, ion exchange capacity (IEC), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA), and mechanical testing. The results indicate that lignin was homogeneously incorporated into the cellulose network, increasing the density of hydroxyl and carboxyl groups, which favors proton conduction. IEC values (5.22 mmol/g) were consistent with the literature, confirming that chemical modification of cellulose enhances ion exchange capacity. SEM micrographs showed that alkaline treatment at elevated temperatures provides an optimal balance between purification efficiency and structural integrity, whereas milder conditions favor lignin retention at the expense of effective impurity removal. FTIR spectra confirmed the successful incorporation of lignin and demonstrated that purification treatments directly influence the final chemical composition of the membranes. The integrated analysis of mechanical, structural, and thermal properties revealed that lignin incorporation induces significant structural changes that directly impact material performance. Moderate lignin contents led to reduced stiffness and increased ductility, while higher contents may promote a reinforcing effect depending on dispersion and interfacial interactions. Electrochemical performance was evaluated in microbial fuel cells (MFCs), where BNC/Lig membranes outperformed pristine BNC. Among the samples, the BNC/Lig 2 membrane exhibited the best performance, achieving a higher output potential (~30 mV), attributed to an optimal balance between crystallinity, water retention, and proton transport. Overall, the in-situ incorporation of lignin proved to be an effective and sustainable strategy to tailor the physicochemical and electrochemical properties of BNC-based membranes. Thus, BNC/Lig membranes show strong potential as eco-friendly alternatives to conventional PEMs, with promising applications in microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems for clean energy generation. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275364 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/274636 Desenvolvimento de ferramentas para o controle de risco no gerenciamento da segurança operacional em organizações de manutenção de aviões Ferronato, Francis O desenvolvimento de ferramentas para o controle de risco no gerenciamento da segurança operacional em organizações de manutenção de aviões visa garantir a segurança em todas as operações aeronáuticas, da mesma forma, essa garantia deve existir em Organizações de Manutenção de aeronaves. O Sistema de Gerenciamento da Segurança Operacional (SGSO) abrange todas as atividades dentro de uma Organização de Manutenção, seja a execução, supervisão, inspeção, aprovação para retorno ao serviço, bem como planejamento, produção, controle técnico de manutenção, suprimentos, ferramentaria e publicações. Este estudo tem como objetivo desenvolver ferramentas para controlar o risco no gerenciamento da segurança operacional em organizações de manutenção de aviões e a implementação de cultura organizacional para mitigar o risco. Através de estudos de caso, fundamentado por pesquisa bibliográfica e documental, busca-se compreender os desafios enfrentados por essas empresas no setor aeronáutico e desenvolver soluções práticas de otimização do risco. A metodologia empregada inclui análise técnico-científica para embasar os estudos de caso em duas Organizações de Manutenção. Dados públicos dos últimos 10 anos demonstram que as maiores causas de acidentes, 384 de 1.694 casos, relacionam-se com falha ou mau funcionamento do motor/componente. Os dados qualitativos e quantitativos foram coletados e analisados para cada Organização de Manutenção, visando desenvolver ferramentas de Segurança Operacional com foco no aprimoramento de ações de promoção do SGSO, Índice de Desempenho da Segurança Operacional, Índice de Retrabalho, Relato Voluntário de Perigo (RVP). A elaboração das ferramentas digitais e físicas tiveram foco no tratamento dos pontos de melhoria da qualidade nas organizações; com as correções de falhas de controle de processos, na ausência de registros para relatórios voluntários, nos problemas recorrentes com Foreign Object Debris/Damage (FOD), na falta de planilhas de monitoramento e na baixa conscientização sobre a importância dos relatórios de prevenção. Contribuiu-se para o controle de tolerabilidade e automatização por planilhas de controle de processos, na promoção de SGSO, no controle de condições de risco, houve redução de mais de 60% na quantidade de FOD produzido, melhor controle de RVP e na conscientização. Conclui-se que as ferramentas desenvolvidas e a promoção de SGSO têm potencial para melhorar o controle de processos, a redução de riscos e a melhoria na conscientização de funcionários nas organizações de manutenção de aviões.; Abstract: The development of tools for risk control in Safety Management Systems (SMS) within aircraft maintenance organizations aims to ensure safety across all aviation operations. Likewise, this assurance must be present within Maintenance Organizations. The Safety Management System (SMS) encompasses all activities within a Maintenance Organization, including execution, supervision, inspection, return-to-service approval, as well as planning, production, maintenance technical control, supply chain, tooling, and publications. This study aims to develop tools to manage and control risks in aviation maintenance organizations' safety management systems, along with implementing an organizational safety culture to mitigate risks. Based on case studies supported by bibliographic and documental research, the study seeks to understand the challenges faced by these companies in the aviation sector and to develop practical risk optimization solutions. The methodology involves technical-scientific analysis supporting case studies in two Maintenance Organizations. Public data from the past 10 years show that the leading causes of incidentes, 384 out of 1,694 cases, are related to engine or component failure/malfunction. Qualitative and quantitative data were collected and analyzed for each Maintenance Organization with the goal of developing Operational Safety tools focused on enhancing SMS promotion activities, Safety Performance Indicators (SPI), Rework Index, and the Voluntary Hazard Reporting (VHR) system. The creation of digital and physical tools targeted quality improvement areas within the organizations, including the correction of process control deficiencies, lack of records for voluntary reports, recurring issues with Foreign Object Debris/Damage (FOD), absence of monitoring spreadsheets, and low awareness regarding the importance of prevention reports. Contributions included improved risk tolerance control and process control automation through spreadsheets, SMS promotion, and risk condition control. These efforts led to over a 60% reduction in FOD occurrences, better management of VHR reports, and increased awareness. In conclusion, the developed tools and SMS promotion efforts show potential to improve process control, reduce risks, and raise employee awareness within aircraft maintenance organizations. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Joinville, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Mecânicas, Joinville, 2025. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/274636 2025-01-01T00:00:00Z