A learning environment for robotic production line simulation

This paper presents a framework for a robotic production line simulation learning environment using Autonomous Ground Vehicles (AGV). An eLearning platform is used as interface with the simulator. The objective is to introduce students to the production robotics area using a familiar tool, an eLearning platform, and a framework that simulates a production line using AGVs. This framework allows students to learn about robotics but also about several areas of industrial management engineering without requiring an extensive prior knowledge on the robotics area. The robotic production line simulation learning environment simulates a production environment using AGVs to transport materials to and from the production line. The simulator allows students to validate the AGV dynamics and provides information about the whole materials supplying system which includes: supply times, route optimization and inventory management. The students are required to address several topics such as: sensors, actuators, controllers and an high level management and optimization software. This simulator was developed with a known open source tool from robotics community: Player/Stage. This tool was extended with several add-ons so that students can be able to interact with a complex simulation environment. These add-ons include an abstraction communication layer that performs events provided by the database server which is programmed by the students. An eLearning platform is used as interface between the students and the simulator. The students can visualize the effects of their instructions/programming in the simulator that they can access via the eLearning platform. The proposed framework aims to allow students from different backgrounds to fully experience robotics in practice by suppressing the huge gap between theory and practice that exists in robotics. Using an eLearning platform eliminates installation problems that can occur from different computers software distribution and makes the simulator accessible by all students at school and at home.

On the Sensor Classification Scheme of Robotic Manipulators

This paper analyzes the signals captured during impacts and vibrations of a mechanical manipulator. The Fourier Transform of eighteen different signals are calculated and approximated by trendlines based on a power law formula. A sensor classification scheme based on the frequency spectrum behavior is presented.

Dynamical Analysis of Non-Repetitive Trajectories in Robotic Manipulation

A new method for the study and optimization of manu«ipulator trajectories is developed. The novel feature resides on the modeling formulation. Standard system desciptions are based on a set of differential equations which, in general, require laborious computations and may be difficult to analyze. Moreover, the derived algorithms are suited to "deterministic" tasks, such as those appearing in a repetitivework, and are not well adapted to a "random" operation that occurs in intelligent systems interacting with a non-structured and changing environment. These facts motivate the development of alternative models based on distinct concepts. The proposed embedding of statistics and Fourier trasnform gives a new perspective towards the calculation and optimization of the robot trajectories in manipulating tasks.

Kinematic Manipulability of Robotic Systems

Many tasks involving manipulation require cooperation between robots. Meanwhile, it is necessary to determine the adequate values for the robot parameters to obtain a good performence. This paper discusses several aspects related with the manipulability of two co-operative robots when handling objects with different lengths and orientations. In this line of thought, a numerical tool is developed for the calculation and the graphical visualization of the manipulability measure.

Thermographic and visible spectrum camera calibration for marine robotic target detection

Oceans - San Diego, 2013

Real-Time Visual Ground-Truth System for Indoor Robotic Applications

The robotics community is concerned with the ability to infer and compare the results from researchers in areas such as vision perception and multi-robot cooperative behavior. To accomplish that task, this paper proposes a real-time indoor visual ground truth system capable of providing accuracy with at least more magnitude than the precision of the algorithm to be evaluated. A multi-camera architecture is proposed under the ROS (Robot Operating System) framework to estimate the 3D position of objects and the implementation and results were contextualized to the Robocup Middle Size League scenario.

Influence of environmental temperature and humidity on the acute ventilatory response to exercise in asthmatic adolescents

Asthma is a chronic inflammatory disorder of the respiratory airways affecting people of all ages, and constitutes a serious public health problem worldwide (6). Such a chronic inflammation is invariably associated with injury and repair of the bronchial epithelium known as remodelling (11). Inflammation, remodelling, and altered neural control of the airways are responsible for both recurrent exacerbations of asthma and increasingly permanent airflow obstruction (11, 29, 34). Excessive airway narrowing is caused by altered smooth muscle behaviour, in close interaction with swelling of the airway walls, parenchyma retractile forces, and enhanced intraluminal secretions (29, 38). All these functional and structural changes are associated with the characteristic symptoms of asthma – cough, chest tightness, and wheezing –and have a significant impact on patients’ daily lives, on their families and also on society (1, 24, 29). Recent epidemiological studies show an increase in the prevalence of asthma, mainly in industrial countries (12, 25, 37). The reasons for this increase may depend on host factors (e.g., genetic disposition) or on environmental factors like air pollution or contact with allergens (6, 22, 29). Physical exercise is probably the most common trigger for brief episodes of symptoms, and is assumed to induce airflow limitations in most asthmatic children and young adults (16, 24, 29, 33). Exercise-induced asthma (EIA) is defined as an intermittent narrowing of the airways, generally associated with respiratory symptoms (chest tightness, cough, wheezing and dyspnoea), occurring after 3 to 10 minutes of vigorous exercise with a maximal severity during 5 to 15 minutes after the end of the exercise (9, 14, 16, 24, 33). The definitive diagnosis of EIA is confirmed by the measurement of pre- and post-exercise expiratory flows documenting either a 15% fall in the forced expiratory volume in 1 second (FEV1), or a ≥15 to 20% fall in peak expiratory flow (PEF) (9, 24, 29). Some types of physical exercise have been associated with the occurrence of bronchial symptoms and asthma (5, 15, 17). For instance, demanding activities such as basketball or soccer could cause more severe attacks than less vigorous ones such as baseball or jogging (33). The mechanisms of exercise-induced airflow limitations seem to be related to changes in the respiratory mucosa induced by hyperventilation (9, 29). The heat loss from the airways during exercise, and possibly its post-exercise rewarming may contribute to the exercise-induced bronchoconstriction (EIB) (27). Additionally, the concomitant dehydration from the respiratory mucosa during exercise leads to an increased interstitial osmolarity, which may also contribute to bronchoconstriction (4, 36). So, the risk of EIB in asthmatically predisposed subjects seems to be higher with greater ventilation rates and the cooler and drier the inspired air is (23). The incidence of EIA in physically demanding coldweather sports like competitive figure skating and ice hockey has been found to occur in up to 30 to 35% of the participants (32). In contrast, swimming is often recommended to asthmatic individuals, because it improves the functionality of respiratory muscles and, moreover, it seems to have a concomitant beneficial effect on the prevalence of asthma exacerbations (14, 26), supporting the idea that the risk of EIB would be smaller in warm and humid environments. This topic, however, remains controversial since the chlorified water of swimming pools has been suspected as a potential trigger factor for some asthmatic patients (7, 8, 20, 21). In fact, the higher asthma incidence observed in industrialised countries has recently been linked to the exposition to chloride (7, 8, 30). Although clinical and epidemiological data suggest an influence of humidity and temperature of the inspired air on the bronchial response of asthmatic subjects during exercise, some of those studies did not accurately control the intensity of the exercise (2, 13), raising speculation of whether the experienced exercise overload was comparable for all subjects. Additionally, most of the studies did not include a control group (2, 10, 19, 39), which may lead to doubts about whether asthma per se has conditioned the observed results. Moreover, since the main targeted age group of these studies has been adults (10, 19, 39), any extrapolation to childhood/adolescence might be questionable regarding the different lung maturation. Considering the higher incidence of asthma in youngsters (30) and the fact that only the works of Amirav and coworkers (2, 3) have focused on this age group, a scarcity of scientific data can be identified. Additionally, since the main environmental trigger factors, i.e., temperature and humidity, were tested separately (10, 28, 39) it would be useful to analyse these two variables simultaneously because of their synergic effect on water and heat loss by the airways (31, 33). It also appears important to estimate the airway responsiveness to exercise within moderate environmental ranges of temperature and humidity, trying to avoid extreme temperatures and humidity conditions used by others (2, 3). So, the aim of this study was to analyse the influence of moderate changes in air temperature and humidity simultaneously on the acute ventilatory response to exercise in asthmatic children. To overcome the above referred to methodological limitations, we used a 15 minute progressive exercise trial on a cycle ergometer at 3 different workload intensities, and we collected data related to heart rate, respiratory quotient, minute ventilation and oxygen uptake in order to ensure that physiological exercise repercussions were the same in both environments. The tests were done in a “normal” climatic environment (in a gymnasium) and in a hot and humid environment (swimming pool); for the latter, direct chloride exposition was avoided.

Efectividade de um programa de exercícios terapêuticos em meio aquático na ligamentoplastia do LCA

A reabilitação do joelho utilizando exercícios terapêuticos em meio aquático tem sido utilizada com o intuito de iniciar, de forma imediata os movimentos articulares, pois reduz a dor e permite a carga de peso mais precoce. Apesar destas vantagens serem reconhecidas, poucos estudos têm sido realizados no sentido de determinar a efectividade dos exercícios terapêuticos em meio aquático na reabilitação pós-cirúrgica do ligamento cruzado anterior (LCA) Objectivo: Descrever os efeitos de um programa de exercícios terapêuticos em meio aquático num caso clínico de ligamentoplastia do cruzado anterior. Metodologia: Um jogador de futebol de 27 anos de idade, sujeito a uma ligamentoplastia do LCA, completou um programa de exercícios terapêuticos em meio aquático que constou de um total de 24 sessões (4 por semana, e 60 minutos por sessão). O atleta foi avaliado em três momentos distintos (T0, no início da intervenção, T1, três semanas após o início da intervenção e T2, seis semanas após o início da intervenção. Como parâmetros de avaliação foram utilizadas as amplitudes articulares (goniometria), o teste muscular manual, o volume muscular (perimetria), o equilíbrio estável (Y Balance Test (YBT)) e a funcionalidade (Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score (KOOS)). Resultados: Após as 24 sessões verificou-se uma melhoria nos diversos parâmetros avaliados (flexão do joelho: 75º vs 134º; extensão do joelho: -7º vs 0º; força dos flexores e extensores do joelho: 3 vs 4+; perimetria da coxa: 46,2 cm vs 51,5 cm; YBT: equilíbrio anterior (resultados correspondentes aos momentos T1 e T2): 53 cm vs 72 cm; posterolateral: 46 cm vs 61 cm; posteromedial: 39 cm vs 57 cm; KOOS: dor/sintomas: 17 vs 92, outros sintomas: 25 vs 75, actividades da vida diária: 12 vs 90, actividades desportivas e de lazer: 0 vs 55, qualidade de vida relacionada com o joelho: 0 vs 50. Conclusão: O programa de exercícios terapêuticos em meio aquático utilizado neste estudo parece ter efeitos benéficos num caso clínico de ligamentoplastia do cruzado anterior.

Efetividade do tratamento em fisioterapia na pubalgia num jogador de futsal

A pubalgia é uma inflamação que ocorre na região do osso púbis, ponto de origem – inserção de diversos músculos, como os adutores da coxa e os abdominais. É responsável pelo afastamento de atletas de diversas modalidades da sua prática desportiva. Objectivo: Analisar a efectividade do tratamento em fisioterapia num jogador de futsal profissional que apresenta sintomatologia de pubalgia. Método: Foi realizado um estudo de caso com um jogador de futsal de 28 anos atuante na posição ala/pivot. O atleta foi avaliado e tratado durante seis semanas. As sessões de tratamento incluíam electroterapia, crioterapia, termoterapia, exercícios de alongamento, de fortalecimento muscular e de mobilidade da pélvis, hidroterapia e ligaduras funcionais. Na avaliação da flexibilidade dos isquiotibiais, adutores da coxa, abdominais e iliopsoas (teste de Thomas) foi usado o goniómetro (marca Baseline), o teste muscular manual para avaliar a força muscular dos diversos músculos, a escala numérica para avaliar a dor e o teste de Gillet para avaliar a mobilidade sacro-ilíaca. Resultados: O jogador de futsal apresentou ganhos de flexibilidade de 6 graus nos isquiotibiais, abdominais, adutor (lado esquerdo) e iliopsoas (lado esquerdo), e de 7 graus no adutor (lado direito) e iliopsoas (lado direito). Houve também ganho de força muscular nos abdominais, porção superior e porção inferior atingindo o grau 5 (grau máximo) do teste muscular manual, aumento da mobilidade pélvica e diminuição do quadro álgico, passando de dor 5 para dor 1 na inserção do reto abdominal e nos adutores de dor 3 para dor 0 (sem dor) de acordo com a escala numérica. Conclusão: O tratamento proposto para este atleta foi eficaz, visto que, houve aumento da flexibilidade, força muscular e mobilidade pélvica, e diminuição da dor na região do púbis, o que possibilitou o retorno à actividade desportiva.

Supervisão, comando e controlo para sistemas robóticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização em Sistemas Autónomos

Sistema de localização de um veículo autónomo terrestre

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores.

Efeito de um treino neuromuscular no tempo de reacção dos peroniais em jovens futebolistas

Objectivo: verificar a influência de um programa neuromuscular de 6 semanas no tempo de reacção dos peroniais, em jovens futebolistas. Métodos: Foi realizado um estudo quasi-experimental, cuja amostra foi constituída por um grupo experimental (n=14) e um de controlo (n=14). O grupo experimental realizou um programa de treino neuromuscular durante 6 semanas, com exercícios terapêuticos, enquanto o grupo controlo continuou com a sua actividade física habitual. Foi utilizado um trapdoor e electromiografia de superfície para avaliar o tempo de reacção dos músculos peroniais antes e após a aplicação do programa de exercícios, em ambos os grupos. O teste t para amostras independentes foi utilizado para comparar o tempo de reacção entre os dois grupos. O teste t para amostras emparelhadas foi efectuado para comparar a média das diferenças entre os dois momentos para ambos os grupos. Ambos os testes foram realizados para um nível de significância de 5%. Resultados: Verificou-se uma diminuição significativa no tempo de reacção do curto (p=0,022) e do longo peronial (p=0,007) no grupo experimental. Conclusão: O programa de treino neuromuscular promoveu uma diminuição do tempo de reacção dos peroniais.

Influência do tipo de chuteira em variáveis preditoras do risco de entorse lateral do tornozelo

Introdução: No futebol, a entorse lateral do tornozelo (ELT) destaca-se como sendo a lesão mais prevalente. Potenciada pela variedade de chuteiras disponíveis no mercado e pela crescente utilização de relvados sintéticos, a interação entre o terreno e o calçado tem assumido elevada relevância como fator de risco para a ELT. A maior incidência de lesões na 2ª parte do jogo traduz a necessidade do estudo dessa interação durante tarefas que envolvam fadiga. Objetivo: Estudar a influência das chuteiras em variáveis preditoras do risco de ELT em relvado sintético sob duas condições: sem e com fadiga dos músculos eversores do tornozelo Métodos: Foi utilizada uma amostra de atletas saudáveis. Todos os indivíduos realizaram 3 séries de 5 saltos médio-laterais uni-podálicos, cada uma com 1 de 3 modelos de chuteiras (Turf, Hard e Firm ground) em duas condições: sem e com fadiga induzida pelo dinamómetro isocinético. Durante a tarefa, a atividade eletromiográfica do longo e curto peroniais, o valor das forças de reação do solo e o movimento do retro-pé (plano frontal), foram recolhidos e usados para calcular variáveis cinemáticas (eversão/inversão do tornozelo, o deslocamento e velocidade do centro de pressão), cinéticas (taxa de crescimento das forças de reação do solo) e neuromusculares (tempo de ativação muscular dos peroniais). Resultados: À exceção do tempo de ativação do curto peronial com o modelo Hard ground (sem fadiga vs com fadiga (p=0,050), não foram identificadas diferenças estatisticamente significativas nas variáveis preditoras de lesão, entre chuteiras, nem entre as duas condições avaliadas. Conclusão: Para o teste funcional escolhido e executado por atletas saudáveis em sintético de 3ª geração, nenhuma das chuteiras apresenta maior risco de lesão (com e sem fadiga), tendo em conta as variáveis em estudo.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Coordenação de veículo de inspecção subaquática com veículo de superfície autónomo

O LSA/ISEP(Laboratório de sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto) tem vindo nos últimos anos a desenvolver sistemas robóticos inovadores para operação em ambiente marinho sendo o veículo de superfície autónomo ROAZ II um exemplo de renome internacional. Neste contexto, e tendo em vista a satisfação dos requisitos parciais conducentes à obtenção do grau de Mestre em Eng. Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos do ISEP, o presente trabalho visou a integração de um robô submarino operado remotamente (ROV) com o robô de superfície ROAZ II. Esta solução inovadora de operação coordenada e integrada de um ASV/ROV permite dotar o ASV de mobilidade e visão subaquática. Após a caracterização e análise de requisitos de diversos cenários operacionais foi apresentada uma arquitectura de controlo coordenado dos dois veículos baseada em manobras de controlo descritas por autómatos híbridos. Os dois veículos foram modelados e as manobras coordenadas projectadas foram validadas com um simulador em ambiente Matlab/Simulink. Foi desenvolvido um sistema de localização relativa do ROV através da fusão sensorial de um sistema INS com um sistema acústico USBL utilizando um filtro EKF. O veículo ROV (VideoRay) do LSA foi instrumentado com os sensores necessários e efectuada a integração de hardware e software com o ASV ROAZ II permitindo a operação remota. Foi realizada uma missão demonstrativa de inspecção de pilares subaquáticos em cenário real com a operação conjunta dos dois robôs.