Localization system for pedestrians based on sensor and information fusion

Nowadays there is an increase of location-aware mobile applications. However, these applications only retrieve location with a mobile device's GPS chip. This means that in indoor or in more dense environments these applications don't work properly. To provide location information everywhere a pedestrian Inertial Navigation System (INS) is typically used, but these systems can have a large estimation error since, in order to turn the system wearable, they use low-cost and low-power sensors. In this work a pedestrian INS is proposed, where force sensors were included to combine with the accelerometer data in order to have a better detection of the stance phase of the human gait cycle, which leads to improvements in location estimation. Besides sensor fusion an information fusion architecture is proposed, based on the information from GPS and several inertial units placed on the pedestrian body, that will be used to learn the pedestrian gait behavior to correct, in real-time, the inertial sensors errors, thus improving location estimation.

Influência do alinhamento do pé nos Ajustes Posturais Antecipatórios em crianças com Paralisia Cerebral

Introdução: A dificuldade na organização dos ajustes posturais antecipatórios (APAs) é frequentemente associada ao défice de controlo postural (CP) em crianças/jovens com um quadro motor de hemiplegia espástica, resultante de paralisia cerebral. As alterações biomecânicas da tibiotársica e do pé são características comummente observadas nestas crianças/jovens e influenciam o CP na sua globalidade. Objectivo(s): descrever o comportamento dos APAs associados ao início da marcha, face à modificação do alinhamento do pé em crianças/jovens com hemiplegia espástica, após 12 semanas de intervenção, segundo o Conceito Bobath-TND e aplicação de uma Ligadura Funcional (LF). Métodos: Foram avaliadas quatro crianças/jovens num momento inicial (M0) e após 12 semanas de intervenção e de aplicação de uma LF (M1). Recorrendo à eletromiografia de superfície, registaram-se os timings de activação dos músculos tibial anterior, solear, recto abdominal e erector da espinha (bilateralmente). O início do movimento foi calculado a partir da alteração do sinal obtido através da plataforma de pressões. Recorreu-se à aplicação da TMFM-88 para avaliar a função motora global e à aplicação da CIF-CJ para classificar a funcionalidade mediante as actividades e a participação. Procedeu-se ao registo de imagem para facilitar a observação/avaliação das componentes de movimento das crianças/jovens em estudo. Resultados: Após o período de intervenção, verificou-se uma modificação nos valores dos timings de ativação dos músculos em análise, que se aproximaram da janela temporal definida como APAs, bem como na distribuição de carga na base de suporte, nos scores da TMFM-88 e nos qualificadores das “Actividades e Participação”, sugestivos de uma melhor organização dos mecanismos de controlo postural. Conclusão: As crianças/jovens em estudo evidenciaram, após uma intervenção de fisioterapia baseada no Conceito Bobath- TND e aplicação de uma LF, uma evolução favorável tanto ao nível do CP da tibiotársica e do pé, apresentando timings de ativação muscular temporalmente mais ajustados à tarefa, com repercussões positivas nas actividades e participação.

Desenvolvimento de um robô com pernas inspirado no Alfaiate

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, integrada no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica, mais concretamente no desenvolvimento de um robô que apresente caraterísticas de locomoção similares ao inseto Alfaiate, modificando para este efeito um robô hexápode já existente. Inicialmente efetuou-se um estudo sobre a biologia do Alfaiate e dos vários tipos de padrões de locomoção adotados pelos animais. De seguida foi realizado um estudo sobre alguns robôs já existentes inspirados neste inseto. Após a realização desta fase de estudo, foram implementadas modificações ao robô hexápode, de forma a este conseguir apoiar-se e movimentar-se sobre a superfície da água. Para tal foram utilizados apoios em esferovite para as pernas, servomotores para a atuação e um sensor de IRPD para orientar o robô na sua trajetória. Em termos de controlo da estabilidade do corpo utilizou-se um giroscópio para permitir ao robô manter o seu corpo horizontal durante a locomoção em águas agitadas. Este trabalho termina com a realização de testes a diferentes padrões de locomoção, de forma a validar o que apresenta a melhor resposta em termos de velocidade.

Solução de navegação inercial para o sistema plasys

Neste trabalho faz-se uma pesquisa e análise dos conceitos associados à navegação inercial para estimar a distância percorrida por uma pessoa. Foi desenvolvida uma plataforma de hardware para implementar os algoritmos de navegação inercial e estudar a marcha humana. Os testes efetuados permitiram adaptar os algoritmos de navegação inercial para humanos e testar várias técnicas para reduzir o erro na estimativa da distância percorrida. O sistema desenvolvido é um sistema modular que permite estudar o efeito da inserção de novos sensores. Desta forma foram adaptados os algoritmos de navegação para permitir a utilização da informação dos sensores de força colocados na planta do pé do utilizador. A partir desta arquitetura foram efetuadas duas abordagens para o cálculo da distância percorrida por uma pessoa. A primeira abordagem estima a distância percorrida considerando o número de passos. A segunda abordagem faz uma estimação da distância percorrida com base nos algoritmos de navegação inercial. Foram realizados um conjunto de testes para comparar os erros na estimativa da distância percorrida pelas abordagens efetuadas. A primeira abordagem obteve um erro médio de 4,103% em várias cadências de passo. Este erro foi obtido após sintonia para o utilizador em questão. A segunda abordagem obteve um erro de 9,423%. De forma a reduzir o erro recorreu-se ao filtro de Kalman o que levou a uma redução do erro para 9,192%. Por fim, recorreu-se aos sensores de força que permitiram uma redução para 8,172%. A segunda abordagem apesar de ter um erro maior não depende do utilizador pois não necessita de sintonia dos parâmetros para estimar a distância para cada pessoa. Os testes efetuados permitiram, através dos sensores de força, testar a importância da força sentida pela planta do pé para aferir a fase do ciclo de marcha. Esta capacidade permite reduzir os erros na estimativa da distância percorrida e obter uma maior robustez neste tipo de sistemas.

Controlo da velocidade e posição de um tapete rolante

A utilização eficiente da energia é essencial para a competitividade económica de um país. Sendo a intensidade energética de Portugal elevada, onde a utilização de motores elétricos, absorve cerca de metade da energia elétrica consumida na indústria, a utilização de conversores eletrónicos de potência permite obter economias de energia. Nesta tese pretende-se controlar a velocidade e o posicionamento de um tapete rolante através da utilização de um conversor eletrónico de potência. Na fundamentação teórica são referidos os conceitos de variação da tensão e frequência, controle escalar e vetorial, modelação por largura de pulso (PWM) assim como a retificação e ondulação da tensão de um variador de velocidades. Na parte prática será utilizado um servo motor, controlado por um variador eletrónico de velocidades, para efetuar o referido projeto. É ainda objeto desta tese o estudo dos parâmetros fundamentais assim como a pesquisa dos parâmetros a utilizar para o desempenho pretendido.

Análise e identificação do sinal de aceleração num pé

Com a massificação do uso da tecnologia no dia-a-dia, os sistemas de localização têm vindo a aumentar a sua popularidade, devido à grande diversidade de funcionalidades que proporcionam e aplicações a que se destinam. No entanto, a maior parte dos sistemas de posicionamento não funcionam adequadamente em ambientes indoor, impedindo o desenvolvimento de aplicações de localização nestes ambientes. Os acelerómetros são muito utilizados nos sistemas de localização inercial, pelas informações que fornecem acerca das acelerações sofridas por um corpo. Para tal, neste trabalho, recorrendo à análise do sinal de aceleração provindo de um acelerómetro, propõe-se uma técnica baseada na deteção de passos para que, em aplicações futuras, possa constituir-se como um recurso a utilizar para calcular a posição do utilizador dentro de um edifício. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo contribuir para o desenvolvimento da análise e identificação do sinal de aceleração obtido num pé, por forma a determinar a duração de um passo e o número de passos dados. Para alcançar o objetivo de estudo foram analisados, com recurso ao Matlab, um conjunto de 12 dados de aceleração (para marcha normal, rápida e corrida) recolhidos por um sistema móvel (e provenientes de um acelerómetro). A partir deste estudo exploratório tornou-se possível apresentar um algoritmo baseado no método de deteção de pico e na utilização de filtros de mediana e Butterworth passa-baixo para a contagem de passos, que apresentou bons resultados. Por forma a validar as informações obtidas nesta fase, procedeu-se, seguidamente, à realização de um conjunto de testes experimentais a partir da recolha de 33 novos dados para a marcha e corrida. Identificaram-se o número de passos efetuados, o tempo médio de passo e da passada e a percentagem de erro como as variáveis em estudo. Obteve-se uma percentagem de erro igual a 1% para o total dos dados recolhidos de 20, 100, 500 e 1000 passos com a aplicação do método proposto para a contagem do passo. Não obstante as dificuldades observadas na análise dos sinais de aceleração relativos à corrida, o algoritmo proposto mostrou bom desempenho, conseguindo valores próximos aos esperados. Os resultados obtidos permitem afirmar que foi possível atingir-se o objetivo de estudo com sucesso. Sugere-se, no entanto, o desenvolvimento de futuras investigações de forma a alargar estes resultados em outras direções.

Energy analysis of Multi-legged Locomotion Systems

4th International Conference on Climbing and Walking Robots - From Biology to Industrial Applications

Myoelectric Signal Monitoring System

The Electromyography (EMG) is an important tool for gait analyzes and disorders diagnoses. Traditional methods involve equipment that can disturb the analyses, being gradually substituted by different approaches, like wearable and wireless systems. The cable replacement for autonomous systems demands for technologies capable of meeting the power constraints. This work presents the development of an EMG and kinematic data capture wireless module, designed taking into account power consumption issues. This module captures and converts the analog myoeletric signal to digital, synchronously with the capture of kinetic information. Both data are time multiplexed and sent to a PC via Bluetooth link. The work carried out comprised the development of the hardware, the firmware and a graphical interface running in an external PC. The hardware was developed using the PIC18F14K22, a low power family of microcontrollers. The link was established via Bluetooth, a protocol designed for low power communication. An application was also developed to recover and trace the signal to a Graphic User Interface (GUI), coordinating the message exchange with the firmware. Results were obtained which allowed validating the conceived system in static and with the subject performing short movements. Although it was not possible to perform the tests within more dynamic movements, it is shown that it is possible to capture, transmit and display the captured data as expected. Some suggestions to improve the system performance also were made.

Symmetry and order parameter dynamics of the human odometer

Bipedal gaits have been classified on the basis of the group symmetry of the minimal network of identical differential equations (alias cells) required to model them. Primary bipedal gaits (e.g., walk, run) are characterized by dihedral symmetry, whereas secondary bipedal gaits (e.g., gallop-walk, gallop- run) are characterized by a lower, cyclic symmetry. This fact has been used in tests of human odometry (e.g., Turvey et al. in P Roy Soc Lond B Biol 276:4309–4314, 2009, J Exp Psychol Hum Percept Perform 38:1014–1025, 2012). Results suggest that when distance is measured and reported by gaits from the same symmetry class, primary and secondary gaits are comparable. Switching symmetry classes at report compresses (primary to secondary) or inflates (secondary to primary) measured distance, with the compression and inflation equal in magnitude. The present research (a) extends these findings from overground locomotion to treadmill locomotion and (b) assesses a dynamics of sequentially coupled measure and report phases, with relative velocity as an order parameter, or equilibrium state, and difference in symmetry class as an imperfection parameter, or detuning, of those dynamics. The results suggest that the symmetries and dynamics of distance measurement by the human odometer are the same whether the odometer is in motion relative to a stationary ground or stationary relative to a moving ground.