Energy efficiency of quadruped gaits

This paper studies periodic gaits of quadruped locomotion systems. The purpose is to determine the best set of gait and locomotion variables during walking, for different robot velocities, based on two formulated performance measures. A set of experiments reveals the influence of the gait and locomotion variables upon the proposed indices, namely that the gait and the locomotion parameters should be adapted to the robot forward velocity.

Filtering method in backlash phenomena analysis

The behavior of robotic manipulators with backlash is analyzed. Based on the pseudo-phase plane two indices are proposed to evaluate the backlash effect upon the robotic system: the root mean square error and the fractal dimension. For the dynamical analysis the noisy signals captured from the system are filtered through wavelets. Several tests are developed that demonstrate the coherence of the results.

Using fractional derivatives for the joint ontrol of hexapod robots

This article studies several Fractional Order Control algorithms used for joint control of a hexapod robot. Both Padé and series approximations to the fractional derivative are considered for the control algorithm. The walking performance is evaluated through two indices: The mean absolute density of energy used per unit distance travelled, and the control effort. A set of simulation experiments reveals the influence of the different approximations upon the proposed indices. The results show that the fractional proportional and derivative algorithm, implemented using the Padé approximation with a small number of terms, gives the best results.

A historical perspective of legged robots

The objective of this paper is to present the evolution and the state-of-the-art in the area of legged locomotion systems. In a first phase different possibilities for implementing mobile robots are discussed, namely the case of artificial legged locomotion systems, while emphasizing their advantages and limitations. In a second phase a historical overview of the evolution of these systems is presented, bearing in mind several particular cases often considered as milestones of technological and scientific progress. After this historical timeline, some of the present-day systems are examined and their performance is analyzed. In a third phase the major areas of research and development that are presently being followed in the construction of legged robots are pointed out. Finally, some still unsolved problems that remain defying robotics research, are also addressed.

On-line self-healing of circuits implemented on reconfigurable FPGAs

To boost logic density and reduce per unit power consumption SRAM-based FPGAs manufacturers adopted nanometric technologies. However, this technology is highly vulnerable to radiation-induced faults, which affect values stored in memory cells, and to manufacturing imperfections. Fault tolerant implementations, based on Triple Modular Redundancy (TMR) infrastructures, help to keep the correct operation of the circuit. However, TMR is not sufficient to guarantee the safe operation of a circuit. Other issues like module placement, the effects of multi- bit upsets (MBU) or fault accumulation, have also to be addressed. In case of a fault occurrence the correct operation of the affected module must be restored and/or the current state of the circuit coherently re-established. A solution that enables the autonomous restoration of the functional definition of the affected module, avoiding fault accumulation, re-establishing the correct circuit state in real-time, while keeping the normal operation of the circuit, is presented in this paper.

A framework for self-healing radiation-tolerant implementations on reconfigurable FPGAs

To increase the amount of logic available in SRAM-based FPGAs manufacturers are using nanometric technologies to boost logic density and reduce prices. However, nanometric scales are highly vulnerable to radiation-induced faults that affect values stored in memory cells. Since the functional definition of FPGAs relies on memory cells, they become highly prone to this type of faults. Fault tolerant implementations, based on triple modular redundancy (TMR) infrastructures, help to keep the correct operation of the circuit. However, TMR is not sufficient to guarantee the safe operation of a circuit. Other issues like the effects of multi-bit upsets (MBU) or fault accumulation, have also to be addressed. Furthermore, in case of a fault occurrence the correct operation of the affected module must be restored and the current state of the circuit coherently re-established. A solution that enables the autonomous correct restoration of the functional definition of the affected module, avoiding fault accumulation, re-establishing the correct circuit state in realtime, while keeping the normal operation of the circuit, is presented in this paper.

Pulseira inteligente para aplicações industriais e de lazer

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes têm permitido o aparecimento de novos conceitos, ideias e projetos, que até aqui não passariam de filmes de ficção científica. Com a tecnologia atual, podem ser desenvolvidos pequenos dispositivos wearable com diversas interfaces, múltiplas conectividades, poder de processamento e autonomia. Permitindo desta forma, dar resposta à crescente necessidade de interação com os mais diversos equipamentos eletrónicos do dia-a-dia, melhorando o acesso e o fornecimento de informação. O principal objetivo deste trabalho passa assim por demonstrar e implementar um conceito que permita estreitar e facilitar a interação entre o utilizador e o mundo que o rodeia, quer em ambientes domésticos quer industriais. Para isso foi projetado e implementado um dispositivo wearable (para utilização no pulso) baseado numa arquitetura de hardware e software capaz de correr diferentes aplicações, tais como extensão de alertas de um smartphone, crowdsourcing de informações meteorológicas, manutenção e inspeção industrial e monitorização remota de forças de segurança. Os resultados obtidos demonstram que este conceito é viável tanto do ponto de vista técnico como funcional, evidenciando boas hipóteses para que estes conceitos, métodos e tecnologias possam ser integradas em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projetos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) bem como nos contextos industrial e de lazer.

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.

Projeto, desenvolvimento e implementação de um robô nadador de inspiração biológica

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, pertencente ao Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores, ramo de Automação e Sistemas, do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Este trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica no meio aquático. Pretendeu-se com este trabalho desenvolver e implementar um robô nadador de inspiração biológica. Inicialmente foi realizado um estudo acerca da locomoção dos peixes, para perceber a sua forma de se movimentar. Foi ainda efetuado um estudo acerca dos robôs nadadores existentes, de forma a verificar a sua constituição e formas de locomoção. Numa fase inicial foi desenvolvido um protótipo e, de seguida, procedeu-se à implementação do robô de uma forma sequencial. Implementou-se a estrutura do robô, com o objetivo de se assemelhar o mais possível com um peixe biológico. Foram utilizados servomotores para a locomoção do robô. Para que o robô possua a capacidade de se movimentar numa determinada direção recorreu-se à utilização de uma bússola digital. Posteriormente introduziu-se um emissor/recetor de radiofrequência (RF) para ligar/desligar o robô. Numa fase final procederam-se aos testes da locomoção do robô. Nos ensaios realizados verificou-se que o robô conseguiu nadar com estabilidade e com sentido de direção.

Navegação de robôs móveis por marcas artificiais em ambientes semi-estruturados

Mestrado em engenharia electrotécnica e de computadores - Área de Especialização de Sistemas Autónomos

Avaliação da eficiência energética e optimização de uma unidade de trigeração

Portugal é um país dependente da energia do exterior, devido à elevada percentagem de consumo de energia a partir de fontes primárias, como por exemplo o gasóleo. Para colmatar este cenário, têm vindo a criar-se incentivos para o uso de energias renováveis e para intensificação de medidas de eficiência energética, como os sistemas de cogeração, de forma a tornar os processos industriais nacionais mais autónomos e mais competitivos. O presente trabalho, centra-se na determinação do potencial térmico disponível na central de trigeração da empresa Monteiro, Ribas-Indústria, SA, com a finalidade de identificar a quantidade de energia não utilizada, com vista ao aproveitamento dessa mesma energia nos processos mais problemáticos da empresa. Verificou-se que a água líquida era a fonte de maior energia não aproveitada, representando cerca de 30%, relativamente à energia disponível na água de refrigeração que é de 1890 kW. Assim, perante este facto, fez-se um estudo em dois setores autónomos da empresa, o setor dos revestimentos e o setor dos componentes técnicos da borracha. Pretendeu-se propor medidas para melhorar os seus processos produtivos, aproveitando essa energia. Para o efeito foi projetado um permutador de calor de placas com necessidade energética de 131,4 MWh, no setor dos revestimentos e um permutador compacto no setor de produção de placas de borracha, necessitando de uma energia de 335,2 MWh. Face à energia disponível na central de trigeração, de 161,9 MWh, verifica-se que esta apenas poderá ser aproveitada no setor dos revestimentos. Para tornar este objetivo real, a empresa Monteiro, Ribas- Indústria, SA necessitaria de efetuar um investimento no total de 49.390€. Além disso, foi contabilizado o rendimento das caldeiras da central térmica e da cogeração, ambas pelo método direto, apresentando estas os valores de 72% e 42%, respectivamente.

Solving Conflicting Beliefs with a Distributed Belief Revision Approach

The ability to solve conflicting beliefs is crucial for multi- agent systems where the information is dynamic, incomplete and dis- tributed over a group of autonomous agents. The proposed distributed belief revision approach consists of a distributed truth maintenance sy- stem and a set of autonomous belief revision methodologies. The agents have partial views and, frequently, hold disparate beliefs which are au- tomatically detected by system’s reason maintenance mechanism. The nature of these conflicts is dynamic and requires adequate methodolo- gies for conflict resolution. The two types of conflicting beliefs addressed in this paper are Context Dependent and Context Independent Conflicts which result, in the first case, from the assignment, by different agents, of opposite belief statuses to the same belief, and, in the latter case, from holding contradictory distinct beliefs. The belief revision methodology for solving Context Independent Con- flicts is, basically, a selection process based on the assessment of the cre- dibility of the opposing belief statuses. The belief revision methodology for solving Context Dependent Conflicts is, essentially, a search process for a consensual alternative based on a “next best” relaxation strategy.

Environmental Decision Support: a Multi-Agent Approach

The environmental management domain is vast and encompasses many identifiable activities: impact assessment, planning, project evaluation, etc. In particular, this paper focusses on the modelling of the project evaluation activity. The environmental decision support system under development aims to provide assistance to project developers in the selection of adequate locations, guaranteeing the compliance with the applicable regulations and the existing development plans as well as satisfying the specified project requirements. The inherent multidisciplinarity features of this activity lead to the adoption of the Multi-Agent paradigm, and, in particular, to the modelling of the involved agencies as a community of cooperative autonomous agents, where each agency contributes with its share of problem solving to the final system’s recommendation. To achieve this behaviour the many conclusions of the individual agencies have to be justifiably accommodated: not only they may differ, but can be interdependent, complementary, irreconcilable, or simply, independent. We propose different solutions (involving both local and global consistency) to support the adequate merge of the distinct perspectives that inevitably arise during this type of decision making.

Improving Assumption based Distributed Belief Revision

Belief revision is a critical issue in real world DAI applications. A Multi-Agent System not only has to cope with the intrinsic incompleteness and the constant change of the available knowledge (as in the case of its stand alone counterparts), but also has to deal with possible conflicts between the agents’ perspectives. Each semi-autonomous agent, designed as a combination of a problem solver – assumption based truth maintenance system (ATMS), was enriched with improved capabilities: a distributed context management facility allowing the user to dynamically focus on the more pertinent contexts, and a distributed belief revision algorithm with two levels of consistency. This work contributions include: (i) a concise representation of the shared external facts; (ii) a simple and innovative methodology to achieve distributed context management; and (iii) a reduced inter-agent data exchange format. The different levels of consistency adopted were based on the relevance of the data under consideration: higher relevance data (detected inconsistencies) was granted global consistency while less relevant data (system facts) was assigned local consistency. These abilities are fully supported by the ATMS standard functionalities.

An Intelligent Distributed System for Environmental Management

Environmental management is a complex task. The amount and heterogeneity of the data needed for an environmental decision making tool is overwhelming without adequate database systems and innovative methodologies. As far as data management, data interaction and data processing is concerned we here propose the use of a Geographical Information System (GIS) whilst for the decision making we suggest a Multi-Agent System (MAS) architecture. With the adoption of a GIS we hope to provide a complementary coexistence between heterogeneous data sets, a correct data structure, a good storage capacity and a friendly user’s interface. By choosing a distributed architecture such as a Multi-Agent System, where each agent is a semi-autonomous Expert System with the necessary skills to cooperate with the others in order to solve a given task, we hope to ensure a dynamic problem decomposition and to achieve a better performance compared with standard monolithical architectures. Finally, and in view of the partial, imprecise, and ever changing character of information available for decision making, Belief Revision capabilities are added to the system. Our aim is to present and discuss an intelligent environmental management system capable of suggesting the more appropriate land-use actions based on the existing spatial and non-spatial constraints.