Sistema de Visão Stereo Ativo aplicado aos robôs do ISePorto

A presente dissertação endereça o desenvolvimento de um sistema de visão stereo ativo para os robôs de futebol robótico da equipa ISePorto do ISEP, de modo a que estes tirem o máximo partido das câmaras rotativas neles existentes. Este trabalho surge da necessidade de melhorar a capacidade de perceção do ambiente por parte dos robôs, principalmente da perceção da bola quando não está no plano do campo e dos robôs adversários. Esta necessidade surge devido ao aumento da dinâmica que se tem vindo a veri car ultimamente nas competições. Para tal, foram estudados algumas trabalhos relacionados no que diz respeito a sistemas de visão stereo com baselines variáveis e eixos de rotação em ambas as câmaras, bem como fundamentos de visão stereo. Foi proposta uma arquitetura para o sistema de visão ativo de modo a ser aplicado em qualquer robô da equipa MSL (Middle Size League). Para tornar possível a implementação desta arquitetura foi desenvolvido um procedimento para a calibração e determinação em tempo real dos parâmetros extrínsecos do par stereo em função da posição angular dos eixos rotativos do robô. O sistema de visão foi também dotado de capacidade de sincronismo e foram implementadas funcionalidades ao nível de software que possibilitam a deteção de objetos na imagem, a correspondência de objetos presentes nas imagens de ambas as câmaras e consequentemente a determinação das posições tridimensionais desses objetos relativamente ao robô. O sistema desenvolvido foi testado e validado em cenário MSL ao nível de perceção da bola, robôs adversários e linhas do campo. Os resultados obtidos apresentam uma melhoria signi cativa, face à implementação atual dos robôs, na perceção tridimensional da bola quando não está no plano do campo, e dos robôs adversários.

A multi-objective approach for the motion planning of redundant manipulators

Kinematic redundancy occurs when a manipulator possesses more degrees of freedom than those required to execute a given task. Several kinematic techniques for redundant manipulators control the gripper through the pseudo-inverse of the Jacobian, but lead to a kind of chaotic inner motion with unpredictable arm configurations. Such algorithms are not easy to adapt to optimization schemes and, moreover, often there are multiple optimization objectives that can conflict between them. Unlike single optimization, where one attempts to find the best solution, in multi-objective optimization there is no single solution that is optimum with respect to all indices. Therefore, trajectory planning of redundant robots remains an important area of research and more efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique to solve the inverse kinematics of redundant manipulators, using a multi-objective genetic algorithm. This scheme combines the closed-loop pseudo-inverse method with a multi-objective genetic algorithm to control the joint positions. Simulations for manipulators with three or four rotational joints, considering the optimization of two objectives in a workspace without and with obstacles are developed. The results reveal that it is possible to choose several solutions from the Pareto optimal front according to the importance of each individual objective.

Multi-criteria optimization manipulator trajectory planning

In the last twenty years genetic algorithms (GAs) were applied in a plethora of fields such as: control, system identification, robotics, planning and scheduling, image processing, and pattern and speech recognition (Bäck et al., 1997). In robotics the problems of trajectory planning, collision avoidance and manipulator structure design considering a single criteria has been solved using several techniques (Alander, 2003). Most engineering applications require the optimization of several criteria simultaneously. Often the problems are complex, include discrete and continuous variables and there is no prior knowledge about the search space. These kind of problems are very more complex, since they consider multiple design criteria simultaneously within the optimization procedure. This is known as a multi-criteria (or multiobjective) optimization, that has been addressed successfully through GAs (Deb, 2001). The overall aim of multi-criteria evolutionary algorithms is to achieve a set of non-dominated optimal solutions known as Pareto front. At the end of the optimization procedure, instead of a single optimal (or near optimal) solution, the decision maker can select a solution from the Pareto front. Some of the key issues in multi-criteria GAs are: i) the number of objectives, ii) to obtain a Pareto front as wide as possible and iii) to achieve a Pareto front uniformly spread. Indeed, multi-objective techniques using GAs have been increasing in relevance as a research area. In 1989, Goldberg suggested the use of a GA to solve multi-objective problems and since then other researchers have been developing new methods, such as the multi-objective genetic algorithm (MOGA) (Fonseca & Fleming, 1995), the non-dominated sorted genetic algorithm (NSGA) (Deb, 2001), and the niched Pareto genetic algorithm (NPGA) (Horn et al., 1994), among several other variants (Coello, 1998). In this work the trajectory planning problem considers: i) robots with 2 and 3 degrees of freedom (dof ), ii) the inclusion of obstacles in the workspace and iii) up to five criteria that are used to qualify the evolving trajectory, namely the: joint traveling distance, joint velocity, end effector / Cartesian distance, end effector / Cartesian velocity and energy involved. These criteria are used to minimize the joint and end effector traveled distance, trajectory ripple and energy required by the manipulator to reach at destination point. Bearing this ideas in mind, the paper addresses the planning of robot trajectories, meaning the development of an algorithm to find a continuous motion that takes the manipulator from a given starting configuration up to a desired end position without colliding with any obstacle in the workspace. The chapter is organized as follows. Section 2 describes the trajectory planning and several approaches proposed in the literature. Section 3 formulates the problem, namely the representation adopted to solve the trajectory planning and the objectives considered in the optimization. Section 4 studies the algorithm convergence. Section 5 studies a 2R manipulator (i.e., a robot with two rotational joints/links) when the optimization trajectory considers two and five objectives. Sections 6 and 7 show the results for the 3R redundant manipulator with five goals and for other complementary experiments are described, respectively. Finally, section 8 draws the main conclusions.

Adhesion and wear behaviour of NCD coatings on Si3N4 by micro-abrasion tests

Nanocrystalline diamond (NCD) coatings offer an excellent alternative for tribological applications, preserving most of the intrinsic mechanical properties of polycrystalline CVD diamond and adding to it an extreme surface smoothness. Silicon nitride (Si3N4) ceramics are reported to guarantee high adhesion levels to CVD microcrystalline diamond coatings, but the NCD adhesion to Si3N4 is not yet well established. Micro-abrasion tests are appropriate for evaluating the abrasive wear resistance of a given surface, but they also provide information on thin film/substrate interfacial resistance, i.e., film adhesion. In this study, a comparison is made between the behaviour of NCD films deposited by hot-filament chemical vapour deposition (HFCVD) and microwave plasma assisted chemical vapour deposition (MPCVD) techniques. Silicon nitride (Si3N4) ceramic discs were selected as substrates. The NCD depositions by HFCVD and MPCVD were carried out using H2–CH4 and H2–CH4–N2 gas mixtures, respectively. An adequate set of growth parameters was chosen for each CVD technique, resulting in NCD films having a final thickness of 5 m. A micro-abrasion tribometer was used, with 3 m diamond grit as the abrasive slurry element. Experiments were carried out at a constant rotational speed (80 r.p.m.) and by varying the applied load in the range of 0.25–0.75 N. The wear rate for MPCVD NCD (3.7±0.8 × 10−5 m3N−1m−1) is compatible with those reported for microcrystalline CVD diamond. The HFCVD films displayed poorer adhesion to the Si3N4 ceramic substrates than the MPCVD ones. However, the HFCVD films show better wear resistance as a result of their higher crystallinity according to the UV Raman data, despite evidencing premature adhesion failure.

Melhoria do processo produtivo

A dissertação descreve o levantamento e otimização do processo de fabrico de uma peça plástica para um automóvel. A otimização deste processo produtivo tem em vista a rentabilização de recursos humanos, a redução de custos associados e a redução de atividades ao longo do processo, tais como armazenamento de produto semiacabado, uma vez que este deixa de existir, a eliminação de fluxos logísticos e a eliminação do posto de montagem de componentes desta peça. A metodologia utilizada neste projeto centra-se na aplicação de ferramentas que permitem a análise e melhoria de processos produtivos, tais como o diagrama de processo, o diagrama spaghetti, o PDCA, a cronometragem dos tempos por tarefa e a aplicação de uma heurística para o balanceamento do futuro posto de trabalho da peça em estudo. O diagrama de processo, o diagrama de spaghetti e a cronometragem dos tempos por tarefas mostraram o estado atual do processo produtivo. Da análise do atual estado verifica-se que existe muito desperdício de mão-de-obra nas duas estações de trabalho, injeção e montagem. A eliminação do posto de trabalho exclusivo para montagem e junção dos processos de injeção e montagem no mesmo posto de trabalho, com a aplicação de uma heurística para balanceamento do novo posto de trabalho, demonstra que os ganhos são muito significativos. A aplicação do ciclo PDCA, na base da qual está a elaboração de um plano de ações, tornará esta mudança possível e bem-sucedida. A intenção deste projeto é demonstrar que o estado atual pode sempre ser melhorado se se usarem as ferramentas corretas para análise e proposta de melhorias que trarão ganhos à empresa a curto prazo. Usando esta sugestão, a empresa poderá dar início a um novo ciclo em que o espírito de melhoria esteja presente todos os dias em toda a organização.

A influência dos fileres no comportamento viscoso dos mastiques betuminosos

As estradas têm vindo a sofrer um aumento de importância, sendo necessário aplicar pavimentos com melhores características, assim foram desenvolvidos os mastiques betuminosos. Os mastiques são misturas de betume com filer, este material tem propriedades melhoradas em relação ao betume puro. O betume é um material viscoelástico, o que leva a que a viscosidade seja uma propriedade de vital importância estudar. A junção de fileres ao betume promove um aumento de viscosidade, levando a que esta propriedade reológica tenha ainda mais importância, principalmente porque a trabalhabilidade da mistura betuminosa fica comprometida quando a viscosidade não é a correta. Na realização desta dissertação foram realizados ensaios em mastiques betuminosos, com recurso ao viscosímetro rotativo de Brookfield. Os mastiques ensaiados são compostos com fileres de diferentes origens e com diferentes taxas de incorporação, e assim foram analisadas as diferenças obtidas nos valores da viscosidade dinâmica. Os resultados obtidos mostram que os mastiques, à temperatura de fabrico, têm um comportamento viscoso idêntico ao comportamento viscoso do betume puro. Apesar dos mastiques produzidos terem uma viscosidade maior que a do betume puro, o valor desta propriedade reológica tende a igualar ao valor do betume, este comportamento observa-se nas temperaturas mais elevadas. Quando se examinam os resultados dos mastiques produzidos com menor quantidade de filer, na generalidade, os valores da viscosidade obtidos são idênticos. Para taxas de incorporação maiores, os valores da viscosidade dinâmica dos mastiques produzidos são bastante mais altos e distintos. Levando a concluir que quanto maior a percentagem de filer no mastique, maior o valor da viscosidade e maior dispersão dos resultados obtidos, isto para os fileres e taxas de incorporação testadas.