Design of the ISePorto robocup Middle-Size League Robotic Soccer Team: Control, Localisation and Coordination

Proceedings of the 10th Mediterranean Conference on Control and Automation - MED2002 Lisbon, Portugal, July 9-12, 2002

Control and Localisation for the ISePorto Robotic Soccer Team

International Conference on Advanced Robotics, Coimbra, Portugal, Julho 2003

ISePorto Robotic Soccer Team: A New Player Generation

Proceedings of the Scientific Meeting of the Portuguese Robotics Open 2004

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.

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 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.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Testes de resistência, flexibilidade, e ativação/controlo muscular da região lombo pélvica em futebolistas amadores com e sem dor lombar

Introdução: A dor lombar é comum manifestar-se em atletas de futebol, pelo que se torna importante utilizar testes clínicos como forma de detetar alterações que estejam associadas à presença de dor lombar. Objetivo: Identificar a relação entre a presença de dor lombar e os testes de resistência, flexibilidade e ativação/controlo muscular da região lombo pélvica em futebolistas com e sem dor lombar. Métodos: Realizou-se o presente estudo transversal numa amostra de 25 futebolistas amadores, dos quais 8 apresentavam dor lombar. Foi avaliada a resistência e os rácios dos músculos globais do tronco, a flexibilidade dos flexores e extensores da anca bem como a ativação/controlo dos músculos transverso do abdómen e multífidos. Resultados: Os atletas com lombalgia apresentaram uma diminuição significativa do tempo de resistência muscular dos vários grupos musculares do tronco e da flexibilidade muscular comparativamente aos atletas sem lombalgia. Foi também identificado um aumento significativo no rácio flexores/extensores do tronco. Relativamente aos testes de ativação muscular, não foram encontradas associações com a presença de dor lombar. Conclusão: A aplicação de testes de resistência e flexibilidade parece diferenciar os indivíduos com e sem dor lombar, não se tendo verificado o mesmo quanto à ativação do transverso do abdómen e dos multífidos.

A Real Time Vision System for Autonomous Systems: Characterization during a Middle Size Match

in RoboCup 2007: Robot Soccer World Cup XI

Ball Sensing in a Leg Like Robotic Kicker

The trend to have more cooperative play and the increase of game dynamics in Robocup MSL League motivates the improvement of skills for ball passing and reception. Currently the majority of the MSL teams uses ball handling devices with rollers to have more precise kicks but limiting the capability to kick a moving ball without stopping it and grabbing it. This paper addresses the problem to receive and kick a fast moving ball without having to grab it with a roller based ball handling device. Here, the main difficulty is the high latency and low rate of the measurements of the ball sensing systems, based in vision or laser scanner sensors.Our robots use a geared leg coupled to a motor that acts simultaneously as the kicking device and low level ball sensor. This paper proposes a new method to improve the capability for ball sensing in the kicker, by combining high rate measurements from the torque and energy in the motor and angular position of the kicker leg. The developed method endows the kicker device with an effective ball detection ability, validated in several game situations like in an interception to a fast pass or when chasing the ball where the relative speed from robot to ball is low. This can be used to optimize the kick instant or by the embedded kicker control system to absorb the ball energy.

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Método de correspondência para sistemas de visão multi-câmara

Os sistemas de perceção visual são das principais fontes de informação sensorial utilizadas pelos robôs autónomos, para localização e navegação em diferentes meios de operação. O objetivo passa por obter uma grande quantidade de informação sobre o ambiente que a câmara está a visualizar, processar e extrair informação que permita realizar as tarefas de uma forma e ciente. Uma informação em particular que os sistemas de visão podem fornecer, e a informação tridimensional acerca do meio envolvente. Esta informação pode ser adquirida recorrendo a sistemas de visão monoculares ou com múltiplas câmaras. Nestes sistemas a informação tridimensional pode ser obtida recorrendo a técnica de triangulação, tirando partido do conhecimento da posição relativa entre as câmaras. No entanto, para calcular as coordenadas de um ponto tridimensional no referencial da câmara e necessário existir correspondência entre pontos comuns às imagens adquiridas pelo sistema. No caso de más correspondências a informação 3D e obtida de forma incorreta. O problema associado à correspondência de pontos pode ser agravado no caso das câmaras do sistema terem características intrínsecas diferentes nomeadamente: resolução, abertura da lente, distorção. Outros fatores como as orientações e posições das câmaras também podem condicionar a correspondência de pontos. Este trabalho incide sobre problemática de correspondência de pontos existente no processo de cálculo da informação tridimensional. A presente dissertação visa o desenvolvimento de uma abordagem de correspondência de pontos para sistemas de visão no qual é conhecida a posição relativa entre câmaras.