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.

Evolutionary trajectory optimization for redundant robots

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms have been investigated in the last years. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms. In this case the trajectory planning is formulated as an optimization problem with constraints.

Complex dynamics in the trajectory control of redundant manipulators

Redundant manipulators allow the trajectory optimization, the obstacle avoidance, and the resolution of singularities. For this type of manipulators, the kinematic control algorithms adopt generalized inverse matrices that may lead to unpredictable responses. Motivated by these problems this paper studies the complexity revealed by the trajectory planning scheme when controlling redundant manipulators. The results reveal fundamental properties of the chaotic phenomena and give a deeper insight towards the development of superior trajectory control algorithms.

Trajectory planning of redundant manipulators using genetic algorithms

The trajectory planning of redundant robots is an important area of research and efficient optimization algorithms are needed. This paper presents a new technique that combines the closed-loop pseudoinverse method with genetic algorithms. The results are compared with a genetic algorithm that adopts the direct kinematics. In both cases the trajectory planning is formulated as an optimization problem with constraints.

Fractional dynamics in the trajectory control of redundant manipulators

Under the pseudoinverse control, robots with kinematical redundancy exhibit an undesirable chaotic joint motion which leads to an erratic behavior. This paper studies the complexity of fractional dynamics of the chaotic response. Fourier and wavelet analysis provides a deeper insight, helpful to know better the lack of repeatability problem of redundant manipulators. This perspective for the study of the chaotic phenomena will permit the development of superior trajectory control algorithms.

Manipulator trajectory planning using a MOEA

Generating manipulator trajectories considering multiple objectives and obstacle avoidance is a non-trivial optimization problem. In this paper a multi-objective genetic algorithm based technique is proposed to address this problem. Multiple criteria are optimized considering up to five simultaneous objectives. Simulation results are presented for robots with two and three degrees of freedom, considering two and five objectives optimization. A subsequent analysis of the spread and solutions distribution along the converged non-dominated Pareto front is carried out, in terms of the achieved diversity.

Chaos Dynamics in the Trajectory Conjtrol of Redundant Manipulators

Nonlinear Dynamics, chaos, Control, and Their Applications to Engineering Sciences: Vol. 6 - Applications of nonlinear phenomena

Chaotic Phenomena and Performance Optimization in the Trajectory Control of Redundant Manipulators

Redundant manipulators have some advantages when compared with classical arms because they allow the trajectory optimization, both on the free space and on the presence of abstacles, and the resolution of singularities. For this type of manipulators, several kinetic algorithms adopt generalized inverse matrices. In this line of thought, the generalized inverse control scheme is tested through several experiments that reveal the difficulties that often arise. Motivated by theseproblems this paper presents a new method that ptimizes the manipulability through a least squre polynomialapproximation to determine the joints positions. Moreover, the article studies influence on the dynamics, when controlling redundant and hyper-redundant manipulators. The experiment confirm the superior performance of the proposed algorithm for redundant and hyper-redundant manipulators, revealing several fundamental properties of the chaotic phenomena, and gives a deeper insight towards the future development of superior trajectory control algorithms.

Geostatistical Mapping of Outfall Plume Dispersion Data gathered with an autonomous underwater vehicle

The main purpose of this study was to examine the applicability of geostatistical modeling to obtain valuable information for assessing the environmental impact of sewage outfall discharges. The data set used was obtained in a monitoring campaign to S. Jacinto outfall, located off the Portuguese west coast near Aveiro region, using an AUV. The Matheron’s classical estimator was used the compute the experimental semivariogram which was fitted to three theoretical models: spherical, exponential and gaussian. The cross-validation procedure suggested the best semivariogram model and ordinary kriging was used to obtain the predictions of salinity at unknown locations. The generated map shows clearly the plume dispersion in the studied area, indicating that the effluent does not reach the near by beaches. Our study suggests that an optimal design for the AUV sampling trajectory from a geostatistical prediction point of view, can help to compute more precise predictions and hence to quantify more accurately dilution. Moreover, since accurate measurements of plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future for validation of dispersion models.

O contributo da terapia ocupacional na análise dos ajustes posturais antecipatórios em crianças com 9 e 10 anos de idade, num sistema de captura de movimento - BioStage

O trabalho realizado teve como objetivo principal analisar os ajustes posturais antecipatórios que ocorrem durante o desempenho de uma tarefa motora fundamental (apanhar), em crianças entre os nove e os dez anos de idade, residentes no Porto e que apresentam um desenvolvimento normal com recurso ao sistema de captura e parametrização do movimento em tempo real BioStage ®. Como objetivo secundário pretendeu-se perceber de que forma este sistema pode ser uma ferramenta importante na prática clínica da terapia ocupacional. Para tal, realizou-se um estudo de natureza quantitativa e de carácter descritivo e recorreu-se a uma amostra de 12 crianças, utilizando o método de amostragem não probabilística por conveniência. A recolha de dados efetuou-se no sistema BioStage ® e foi pedido que realizassem quatro itens do subteste 5 do Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency (BOTMP) – receção bi e unilateral de uma bola com e sem ressalto no chão. Os resultados obtidos sugerem que as raparigas e as crianças mais novas demonstram ter menos estabilidade do tronco e pélvis ou menor capacidade de prever a trajetória da bola e que a receção unilateral foi mais difícil de efetuar pela maioria das crianças. Para concluir, refere-se que o BioStage ® mostra-se útil e é uma mais-valia, contribuindo de forma positiva para a prática da terapia ocupacional, uma vez que pode ser considerado como um complemento ao processo de avaliação pois faz uma análise detalhada, precisa e objetiva e identifica aspetos de difícil mensuração através da observação.

Sistema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas

A presente dissertação apresenta uma solução para o problema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas. O trabalho desenvolvido emprega técnicas provenientes da área da robótica móvel para obtenção um sistema autónomo móvel de modelização, capaz de operar em ambientes não estruturados sem acesso a sistemas de posicionamento global, designadamente GPS. Um sistema de modelização móvel e autónomo pode ser bastante vantajoso, pois constitui um método rápido e simples de monitorização das estruturas e criação de representações virtuais das galerias com um elevado nível de detalhe. O sistema de modelização desloca-se no interior dos túneis para recolher informações sensoriais sobre a geometria da estrutura. A tarefa de organização destes dados com vista _a construção de um modelo coerente, exige um conhecimento exacto do percurso praticado pelo sistema, logo o problema de localização da plataforma sensorial tem que ser resolvido. A formulação de um sistema de localização autónoma tem que superar obstáculos que se manifestam vincadamente nos ambientes underground, tais como a monotonia estrutural e a já referida ausência de sistemas de posicionamento global. Neste contexto, foi abordado o conceito de SLAM (Simultaneous Loacalization and Mapping) para determinação da localização da plataforma sensorial em seis graus de liberdade. Seguindo a abordagem tradicional, o núcleo do algoritmo de SLAM consiste no filtro de Kalman estendido (EKF { Extended Kalman Filter ). O sistema proposto incorpora métodos avançados do estado da arte, designadamente a parametrização em profundidade inversa (Inverse Depth Parametrization) e o método de rejeição de outliers 1-Point RANSAC. A contribuição mais importante do método por nós proposto para o avanço do estado da arte foi a fusão da informação visual com a informação inercial. O algoritmo de localização foi testado com base em dados reais, adquiridos no interior de um túnel rodoviário. Os resultados obtidos permitem concluir que, ao fundir medidas inerciais com informações visuais, conseguimos evitar o fenómeno de degeneração do factor de escala, comum nas aplicações de localização através de sistemas puramente monoculares. Provámos simultaneamente que a correcção de um sistema de localização inercial através da consideração de informações visuais é eficaz, pois permite suprimir os desvios de trajectória que caracterizam os sistemas de dead reckoning. O algoritmo de modelização, com base na localização estimada, organiza no espaço tridimensional os dados geométricos adquiridos, resultando deste processo um modelo em nuvem de pontos, que posteriormente _e convertido numa malha triangular, atingindo-se assim uma representação mais realista do cenário original.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Para uma leitura não biográfica da obra de Mário de Sá Carneiro (e uma apreciação de o modernismo em Mário de Sá-Carneiro de Fernando Cabral Martins)

Este artigo pretende sublinhar a importância de entender a obra de Mário de Sá- Carneiro através de uma leitura atenta da sua produção literária que não procura provas da “veracidade” dessa leitura na biografia do poeta do Orpheu. Partindo de uma análise do trabalho crítico de Fernando Cabral Martins, levanta-se a problemática de deturpar uma análise de crítica literária com abordagens influenciadas por normas de história da literatura que inserem a obra no seu contexto histórico, o que tem sido o caso na recepção da obra de Sá-Carneiro, onde o mito do autor tende a ofuscar o seu legado literário. Assim, este artigo questiona se em O Modernismo em Mário de Sá-Carneiro, Fernando Cabral Martins consegue libertar a obra sá-carneiriana da sombra do poeta biográfico, e oferece uma avaliação panorâmica da tradição crítica dedicada ao autor, apontando para casos de interpretações que se prenderam com questões que ficam para fora do texto, como tem sido o caso com a natureza homossexual da obra e do homem.

Shane Meadows’ country: analysis of the film this is England (2006)

This Is England is social realist film portraying racism and poverty in 1980s Britain through the eyes of Shaun, a 12 year old boy, who has lost his father in the Falklands war and as to come to terms with his own identity, the difficult transition from childhood to adolescence and the need to fit in a determined group/tribe/gang. The following article aims at analysing relevant aspects depicted from the film emphasizing the so much debated reality of life during 80s. In This is England Shane Meadows manages to rediscover his own self geography, by revisiting his adolescent years. It is a biographical film about the importance of peer pressure and the results of an excess of nationalism, at the same time it typifies some issues related to the 80s youth culture.

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.