Construção de um robô trepador com locomoção através de rodas e adesão através de meios magnéticos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Adaptação ocupacional de indivíduos obesos a partir dos conceitos de identidade e competência ocupacional: associação com os níveis de atividade física e os valores máximos de pressão plantar

A Obesidade é considerada um grave problema de saúde pública, com consequências negativas para os indivíduos obesos, nomeadamente dificuldades no desempenho de atividades de vida diária, na locomoção e na prática de exercício físico, o que pode restringir a participação em atividades sociais e de lazer. Esta investigação consiste num estudo quantitativo descritivo e tem como objetivo principal descrever de que forma os indivíduos adultos obesos classificam a sua adaptação ocupacional, a partir dos conceitos de identidade e competência ocupacional. Com este estudo, pretende-se ainda verificar se os indivíduos obesos apresentam níveis de atividade física mais baixos e valores mais elevados de pressão plantar, em relação a indivíduos com peso normal. A amostra é constituída por dez indivíduos adultos, de ambos os sexos, com índice de massa corporal igual (IMC) ou superior a 30 Kg/m2, e os instrumentos de avaliação utilizados são o Questionário Ocupacional (adaptado por N. Riopel com assistência de G. Kielhofner e J. Hawkins Watts – 1986), o IPAQ – Versão Curta e o Sistema de Palmilhas Pedar. A partir dos resultados, pode-se verificar que os indivíduos obesos apresentam uma rotina diária em que a maioria das atividades realizadas está relacionada com a casa, o trabalho e o descanso e que a percentagem de atividades de lazer em que participam é reduzida. No entanto, parecem satisfeitos com o seu desempenho na maior parte das atividades, consideram que muitas delas são importantes para si e estão motivados para as realizar. Dos resultados obtidos, podemos sugerir que os indivíduos obesos apresentam boa adaptação ocupacional. Pode-se ainda dizer que os indivíduos obesos apresentam um baixo nível de intensidade de atividade física, não se observando diferenças significativas relativamente aos indivíduos com peso normativo e que os seus valores máximos de pressão plantar normalizados são inferiores quando comparados com a população de peso normal.

Alterações da curvatura da coluna vertebral: influência da fisioterapia, a nível neuromuscular

Mestrado em Fisioterapia

Necessidades dos idosos do concelho da Praia da Vitória em cuidados continuados domiciliários

Dissertação de Mestrado em Gerontologia Social

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

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.

Biomechanical modeling and simulation of the spider crab (maja brachydactyla)

Uma linha de pesquisa e desenvolvimento na área da robótica, que tem recebido atenção crescente nos últimos anos, é o desenvolvimento de robôs biologicamente inspirados. A ideia é adquirir conhecimento de seres biológicos, cuja evolução ocorreu ao longo de milhões de anos, e aproveitar o conhecimento assim adquirido para implementar a locomoção pelos mesmos métodos (ou pelo menos usar a inspiração biológica) nas máquinas que se constroem. Acredita-se que desta forma é possível desenvolver máquinas com capacidades semelhantes às dos seres biológicos em termos de capacidade e eficiência energética de locomoção. Uma forma de compreender melhor o funcionamento destes sistemas, sem a necessidade de desenvolver protótipos dispendiosos e com longos tempos de desenvolvimento é usar modelos de simulação. Com base nestas ideias, o objectivo deste trabalho passa por efectuar um estudo da biomecânica da santola (Maja brachydactyla), uma espécie de caranguejo comestível pertencente à família Majidae de artrópodes decápodes, usando a biblioteca de ferramentas SimMechanics da aplicação Matlab / Simulink. Esta tese descreve a anatomia e locomoção da santola, a sua modelação biomecânica e a simulação do seu movimento no ambiente Matlab / SimMechanics e SolidWorks.

A literature review on the optimization of legged robots

Over the last two decades the research and development of legged locomotion robots has grown steadily. Legged systems present major advantages when compared with ‘traditional’ vehicles, because they allow locomotion in inaccessible terrain to vehicles with wheels and tracks. However, the robustness of legged robots, and especially their energy consumption, among other aspects, still lag behind mechanisms that use wheels and tracks. Therefore, in the present state of development, there are several aspects that need to be improved and optimized. Keeping these ideas in mind, this paper presents the review of the literature of different methods adopted for the optimization of the structure and locomotion gaits of walking robots. Among the distinct possible strategies often used for these tasks are referred approaches such as the mimicking of biological animals, the use of evolutionary schemes to find the optimal parameters and structures, the adoption of sound mechanical design rules, and the optimization of power-based indexes.

Sistema de animação de personagens virtuais para comunicação não verbal

O principal objectivo da animação de personagens virtuais é o de contar uma história através da utilização de personagens virtuais emocionalmente expressivos. Os personagens têm personalidades distintas, e transmitem as suas emoções e processos de pensamento através dos seus comportamentos (comunicação não verbal). As suas acções muitas das vezes constituem a geração de movimentos corporais complexos. Existem diversas questões a considerar quando se anima uma entidade complexa, tais como, a posição das zonas móveis e as suas velocidades. Os personagens virtuais são um exemplo de entidades complexas e estão entre os elementos mais utilizados em animação computacional. O foco desta dissertação consistiu na criação de uma proposta de sistema de animação de personagens virtuais, cujos movimentos e expressões faciais são capazes de transmitir emoções e estados de espírito. Os movimentos primários, ou seja os movimentos que definem o comportamento dos personagens, são provenientes da captura de movimentos humanos (Motion Capture). As animações secundárias, tais como as expressões faciais, são criadas em Autodesk Maya recorrendo à técnica BlendShapes. Os dados obtidos pela captura de movimentos, são organizados numa biblioteca de comportamentos através de um grafo de movimentos, conhecido por Move Tree. Esta estrutura permite o controlo em tempo real dos personagens através da gestão do estado dos personagens. O sistema possibilita também a transição eficaz entre movimentos semelhantes e entre diferentes velocidades de locomoção, minimizando o efeito de arrastamento de pés conhecido como footskate. Torna-se assim possível definir um trajecto que o personagem poderá seguir com movimentos suaves. Estão também disponíveis os resultados obtidos nas sessões de avaliação realizadas, que visaram a determinação da qualidade das transições entre animações. Propõem-se ainda o melhoramento do sistema através da implementação da construção automática do grafo de movimentos.

Contributo para a validação de uma escala pediátrica, Peabody Developmental Motor Scale-2 (versão portuguesa)

Mestrado em Fisioterapia

Relevant elderly gait features for functional fitness level grouping

Locomotor tasks characterization plays an important role in trying to improve the quality of life of a growing elderly population. This paper focuses on this matter by trying to characterize the locomotion of two population groups with different functional fitness levels (high or low) while executing three different tasks-gait, stair ascent and stair descent. Features were extracted from gait data, and feature selection methods were used in order to get the set of features that allow differentiation between functional fitness level. Unsupervised learning was used to validate the sets obtained and, ultimately, indicated that it is possible to distinguish the two population groups. The sets of best discriminate features for each task are identified and thoroughly analysed. Copyright © 2014 SCITEPRESS - Science and Technology Publications. All rights reserved.

Complex order biped rhythms

Animal locomotion is a complex process, involving the central pattern generators (neural networks, located in the spinal cord, that produce rhythmic patterns), the brainstem command systems, the steering and posture control systems and the top layer structures that decide which motor primitive is activated at a given time. Pinto and Golubitsky studied an integer CPG model for legs rhythms in bipeds. It is a four-coupled identical oscillators' network with dihedral symmetry. This paper considers a new complex order central pattern generator (CPG) model for locomotion in bipeds. A complex derivative Dα±jβ, with α, β ∈ ℜ+, j = √-1, is a generalization of the concept of an integer derivative, where α = 1, β = 0. Parameter regions where periodic solutions, identified with legs' rhythms in bipeds, occur, are analyzed. Also observed is the variation of the amplitude and period of periodic solutions with the complex order derivative.

Control and dynamics of fractional order systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

In-shoe plantar pressures and ground reaction forces during overweight adults' overground walking

Purpose: Because walking is highly recommended for prevention and treatment of obesity and some of its biomechanical aspects are not clearly understood for overweight people, we compared the absolute and normalized ground reaction forces (GRF), plantar pressures, and temporal parameters of normal-weight and overweight participants during overground walking. Method: A force plate and an in-shoe pressure system were used to record GRF, plantar pressures (foot divided in 10 regions), and temporal parameters of 17 overweight adults and 17 gender-matched normal-weight adults while walking. Results: With high effect sizes, the overweight participants showed higher absolute medial-lateral and vertical GRF and pressure peaks in the central rearfoot, lateral midfoot, and lateral and central forefoot. However, analyzing normalized (scaled to body weight) data, the overweight participants showed lower vertical and anterior-posterior GRF and lower pressure peaks in the medial rearfoot and hallux, but the lateral forefoot peaks continued to be greater compared with normal-weight participants. Time of occurrence of medial-lateral GRF and pressure peaks in the midfoot occurred later in overweight individuals. Conclusions: The overweight participants adapted their gait pattern to minimize the consequences of the higher vertical and propulsive GRF in their musculoskeletal system. However, they were not able to improve their balance as indicated by medial-lateral GRF. The overweight participants showed higher absolute pressure peaks in 4 out of 10 foot regions. Furthermore, the normalized data suggest that the lateral forefoot in overweight adults was loaded more than the proportion of their extra weight, while the hallux and medial rearfoot were seemingly protected.