Decentralized Target Tracking based on Multi-Robot Cooperative Triangulation

Target tracking with bearing-only sensors is a challenging problem when the target moves dynamically in complex scenarios. Besides the partial observability of such sensors, they have limited field of views, occlusions can occur, etc. In those cases, cooperative approaches with multiple tracking robots are interesting, but the different sources of uncertain information need to be considered appropriately in order to achieve better estimates. Even though there exist probabilistic filters that can estimate the position of a target dealing with incertainties, bearing-only measurements bring usually additional problems with initialization and data association. In this paper, we propose a multi-robot triangulation method with a dynamic baseline that can triangulate bearing-only measurements in a probabilistic manner to produce 3D observations. This method is combined with a decentralized stochastic filter and used to tackle those initialization and data association issues. The approach is validated with simulations and field experiments where a team of aerial and ground robots with cameras track a dynamic target.

Vision-Based Assisted Teleoperation for Inspection Tasks with a Small ROV

It is well-known that ROVs require human intervention to guarantee the success of their assignment, as well as the equipment safety. However, as its teleoperation is quite complex to perform, there is a need for assisted teleoperation. This study aims to take on this challenge by developing vision-based assisted teleoperation maneuvers, since a standard camera is present in any ROV. The proposed approach is a visual servoing solution, that allows the user to select between several standard image processing methods and is applied to a 3-DOF ROV. The most interesting characteristic of the presented system is the exclusive use of the camera data to improve the teleoperation of an underactuated ROV. It is demonstrated through the comparison and evaluation of standard implementations of different vision methods and the execution of simple maneuvers to acquire experimental results, that the teleoperation of a small ROV can be drastically improved without the need to install additional sensors.

Multi-robot cooperative stereo for outdoor scenarios

13th International Conference on Autonomous Robot Systems (Robotica), 2013

Simulation Environment for Multi-Robot Cooperative 3D Target Perception

4th International Conference, SIMPAR 2014, Bergamo, Italy, October 20-23, 2014

Uncertainty based Multi-Robot Cooperative Triangulation

The paper presents a multi-robot cooperative framework to estimate the 3D position of dynamic targets, based on bearing-only vision measurements. The uncertainty of the observation provided by each robot equipped with a bearing-only vision system is effectively addressed for cooperative triangulation purposes by weighing the contribution of each monocular bearing ray in a probabilistic manner. The envisioned framework is evaluated in an outdoor scenario with a team of heterogeneous robots composed of an Unmanned Ground and Aerial Vehicle.

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.

Simulação de Robôs Quadrúpedes Utilizando o SimMechanics

Desde sempre o Homem procurou automatizar tarefas repetitivas. Tanto na indústria como no sector doméstico ou de comércio estão constantemente a surgir novos equipamentos procurando aumentar o nível de automação de diversas tarefas. A necessidade de empresas criadoras de produtos inovadores se manterem concorrenciais obrigou à adopção de métodos de projecto e planeamento mais estruturados e eficientes que eliminem os desperdícios tanto de material como de tempo. Diversas construções em termos orçamentais e o aumento da procura de produtos de alta qualidade a baixo custo deu origem a um novo tipo de programas, os programas de simulação virtual. Tal como na indústria, também na investigação nas Instituições de Ensino Superior se procuram adoptar os métodos de trabalho mais eficientes possíveis. Uma parte dos programas de simulação robótica utilizados hoje em dia na investigação no Instituto Superior de Engenharia do Porto estão concebidos em linguagem C. Embora esta linguagem seja extremamente capaz, existem métodos mais adequados de simulação que aceleram o processo de modelação permitindo a visualização do movimento e simulação de diversas situações potencialmente criticas sem existir a necessidade de construção de um protótipo funcional do robô. Durante o último ano, este projecto permitiu construir um modelo de um robô quadrúpede num programa de simulação virtual chamado Simmechanics™. Embora haja já algum trabalho desenvolvido nesta área, constatou-se que a informação existente possuía algumas lacunas. Com o trabalho desenvolvido preparou-se esta dissertação que pretende clarificar algumas questões que surgem na modelação de um robô. Neste documento explica-se como modelar um robô de corpo flexível, modelar as pernas e as respectivas juntas da anca e do joelho assim como também se apresenta a modelação de um contacto com o solo recorrendo a um modelo descrito na literatura. Este documento foi escrito a pensar no leitor, procurando-se explicar de forma simples mas concisa os diversos passos necessários para construir um modelo virtual de um robô. O autor espera, desta forma, ajudar futuros colegas que pretendam trabalhar com o Simmechanics™ a mais facilmente se integrarem com o programa aumentando desta forma o declive da curva de aprendizagem e permitindo um maior aproveitamento desta ferramenta.

Towards Human-like Bimanual Movements in Anthropomorphic Robots: A Nonlinear Optimization Approach

Previously we have presented a model for generating human-like arm and hand movements on an unimanual anthropomorphic robot involved in human-robot collaboration tasks. The present paper aims to extend our model in order to address the generation of human-like bimanual movement sequences which are challenged by scenarios cluttered with obstacles. Movement planning involves large scale nonlinear constrained optimization problems which are solved using the IPOPT solver. Simulation studies show that the model generates feasible and realistic hand trajectories for action sequences involving the two hands. The computational costs involved in the planning allow for real-time human robot-interaction. A qualitative analysis reveals that the movements of the robot exhibit basic characteristics of human movements.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. 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.

Development of advanced human robot interaction systems

O trabalho aqui apresentado é a Dissertação da minha Tese do curso de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do ISEP, realizada em parceria com o INESC TEC. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema avançado de interação entre homem-robô, usando ferramentas de software livres e de domínio público e hardware pouco dispendioso e facilmente acessível. Pretende-se que o sistema desenvolvido possa ser adotado por pequenas ou micro empresas, daí a restrição monetária. Este tipo de empresas tem, por norma, uma capacidade de investimento pequena, e ficam impossibilitadas de aceder a este tipo de sistemas automatizados se estes forem caros. No entanto, o robô continua a ser um componente fundamental, sendo dispendioso. Os trabalhos realizados pelos sistemas robóticos podem por um lado, ser repetitivos sem necessidade de grandes ajustes; por outro lado, o trabalho a realizar pode ser bastante diverso, sendo necessários bastantes ajustes com (possivelmente) programação do robô. As empresas podem não ter disponível mão-de-obra qualificada para realização da programação do robô. Pretende-se então um sistema de “ensino” que seja simples e rápido. Este trabalho pretende satisfazer as necessidades de um sistema de interação homem-robô intuitivo mesmo para operadores que não estejam familiarizados com a robótica. Para simplificar a transferência de informação da tarefa a desempenhar pelo sistema robótico é usado um sistema de infravermelhos para delinear a operação a desempenhar, neste caso concreto uma operação de soldadura. O operador usa um apontador com marcadores, a posição destes marcadores é detetada usando duas câmaras para permitir o posicionamento tridimensional no espaço. As câmaras possuem filtros infravermelhos para separar o espectro de luz. Para o controlo do sistema e interface com o robô é usado um computador de baixos recursos computacionais e energéticos, e também de baixo custo. O sistema desenvolvido é portanto computacionalmente leve para poder ser executado neste computador.

Melhoria e automação de linhas de montagem

Hoje em dia, e com os avanços tecnológicos a surgirem de forma constante, existem novas áreas que têm de ser consideradas com um foco importante por parte de todas as organizações, sendo uma delas a robótica industrial. Motivada em aumentar o seu output, as condições de trabalho para os seus colaboradores, bem como todas as condições de organização da logística interna, a Grohe Portugal, mais especificamente o departamento da montagem, achou relevante fazer um estudo de métodos e tempos, calculando os ganhos potenciais de aumento de output com introdução de robótica nas linhas dos cartuchos. Os objetivos principais seriam então, fazer uma restruturação de todo o layout dessas linhas, tendo como foco automatizar alguma(s) operação(ões), conseguindo assim uma melhoria significativa do output dessas linhas com o menor payback possível. Posto isto, esta dissertação pretende apresentar o trabalho desenvolvido junto da Grohe Portugal, que teve como objetivo fazer os estudos e a automatização de linhas de montagem de cartuchos, bem como melhorar algumas linhas de montagem tendo em conta fatores ergonómicos. Relativamente à automatização da linha dos cartuchos, foi importante estudar todos os seguintes aspetos:  utilização de unidades robóticas;  ergonomia;  ganhos de produtividade;  automatizar ou semi-automatizar operações;  simplificar processos de montagem;  simplificar setups;  solicitar orçamentos;  elaborar caderno de encargos. Para a realização deste projeto, o trabalho desenvolvido foi decomposto em várias etapas, entre as quais se destacam:  análise e estudo dos métodos e sequências de montagem;  levantamento de todos os componentes e operações de montagem até à obtenção do cartucho final;  estudo de tempos de todas essas operações de montagem;  caraterização de um novo layout para as linhas com a introdução de unidades robóticas, tanto quanto possível, mais adequadas;  elaboração de caderno de encargos para ser enviado a empresas, para estas poderem apresentar uma orçamentação, bem como indicar as unidades robóticas mais adequadas para as tarefas pretendidas;  automatização da linha dos cartuchos. Relativamente ao projeto de novas linhas de montagem tendo em conta fatores ergonómicos, de forma a melhorar os sistemas de abastecimento e as condições de trabalho por parte dos operadores, foram postos em prática diferentes passos, nomeadamente:  identificação de todos os processos de montagem realizados pelos operadores na linha a melhorar;  estudo e definição da disposição dos componentes na nova linha, bem como a sua forma de abastecimento;  projeto da nova linha de montagem em 3D com recurso ao software SolidWorks;  realização prática da linha, acompanhando e ajudando a equipa da ferramentaria. O balanço final do trabalho foi bastante positivo, tanto na automatização das linhas de montagem dos cartuchos, em que todo o seu estudo foi alcançado com sucesso, como no melhoramento ergonómico das linhas de montagem, tendo-se alcançado melhorias em alguns índices de qualidade, tempos de abastecimento, organização das linhas, e nas condições de iluminação, resultando essas melhorias numa avaliação positiva por parte dos colaboradores que nelas trabalham todos os dias.

Robot Manipulator Systems: Analysis and Control

Manipulator systems are rather complex and highly nonlinear which makes difficult their analysis and control. Classic system theory is veil known, however it is inadequate in the presence of strong nonlinear dynamics. Nonlinear controllers produce good results [1] and work has been done e. g. relating the manipulator nonlinear dynamics with frequency response [2–5]. Nevertheless, given the complexity of the problem, systematic methods which permit to draw conclusions about stability, imperfect modelling effects, compensation requirements, etc. are still lacking. In section 2 we start by analysing the variation of the poles and zeros of the descriptive transfer functions of a robot manipulator in order to motivate the development of more robust (and computationally efficient) control algorithms. Based on this analysis a new multirate controller which is an improvement of the well known “computed torque controller” [6] is announced in section 3. Some research in this area was done by Neuman [7,8] showing tbat better robustness is possible if the basic controller structure is modified. The present study stems from those ideas, and attempts to give a systematic treatment, which results in easy to use standard engineering tools. Finally, in section 4 conclusions are presented.

Spectral and coherence estimates on electroencephalogram recordings during arithmetical tasks

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Study on the development of an autonomous mobile robot

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Haptic robot-environment interaction for self-supervised learning in ground mobility

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores