Sistema de manteniment de l'equilibri per a un robot bípede

Dins el departament d’Electrònica, Informàtica i Automàtica de la Universitat de Girona s’han dissenyat i construït dues plataformes bípedes per a l’ús docent. La més evolucionada d’elles, finalitzada l’any 1999, està composada per dues cames d’alumini amb tres actuadors lineals cada una, simulant la funció del turmell, del genoll i del maluc. Els objectius que es pretenen aconseguir amb aquest projecte són molt concrets i tots ells estan destinats a millorar el funcionament del robot bípede. Aquests objectius són: (1) dissenyar dos graus de llibertat lineals en forma de pla XY per moure el pes que convingui per assegurar l’equilibri durant el moviment de la plataforma bípede, (2) dissenyar una placa amb una FPGA que generi senyals PWM pels vuit motors disponibles, que llegeixi els dos encoders dels motors del pla XY i que es comuniqui amb un PC equipat amb una tarja d’adquisició de dades específica, (3) dissenyar una placa de potència adequada pel control dels motors, (4) finalment realitzar un programa per comprovar el correcte funcionament de les plaques, dels actuadors i dels sensors utilitzats en la plataforma bípede

Catadioptric stereo based on structured light projection

La percepció per visió es millorada quan es pot gaudir d'un camp de visió ampli. Aquesta tesi es concentra en la percepció visual de la profunditat amb l'ajuda de càmeres omnidireccionals. La percepció 3D s'obté generalment en la visió per computadora utilitzant configuracions estèreo amb el desavantatge del cost computacional elevat a l'hora de buscar els elements visuals comuns entre les imatges. La solució que ofereix aquesta tesi és l'ús de la llum estructurada per resoldre el problema de relacionar les correspondències. S'ha realitzat un estudi sobre els sistemes de visió omnidireccional. S'han avaluat vàries configuracions estèreo i s'ha escollit la millor. Els paràmetres del model són difícils de mesurar directament i, en conseqüència, s'ha desenvolupat una sèrie de mètodes de calibració. Els resultats obtinguts són prometedors i demostren que el sensor pot ésser utilitzat en aplicacions per a la percepció de la profunditat com serien el modelatge de l'escena, la inspecció de canonades, navegació de robots, etc.

Computationally reliable approaches of contractive MPC for discrete-time systems

La tesis pretende explorar acercamientos computacionalmente confiables y eficientes de contractivo MPC para sistemas de tiempo discreto. Dos tipos de contractivo MPC han sido estudiados: MPC con coacción contractiva obligatoria y MPC con una secuencia contractiva de conjuntos controlables. Las técnicas basadas en optimización convexa y análisis de intervalos son aplicadas para tratar MPC contractivo lineal y no lineal, respectivamente. El análisis de intervalos clásicos es ampliado a zonotopes en la geometría para diseñar un conjunto invariante de control terminal para el modo dual de MPC. También es ampliado a intervalos modales para tener en cuenta la modalidad al calcula de conjuntos controlables robustos con una interpretación semántica clara. Los instrumentos de optimización convexa y análisis de intervalos han sido combinados para mejorar la eficacia de contractive MPC para varias clases de sistemas de tiempo discreto inciertos no lineales limitados. Finalmente, los dos tipos dirigidos de contractivo MPC han sido aplicados para controlar un Torneo de Fútbol de Copa Mundial de Micro Robot (MiroSot) y un Tanque-Reactor de Mezcla Continua (CSTR), respectivamente.

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Architecture for Living Neuronal Network Control of a mobile robot

The intelligent controlling mechanism of a typical mobile robot is usually a computer system. Research is however now ongoing in which biological neural networks are being cultured and trained to act as the brain of an interactive real world robot – thereby either completely replacing or operating in a cooperative fashion with a computer system. Studying such neural systems can give a distinct insight into biological neural structures and therefore such research has immediate medical implications. The principal aims of the present research are to assess the computational and learning capacity of dissociated cultured neuronal networks with a view to advancing network level processing of artificial neural networks. This will be approached by the creation of an artificial hybrid system (animat) involving closed loop control of a mobile robot by a dissociated culture of rat neurons. This paper details the components of the overall animat closed loop system architecture and reports on the evaluation of the results from preliminary real-life and simulated robot experiments.

Controlling a mobile robot with a biological brain

The intelligent controlling mechanism of a typical mobile robot is usually a computer system. Some recent research is ongoing in which biological neurons are being cultured and trained to act as the brain of an interactive real world robot�thereby either completely replacing, or operating in a cooperative fashion with, a computer system. Studying such hybrid systems can provide distinct insights into the operation of biological neural structures, and therefore, such research has immediate medical implications as well as enormous potential in robotics. The main aim of the research is to assess the computational and learning capacity of dissociated cultured neuronal networks. A hybrid system incorporating closed-loop control of a mobile robot by a dissociated culture of neurons has been created. The system is flexible and allows for closed-loop operation, either with hardware robot or its software simulation. The paper provides an overview of the problem area, gives an idea of the breadth of present ongoing research, establises a new system architecture and, as an example, reports on the results of conducted experiments with real-life robots.

Mapping fibre orientation in complex-shaped biological systems with micrometre resolution by scanning X-ray microdiffraction

A fully automated procedure to extract and to image local fibre orientation in biological tissues from scanning X-ray diffraction is presented. The preferred chitin fibre orientation in the flow sensing system of crickets is determined with high spatial resolution by applying synchrotron radiation based X-ray microbeam diffraction in conjunction with advanced sample sectioning using a UV micro-laser. The data analysis is based on an automated detection of azimuthal diffraction maxima after 2D convolution filtering (smoothing) of the 2D diffraction patterns. Under the assumption of crystallographic fibre symmetry around the morphological fibre axis, the evaluation method allows mapping the three-dimensional orientation of the fibre axes in space. The resulting two-dimensional maps of the local fibre orientations - together with the complex shape of the flow sensing system - may be useful for a better understanding of the mechanical optimization of such tissues.

Combining Human and Machine Brains - Practical systems in information & control

In this paper a look is taken at how the use of implant technology can be used to either increase the range of the abilities of a human and/or diminish the effects of a neural illness, such as Parkinson's Disease. The key element is the need for a clear interface linking the human brain directly with a computer. The area of interest here is the use of implant technology, particularly where a connection is made between technology and the human brain and/or nervous system. Pilot tests and experimentation are invariably carried out apriori to investigate the eventual possibilities before human subjects are themselves involved. Some of the more pertinent animal studies are discussed here. The paper goes on to describe human experimentation, in particular that carried out by the author himself, which led to him receiving a neural implant which linked his nervous system bi-directionally with the internet. With this in place neural signals were transmitted to various technological devices to directly control them. In particular, feedback to the brain was obtained from the fingertips of a robot hand and ultrasonic (extra) sensory input. A view is taken as to the prospects for the future, both in the near term as a therapeutic device and in the long term as a form of enhancement.

A Gentle/S approach to robot assisted neuro-rehabilitation

Movement disorders (MD) include a group of neurological disorders that involve neuromotor systems. MD can result in several abnormalities ranging from an inability to move, to severe constant and excessive movements. Strokes are a leading cause of disability affecting largely the older people worldwide. Traditional treatments rely on the use of physiotherapy that is partially based on theories and also heavily reliant on the therapists training and past experience. The lack of evidence to prove that one treatment is more effective than any other makes the rehabilitation of stroke patients a difficult task. UL motor re-learning and recovery levels tend to improve with intensive physiotherapy delivery. The need for conclusive evidence supporting one method over the other and the need to stimulate the stroke patient clearly suggest that traditional methods lack high motivational content, as well as objective standardised analytical methods for evaluating a patient's performance and assessment of therapy effectiveness. Despite all the advances in machine mediated therapies, there is still a need to improve therapy tools. This chapter describes a new approach to robot assisted neuro-rehabilitation for upper limb rehabilitation. Gentle/S introduces a new approach on the integration of appropriate haptic technologies to high quality virtual environments, so as to deliver challenging and meaningful therapies to people with upper limb impairment in consequence of a stroke. The described approach can enhance traditional therapy tools, provide therapy "on demand" and can present accurate objective measurements of a patient's progression. Our recent studies suggest the use of tele-presence and VR-based systems can potentially motivate patients to exercise for longer periods of time. Two identical prototypes have undergone extended clinical trials in the UK and Ireland with a cohort of 30 stroke subjects. From the lessons learnt with the Gentle/S approach, it is clear also that high quality therapy devices of this nature have a role in future delivery of stroke rehabilitation, and machine mediated therapies should be available to patient and his/her clinical team from initial hospital admission, through to long term placement in the patient's home following hospital discharge.

Upper limb robot mediated stroke therapy - GENTLE/s approach

Stroke is a leading cause of disability in particular affecting older people. Although the causes of stroke are well known and it is possible to reduce these risks, there is still a need to improve rehabilitation techniques. Early studies in the literature suggest that early intensive therapies can enhance a patient's recovery. According to physiotherapy literature, attention and motivation are key factors for motor relearning following stroke. Machine mediated therapy offers the potential to improve the outcome of stroke patients engaged on rehabilitation for upper limb motor impairment. Haptic interfaces are a particular group of robots that are attractive due to their ability to safely interact with humans. They can enhance traditional therapy tools, provide therapy "on demand" and can present accurate objective measurements of a patient's progression. Our recent studies suggest the use of tele-presence and VR-based systems can potentially motivate patients to exercise for longer periods of time. The creation of human-like trajectories is essential for retraining upper limb movements of people that have lost manipulation functions following stroke. By coupling models for human arm movement with haptic interfaces and VR technology it is possible to create a new class of robot mediated neuro rehabilitation tools. This paper provides an overview on different approaches to robot mediated therapy and describes a system based on haptics and virtual reality visualisation techniques, where particular emphasis is given to different control strategies for interaction derived from minimum jerk theory and the aid of virtual and mixed reality based exercises.