Exploring coordination-driven self-assembly with autonomous chemical robots

The work presented herein focused on the automation of coordination-driven self assembly, exploring methods that allow syntheses to be followed more closely while forming new ligands, as part of the fundamental study of the digitization of chemical synthesis and discovery. Whilst the control and understanding of the principle of pre-organization and self-sorting under non-equilibrium conditions remains a key goal, a clear gap has been identified in the absence of approaches that can permit fast screening and real-time observation of the reaction process under different conditions. A firm emphasis was thus placed on the realization of an autonomous chemical robot, which can not only monitor and manipulate coordination chemistry in real-time, but can also allow the exploration of a large chemical parameter space defined by the ligand building blocks and the metal to coordinate. The self-assembly of imine ligands with copper and nickel cations has been studied in a multi-step approach using a self-built flow system capable of automatically controlling the liquid-handling and collecting data in real-time using a benchtop MS and NMR spectrometer. This study led to the identification of a transient Cu(I) species in situ which allows for the formation of dimeric and trimeric carbonato bridged Cu(II) assemblies. Furthermore, new Ni(II) complexes and more remarkably also a new binuclear Cu(I) complex, which usually requires long and laborious inert conditions, could be isolated. The study was then expanded to the autonomous optimization of the ligand synthesis by enabling feedback control on the chemical system via benchtop NMR. The synthesis of new polydentate ligands has emerged as a result of the study aiming to enhance the complexity of the chemical system to accelerate the discovery of new complexes. This type of ligand consists of 1-pyridinyl-4-imino-1,2,3-triazole units, which can coordinate with different metal salts. The studies to test for the CuAAC synthesis via microwave lead to the discovery of four new Cu complexes, one of them being a coordination polymer obtained from a solvent dependent crystallization technique. With the goal of easier integration into an automated system, copper tubing has been exploited as the chemical reactor for the synthesis of this ligand, as it efficiently enhances the rate of the triazole formation and consequently promotes the formation of the full ligand in high yields within two hours. Lastly, the digitization of coordination-driven self-assembly has been realized for the first time using an in-house autonomous chemical robot, herein named the ‘Finder’. The chemical parameter space to explore was defined by the selection of six variables, which consist of the ligand precursors necessary to form complex ligands (aldehydes, alkineamines and azides), of the metal salt solutions and of other reaction parameters – duration, temperature and reagent volumes. The platform was assembled using rounded bottom flasks, flow syringe pumps, copper tubing, as an active reactor, and in-line analytics – a pH meter probe, a UV-vis flow cell and a benchtop MS. The control over the system was then obtained with an algorithm capable of autonomously focusing the experiments on the most reactive region (by avoiding areas of low interest) of the chemical parameter space to explore. This study led to interesting observations, such as metal exchange phenomena, and also to the autonomous discovery of self assembled structures in solution and solid state – such as 1-pyridinyl-4-imino-1,2,3-triazole based Fe complexes and two helicates based on the same ligand coordination motif.

Análisis narratológico comparativo de los cuentos “La fosa numerada”, de Melitón Barba; “Los robots deben ser atentos”, de Álvaro Menen Desleal; y “La muerte de churruca”, de José María Méndez

Finalmente se realiza el análisis de las muestras elegidas con la finalidad de identificar si los aspectos del método de Barthes se cumplen a cabalidad y qué tipo de discrepancias surgen en cada interpretación, si es que existen se comprobarán por medio de la comparación entre ellas lo cual permitirá obtener resultados para verificar la vigencia de los métodos a través del tiempo, visualizando y sustentando el tema de este trabajo, además de contribuir en futuras investigaciones de la temática

An idiotypic immune network as a short-term learning architecture for mobile robots

A combined Short-Term Learning (STL) and Long-Term Learning (LTL) approach to solving mobile robot navigation problems is presented and tested in both real and simulated environments. The LTL consists of rapid simulations that use a Genetic Algorithm to derive diverse sets of behaviours. These sets are then transferred to an idiotypic Artificial Immune System (AIS), which forms the STL phase, and the system is said to be seeded. The combined LTL-STL approach is compared with using STL only, and with using a handdesigned controller. In addition, the STL phase is tested when the idiotypic mechanism is turned off. The results provide substantial evidence that the best option is the seeded idiotypic system, i.e. the architecture that merges LTL with an idiotypic AIS for the STL. They also show that structurally different environments can be used for the two phases without compromising transferability.

TORP: The Open Robot Project A Framework for Module-Based Robots

The development of robots has shown itself as a very complex interdisciplinary research field. The predominant procedure for these developments in the last decades is based on the assumption that each robot is a fully personalized project, with the direct embedding of hardware and software technologies in robot parts with no level of abstraction. Although this methodology has brought countless benefits to the robotics research, on the other hand, it has imposed major drawbacks: (i) the difficulty to reuse hardware and software parts in new robots or new versions; (ii) the difficulty to compare performance of different robots parts; and (iii) the difficulty to adapt development needs-in hardware and software levels-to local groups expertise. Large advances might be reached, for example, if physical parts of a robot could be reused in a different robot constructed with other technologies by other researcher or group. This paper proposes a framework for robots, TORP (The Open Robot Project), that aims to put forward a standardization in all dimensions (electrical, mechanical and computational) of a robot shared development model. This architecture is based on the dissociation between the robot and its parts, and between the robot parts and their technologies. In this paper, the first specification for a TORP family and the first humanoid robot constructed following the TORP specification set are presented, as well as the advances proposed for their improvement.

Generación de trayectorias y evaluación de desempeño de robots manipuladores

Actualmente, en los procesos de fabricación industrial los robots manipuladores son componentes esenciales, esto se debe a las diversas tareas que son capa es de realizar, tales como: ensamble, soldadura, manipulación de objetos, dispensación, entre otras. Sin embargo, di has aplicaciones son para escenarios geométricos limitados y simplificados, además la programación es compleja, por lo que se consume mucho tiempo en la programación. Entonces, cuando el volumen de producción es bajo o está en continuo cambio, sigue siendo necesaria la intervención de humanos expertos para realizar estas tareas. De acuerdo a lo anterior, en esta tesis se propone una metodología basada en sensores de unidad de medición inercial, en inglés Inertial Measurement Units (IMU), y fusión de sensores para la adquisición de las trayectorias realizadas por un humano, estimación de orientación en dos dimensiones y estimación de posición en 3 dimensiones. Además, se involucra el modelado de robots manipuladores, generación de trayectorias, control cinemático empleado en la programación del robot, y por último una evaluación de desempeño del movimiento del robot basado en índices de desempeño. Los resultados experimentales obtenidos muestran que la metodología aplicada es capaz de estimar la trayectoria (en posición y orientación) a partir de los datos adquiridos de la trayectoria realizada por un humano sin el uso de Sistemas de Visión Computacional (SVC). El propósito principal de esta investigación es el desarrollo de una metodología, en la cual los datos coordenados de las trayectorias realizadas por humanos expertos puedan ser emuladas lo más preciso posible por robots manipuladores, sin consumir demasiado tiempo en la programación manual de posición y movimiento del robot en cada punto de la trayectoria deseada.

An assisted navigation method for telepresence robots

Telepresence robots have emerged as a new means of interaction in remote environments. However, the use of such robots is still limited due to safety and usability issues when operating in human-like environments. This work addresses these issues by enhancing the robot navigation through a collaborative control method that assists the user to negotiate obstacles. The method has been implemented in a commercial telepresence robot and a user study has been conducted in order to test the suitability of our approach.

Enhancing smart environments with mobile robots

Sensor networks are becoming popular nowadays in the development of smart environments. Heavily relying on static sensor and actuators, though, such environments usually lacks of versatility regarding the provided services and interaction capabilities. Here we present a framework for smart environments where a service robot is included within the sensor network acting as a mobile sensor and/or actuator. Our framework integrates on-the-shelf technologies to ensure its adaptability to a variety of sensor technologies and robotic software. Two pilot cases are presented as evaluation of our proposal.

La responsabilité civile dans les cas de dommages causés par les robots d’assistance au Québec

Le développement exponentiel de la technologie et le vieillissement de la population permettent d’introduire dans notre quotidien les robots d’assistance. La coexistence de l’homme avec ces robots intelligents et autonomes soulève une question fondamentale: dans l’éventualité où un robot provoquerait un accident causant un dommage à une personne ou à un bien qui serait le responsable? Aucune loi ne réglemente les activités de la robotique d’assistance dans le monde. Cette étude vise l’analyse de l’applicabilité des régimes de responsabilité du Code Civil du Québec aux cas de dommages causés par le robot d’assistance. L’analyse des régimes de responsabilité du Code civil du Québec permet de constater que deux régimes de responsabilité sont susceptibles d’être appliqués aux cas spécifiques de dommages causés par le robot d’assistance: le régime de responsabilité du fait des biens, énoncé à l’article 1465 C.c.Q., et le régime de responsabilité du fait des fabricants et vendeurs spécialisés, énoncé à l’article 1468 C.c.Q. Cela s’explique par la présence de critères et de conditions de mise en œuvre des régimes qui sont transposables aux différents aspects concernant la fabrication et l’utilisation du robot d’assistance.

La responsabilité civile dans les cas de dommages causés par les robots d’assistance au Québec

Le développement exponentiel de la technologie et le vieillissement de la population permettent d’introduire dans notre quotidien les robots d’assistance. La coexistence de l’homme avec ces robots intelligents et autonomes soulève une question fondamentale: dans l’éventualité où un robot provoquerait un accident causant un dommage à une personne ou à un bien qui serait le responsable? Aucune loi ne réglemente les activités de la robotique d’assistance dans le monde. Cette étude vise l’analyse de l’applicabilité des régimes de responsabilité du Code Civil du Québec aux cas de dommages causés par le robot d’assistance. L’analyse des régimes de responsabilité du Code civil du Québec permet de constater que deux régimes de responsabilité sont susceptibles d’être appliqués aux cas spécifiques de dommages causés par le robot d’assistance: le régime de responsabilité du fait des biens, énoncé à l’article 1465 C.c.Q., et le régime de responsabilité du fait des fabricants et vendeurs spécialisés, énoncé à l’article 1468 C.c.Q. Cela s’explique par la présence de critères et de conditions de mise en œuvre des régimes qui sont transposables aux différents aspects concernant la fabrication et l’utilisation du robot d’assistance.

Transport coopératif d'un objet par deux robots humanoïdes dans un environnement encombré

Il y a présentement de la demande dans plusieurs milieux cherchant à utiliser des robots afin d'accomplir des tâches complexes, par exemple l'industrie de la construction désire des travailleurs pouvant travailler 24/7 ou encore effectuer des operation de sauvetage dans des zones compromises et dangereuses pour l'humain. Dans ces situations, il devient très important de pouvoir transporter des charges dans des environnements encombrés. Bien que ces dernières années il y a eu quelques études destinées à la navigation de robots dans ce type d'environnements, seulement quelques-unes d'entre elles ont abordé le problème de robots pouvant naviguer en déplaçant un objet volumineux ou lourd. Ceci est particulièrement utile pour transporter des charges ayant de poids et de formes variables, sans avoir à modifier physiquement le robot. Un robot humanoïde est une des plateformes disponibles afin d'effectuer efficacement ce type de transport. Celui-ci a, entre autres, l'avantage d'avoir des bras et ils peuvent donc les utiliser afin de manipuler précisément les objets à transporter. Dans ce mémoire de maîtrise, deux différentes techniques sont présentées. Dans la première partie, nous présentons un système inspiré par l'utilisation répandue de chariots de fortune par les humains. Celle-ci répond au problème d'un robot humanoïde naviguant dans un environnement encombré tout en déplaçant une charge lourde qui se trouve sur un chariot de fortune. Nous présentons un système de navigation complet, de la construction incrémentale d'une carte de l'environnement et du calcul des trajectoires sans collision à la commande pour exécuter ces trajectoires. Les principaux points présentés sont : 1) le contrôle de tout le corps permettant au robot humanoïde d'utiliser ses mains et ses bras pour contrôler les mouvements du système à chariot (par exemple, lors de virages serrés) ; 2) une approche sans capteur pour automatiquement sélectionner le jeu approprié de primitives en fonction du poids de la charge ; 3) un algorithme de planification de mouvement qui génère une trajectoire sans collisions en utilisant le jeu de primitive approprié et la carte construite de l'environnement ; 4) une technique de filtrage efficace permettant d'ignorer le chariot et le poids situés dans le champ de vue du robot tout en améliorant les performances générales des algorithmes de SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) défini ; et 5) un processus continu et cohérent d'odométrie formés en fusionnant les informations visuelles et celles de l'odométrie du robot. Finalement, nous présentons des expériences menées sur un robot Nao, équipé d'un capteur RGB-D monté sur sa tête, poussant un chariot avec différentes masses. Nos expériences montrent que la charge utile peut être significativement augmentée sans changer physiquement le robot, et donc qu'il est possible d'augmenter la capacité du robot humanoïde dans des situations réelles. Dans la seconde partie, nous abordons le problème de faire naviguer deux robots humanoïdes dans un environnement encombré tout en transportant un très grand objet qui ne peut tout simplement pas être déplacé par un seul robot. Dans cette partie, plusieurs algorithmes et concepts présentés dans la partie précédente sont réutilisés et modifiés afin de convenir à un système comportant deux robot humanoides. Entre autres, nous avons un algorithme de planification de mouvement multi-robots utilisant un espace d'états à faible dimension afin de trouver une trajectoire sans obstacle en utilisant la carte construite de l'environnement, ainsi qu'un contrôle en temps réel efficace de tout le corps pour contrôler les mouvements du système robot-objet-robot en boucle fermée. Aussi, plusieurs systèmes ont été ajoutés, tels que la synchronisation utilisant le décalage relatif des robots, la projection des robots sur la base de leur position des mains ainsi que l'erreur de rétroaction visuelle calculée à partir de la caméra frontale du robot. Encore une fois, nous présentons des expériences faites sur des robots Nao équipés de capteurs RGB-D montés sur leurs têtes, se déplaçant avec un objet tout en contournant d'obstacles. Nos expériences montrent qu'un objet de taille non négligeable peut être transporté sans changer physiquement le robot.

Robots como ferramenta pedagógica nos primeiros anos

O presente artigo descreve e analisa um projeto realizado com duas turmas do 1o ciclo do ensino básico que trabalharam conjuntamente com robots, tomando a aprendizagem como um fenómeno intrinsecamente ligado à participação em comunidades de prática (Lave, 1996; Lave; Wenger, 1991). Pretende-se caracterizar os intervenientes, a metodologia de trabalho implementada, a descrição dos artefactos utilizados (robots e escrita de uma história) e analisar a relação dos intervenientes com os robots, os padrões de participação que se revelaram com esse tipo de trabalho, procurando enfatizar os contributos que decorrem da participação em ambientes sociais digitais para a aprendizagem dos alunos, tais como a participação e a negociação conjunta de significados, a importância dos robots e da história terem sido “construídos” pelos estudantes e a existência de um reportório partilhado e um empreendimento conjunto.

Dynamics of undeactuated cable-driven parallel robots

This thesis focuses on the dynamics of underactuated cable-driven parallel robots (UACDPRs), including various aspects of robotic theory and practice, such as workspace computation, parameter identification, and trajectory planning. After a brief introduction to CDPRs, UACDPR kinematic and dynamic models are analyzed, under the relevant assumption of inextensible cables. The free oscillatory motion of the end-effector (EE), which is a unique feature of underactuated mechanisms, is studied in detail, from both a kinematic and a dynamic perspective. The free (small) oscillations of the EE around equilibria are proved to be harmonic and the corresponding natural oscillation frequencies are analytically computed. UACDPR workspace computation and analysis are then performed. A new performance index is proposed for the analysis of the influence of actuator errors on cable tensions around equilibrium configurations, and a new type of workspace, called tension-error-insensitive, is defined as the set of poses that a UACDPR EE can statically attain even in presence of actuation errors, while preserving tensions between assigned (positive) bounds. EE free oscillations are then employed to conceive a novel procedure aimed at identifying the EE inertial parameters. This approach does not require the use of force or torque measurements. Moreover, a self-calibration procedure for the experimental determination of UACDPR initial cable lengths is developed, which consequently enables the robot to automatically infer the EE initial pose at machine start-up. Lastly, trajectory planning of UACDPRs is investigated. Two alternative methods are proposed, which aim at (i) reducing EE oscillations even when model parameters are uncertain or (ii) eliminate EE oscillations in case model parameters are perfectly known. EE oscillations are reduced in real-time by dynamically scaling a nominal trajectory and filtering it with an input shaper, whereas they can be eliminated if an off-line trajectory is computed that accounts for the system internal dynamics.

Geometrico-static modelling of continuum parallel robots

In this thesis, we explore three methods for the geometrico-static modelling of continuum parallel robots. Inspired by biological trunks, tentacles and snakes, continuum robot designs can reach confined spaces, manipulate objects in complex environments and conform to curvilinear paths in space. In addition, parallel continuum manipulators have the potential to inherit some of the compactness and compliance of continuum robots while retaining some of the precision, stability and strength of rigid-links parallel robots. Subsequently, the foundation of our work is performed on slender beam by applying the Cosserat rod theory, appropriate to model continuum robots. After that, three different approaches are developed on a case study of a planar parallel continuum robot constituted of two connected flexible links. We solve the forward and inverse geometrico-static problem namely by using (a) shooting methods to obtain a numerical solution, (b) an elliptic method to find a quasi-analytical solution, and (c) the Corde model to perform further model analysis. The performances of each of the studied methods are evaluated and their limits are highlighted. This thesis is divided as follows. Chapter one gives the introduction on the field of the continuum robotics and introduce the parallel continuum robots that is studied in this work. Chapter two describe the geometrico-static problem and gives the mathematical description of this problem. Chapter three explains the numerical approach with the shooting method and chapter four introduce the quasi-analytical solution. Then, Chapter five introduce the analytic method inspired by the Corde model and chapter six gives the conclusions of this work.