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.

Sorption of phenanthrene on agricultural soils

Polyaromatic hydrocarbon (PAH) sorption to soil is a key process deciding the transport and fate of PAH, and potential toxic impacts in the soil and groundwater ecosystems, for example in connection with atmospheric PAH deposition on soils. There are numerous studies on PAH sorption in relatively low organic porous media such as urban soils and groundwater sediments, but less attention has been given to cultivated soils. In this study, the phenanthrene partition coefficient, KD (liter per kilogram), was measured on 143 cultivated Danish soils (115 topsoils, 0–0.25-m soil depth and 28 subsoils, 0.25–1-m depth) by the single-point adsorption method. The organic carbon partition coefficient, KOC (liter per kilogram) for topsoils was found generally to fall between the KOC values estimated by the two most frequently used models for PAH partitioning, the Abdul et al. (Hazardous Waste & Hazardous Materials 4(3):211– 222, 1987) model and Karickhoff et al. (Water Research 13:241–248, 1979) model. A less-recognized model by Karickhoff (Chemosphere 10:833–846, 1981), yielding a KOC of 14,918 Lkg−1, closely corresponded to the average measured KOC value for the topsoils, and this model is therefore recommended for prediction of phenanthrene mobility in cultivated topsoils. For lower subsoils (0.25–1-m depth), the KOC values were closer to and mostly below the estimate by the Abdul et al. (Hazardous Waste & Hazardous Materials 4(3):211–222, 1987) model. This implies a different organic matter composition and higher PAH sorption strength in cultivated topsoils, likely due to management effects including more rapid carbon turnover. Finally, we applied the recent Dexter et al. (Geoderma 144:620–627, 2008) theorem, and calculated the complexed organic carbon and non-complexed organic carbon fractions (COC and NCOC, grams per gram). Multiple regression analyses showed that the NCOC-based phenanthrene partition coefficient (KNCOC) could be markedly higher than the COCbased partition coefficient (KCOC) for soils with a clay/OC ratio <10. This possibly higher PAH sorption affinity to the NCOC fraction needs further investigations to develop more realistic and accurate models for PAH mobility and effects in the environment, also with regard to colloid-facilitated PAH transport.

Observability of nonlinear fractional dynamical systems

We study the observability of linear and nonlinear fractional differential systems of order 0 < α < 1 by using the Mittag-Leffler matrix function and the application of Banach’s contraction mapping theorem. Several examples illustrate the concepts.

Controllability results for impulsive mixed type functional integro-differential evolution equations with nonlocal conditions

In this paper, we establish the controllability for a class of abstract impulsive mixed-type functional integro-differential equations with finite delay in a Banach space. Some sufficient conditions for controllability are obtained by using the Mönch fixed point theorem via measures of noncompactness and semigroup theory. Particularly, we do not assume the compactness of the evolution system. An example is given to illustrate the effectiveness of our results.

An efficient scalable RNS architecture for large dynamic ranges

This paper proposes an efficient scalable Residue Number System (RNS) architecture supporting moduli sets with an arbitrary number of channels, allowing to achieve larger dynamic range and a higher level of parallelism. The proposed architecture allows the forward and reverse RNS conversion, by reusing the arithmetic channel units. The arithmetic operations supported at the channel level include addition, subtraction, and multiplication with accumulation capability. For the reverse conversion two algorithms are considered, one based on the Chinese Remainder Theorem and the other one on Mixed-Radix-Conversion, leading to implementations optimized for delay and required circuit area. With the proposed architecture a complete and compact RNS platform is achieved. Experimental results suggest gains of 17 % in the delay in the arithmetic operations, with an area reduction of 23 % regarding the RNS state of the art. When compared with a binary system the proposed architecture allows to perform the same computation 20 times faster alongside with only 10 % of the circuit area resources.

On the initial conditions in continuous-time fractional linear systems

Signal Processing, Vol. 83, nº 11

A new approach to the initial value problem

5th Portuguese Conference on Automatic Control, September, 5-7, 2002, Aveiro, Portugal

On divisors of pseudovarieties generated by some classes of full transformation semigroups

Algebra Colloquium, 15 (2008), p. 581–588

Exciting dynamical behavior in a network of two coupled rings of Chen oscillators

We study exotic patterns appearing in a network of coupled Chen oscillators. Namely, we consider a network of two rings coupled through a “buffer” cell, with Z3×Z5 symmetry group. Numerical simulations of the network reveal steady states, rotating waves in one ring and quasiperiodic behavior in the other, and chaotic states in the two rings, to name a few. The different patterns seem to arise through a sequence of Hopf bifurcations, period-doubling, and halving-period bifurcations. The network architecture seems to explain certain observed features, such as equilibria and the rotating waves, whereas the properties of the chaotic oscillator may explain others, such as the quasiperiodic and chaotic states. We use XPPAUT and MATLAB to compute numerically the relevant states.

Partial classification of Lorenz knots: Syllable permutations of torus knots words

We define families of aperiodic words associated to Lorenz knots that arise naturally as syllable permutations of symbolic words corresponding to torus knots. An algorithm to construct symbolic words of satellite Lorenz knots is defined. We prove, subject to the validity of a previous conjecture, that Lorenz knots coded by some of these families of words are hyperbolic, by showing that they are neither satellites nor torus knots and making use of Thurston's theorem. Infinite families of hyperbolic Lorenz knots are generated in this way, to our knowledge, for the first time. The techniques used can be generalized to study other families of Lorenz knots.

Strange Dynamics in a Fractional Derivative of Complex-Order Network of Chaotic Oscillators

We study the peculiar dynamical features of a fractional derivative of complex-order network. The network is composed of two unidirectional rings of cells, coupled through a "buffer" cell. The network has a Z3 × Z5 cyclic symmetry group. The complex derivative Dα±jβ, with α, β ∈ R+ is a generalization of the concept of integer order derivative, where α = 1, β = 0. Each cell is modeled by the Chen oscillator. Numerical simulations of the coupled cell system associated with the network expose patterns such as equilibria, periodic orbits, relaxation oscillations, quasiperiodic motion, and chaos, in one or in two rings of cells. In addition, fixing β = 0.8, we perceive differences in the qualitative behavior of the system, as the parameter c ∈ [13, 24] of the Chen oscillator and/or the real part of the fractional derivative, α ∈ {0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0}, are varied. Some patterns produced by the coupled system are constrained by the network architecture, but other features are only understood in the light of the internal dynamics of each cell, in this case, the Chen oscillator. What is more important, architecture and/or internal dynamics?

An existence result for discontinuous games

We introduce a notion of upper semicontinuity, weak upper semicontinuity, and show that it, together with a weak form of payoff security, is enough to guarantee the existence of Nash equilibria in compact, quasiconcave normal form games. We show that our result generalizes the pure strategy existence theorem of Dasgupta and Maskin (1986) and that it is neither implied nor does it imply the existence theorems of Baye, Tian, and Zhou (1993) and Reny (1999). Furthermore, we show that an equilibrium may fail to exist when, while maintaining weak payoff security, weak upper semicontinuity is weakened to reciprocal upper semicontinuity.

On simple bounds for eigenvalues of symmetric tridiagonal matrices

How much can be said about the location of the eigenvalues of a symmetric tridiagonal matrix just by looking at its diagonal entries? We use classical results on the eigenvalues of symmetric matrices to show that the diagonal entries are bounds for some of the eigenvalues regardless of the size of the off-diagonal entries. Numerical examples are given to illustrate that our arithmetic-free technique delivers useful information on the location of the eigenvalues.

An algorithmic approach to estimating the minimal number of periodic points for smooth self-maps of simply-connected manifolds

For a given self-map f of M, a closed smooth connected and simply-connected manifold of dimension m ≥ 4, we provide an algorithm for estimating the values of the topological invariant Dm r [f], which equals the minimal number of r-periodic points in the smooth homotopy class of f. Our results are based on the combinatorial scheme for computing Dm r [f] introduced by G. Graff and J. Jezierski [J. Fixed Point Theory Appl. 13 (2013), 63–84]. An open-source implementation of the algorithm programmed in C++ is publicly available at http://www.pawelpilarczyk.com/combtop/.