Disseny d’un comportament en ROS per a mantenir la posició d’un vehicle autònom submarí a partir de referències visuals

En el Centre d'Investigació en Robòtica Submarina (CIRS) de la Universitat de Gironaes disposa de diferents robots submarins els quals utilitzen una arquitectura software anomenada Component Oriented Layered-based Architecture for Autonomy ( COLA2 ), la qual ha estat desenvolupada per estudiants i professors del mateix centre. Per tal de fer aquesta arquitectura més accessible per a professors i estudiant d’altres centres la COLA2 s’està adaptant al Robot Operative System (ROS) que és un framework genèric per al desenvolupament d’aplicacions amb robots. Aquest projecte pretén dissenyar un comportament per al robot Girona500 que estigui desenvolupat dins la versió ROS de l’arquitectura COLA2. El comportament haurà de fer mantenir una determinada posició al robot amb informació visual de la càmera del robot i amb dades de navegació. La tasca de mantenir la posició es de vital importància per a poder realitzar intervencions submarines que requereixen de precisió i, precisament, el medi on es treballa no ajuda

Integració d'un sensor sonar d'escombrat lateral en un robot submarí

El grup de Visió per Computador i Robòtica (VICOROB) disposa de varis robots submarins per a la recerca i inspecció subaquàtica. Recentment s’ha adquirit un sensor sonar d’escombrat lateral el qual s’utilitza per realitzar imatges acústiques del fons marí quan aquest es mou principalment a velocitat constant i mantenint el rumb. Els robots del grup VICOROB estan equipats amb diferents tipus de sensors i càmeres per analitzar el fons marí. Aquest sensors són de gran qualitat i permeten conèixer de manera bastant satisfactòria l’entorn a les proximitats del robot. Freqüentment però, aquest sensors estant sotmesos a diferents restriccions depenent de la seva naturalesa de funcionament, de tal manera que es necessària la seva combinació per resoldre determinats problemes en diferents situacions. Amb aquest projecte, es pretén integrar un nou sistema de captura d’imatges sonores del fons marí, en un dels robots. Amb la integració d’aquest nou sensor, s’espera obtenir una opció alternativa els sistemes actuals que pugui aportar informació addicional sobre el fons. Aquest sistema podrà ser utilitzat per realitzar tasques per les quals els altres sensors no estant preparats o bé per complementar informació d’altres sensor

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

An approach to coded structured light to obtain three dimensional information

The human visual ability to perceive depth looks like a puzzle. We perceive three-dimensional spatial information quickly and efficiently by using the binocular stereopsis of our eyes and, what is mote important the learning of the most common objects which we achieved through living. Nowadays, modelling the behaviour of our brain is a fiction, that is why the huge problem of 3D perception and further, interpretation is split into a sequence of easier problems. A lot of research is involved in robot vision in order to obtain 3D information of the surrounded scene. Most of this research is based on modelling the stereopsis of humans by using two cameras as if they were two eyes. This method is known as stereo vision and has been widely studied in the past and is being studied at present, and a lot of work will be surely done in the future. This fact allows us to affirm that this topic is one of the most interesting ones in computer vision. The stereo vision principle is based on obtaining the three dimensional position of an object point from the position of its projective points in both camera image planes. However, before inferring 3D information, the mathematical models of both cameras have to be known. This step is known as camera calibration and is broadly describes in the thesis. Perhaps the most important problem in stereo vision is the determination of the pair of homologue points in the two images, known as the correspondence problem, and it is also one of the most difficult problems to be solved which is currently investigated by a lot of researchers. The epipolar geometry allows us to reduce the correspondence problem. An approach to the epipolar geometry is describes in the thesis. Nevertheless, it does not solve it at all as a lot of considerations have to be taken into account. As an example we have to consider points without correspondence due to a surface occlusion or simply due to a projection out of the camera scope. The interest of the thesis is focused on structured light which has been considered as one of the most frequently used techniques in order to reduce the problems related lo stereo vision. Structured light is based on the relationship between a projected light pattern its projection and an image sensor. The deformations between the pattern projected into the scene and the one captured by the camera, permits to obtain three dimensional information of the illuminated scene. This technique has been widely used in such applications as: 3D object reconstruction, robot navigation, quality control, and so on. Although the projection of regular patterns solve the problem of points without match, it does not solve the problem of multiple matching, which leads us to use hard computing algorithms in order to search the correct matches. In recent years, another structured light technique has increased in importance. This technique is based on the codification of the light projected on the scene in order to be used as a tool to obtain an unique match. Each token of light is imaged by the camera, we have to read the label (decode the pattern) in order to solve the correspondence problem. The advantages and disadvantages of stereo vision against structured light and a survey on coded structured light are related and discussed. The work carried out in the frame of this thesis has permitted to present a new coded structured light pattern which solves the correspondence problem uniquely and robust. Unique, as each token of light is coded by a different word which removes the problem of multiple matching. Robust, since the pattern has been coded using the position of each token of light with respect to both co-ordinate axis. Algorithms and experimental results are included in the thesis. The reader can see examples 3D measurement of static objects, and the more complicated measurement of moving objects. The technique can be used in both cases as the pattern is coded by a single projection shot. Then it can be used in several applications of robot vision. Our interest is focused on the mathematical study of the camera and pattern projector models. We are also interested in how these models can be obtained by calibration, and how they can be used to obtained three dimensional information from two correspondence points. Furthermore, we have studied structured light and coded structured light, and we have presented a new coded structured light pattern. However, in this thesis we started from the assumption that the correspondence points could be well-segmented from the captured image. Computer vision constitutes a huge problem and a lot of work is being done at all levels of human vision modelling, starting from a)image acquisition; b) further image enhancement, filtering and processing, c) image segmentation which involves thresholding, thinning, contour detection, texture and colour analysis, and so on. The interest of this thesis starts in the next step, usually known as depth perception or 3D measurement.

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.

Metodología para la implantación de una herramienta de control virtual de robots serie

[Es]El objetivo principal de este trabajo es la introducción del usuario al mundo de la robótica, explicando para ello, desde un punto de vista práctico, los conceptos teóricos relacionados con la cinemática de mecanismos espaciales, específicamente la de los robots serie. Para lograr este objetivo se ha creado una metodología de aprendizaje, basada en tres ejercicios, que explica los comandos principales de RobotStudio; software de programación necesario para el control virtual de robots de la marca ABB, robot disponible en la escuela. Junto con esto, se desarrollan los conceptos necesarios para la realización de tareas básicas dentro del ámbito de la robótica. Mediante la implantación de esta metodología se pretende dotar al usuario de los conceptos esenciales para programar robots serie dentro de un ámbito virtual, otorgándole la posibilidad de conectarlo posteriormente a un robot real, obteniendo resultados prácticos y visibles.

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.

A novel technique for differentiation of proteins in the development of acid gel structure from control and heat treated milk using confocal scanning laser microscopy

The incorporation of caseins and whey proteins into acid gels produced from unheated and heat treated skimmed milk was studied by confocal scanning laser microscopy (CSLM) using fluorescent labelled proteins. Bovine casein micelles were labelled using Alexa Fluor 594, while whey proteins were labelled using Alexa Fluor 488. Samples of the labelled protein solutions were introduced into aliquots of pasteurised skim milk, and skim milk heated to 90 degrees C for 2 min and 95 degrees C for 8 min. The milk was acidified at 40 degrees C to a final pH of 4.4 using 20 g gluconodelta-lactone/l (GDL). The formation of gels was observed with CSLM at two wavelengths (488 nm and 594 nm), and also by visual and rheological methods. In the control milk, as pH decreased distinct casein aggregates appeared, and as further pH reduction occurred, the whey proteins could be seen to coat the casein aggregates. With the heated milks, the gel structure was formed of continuous strands consisting of both casein and whey protein. The formation of the gel network was correlated with an increase in the elastic modulus for all three treatments, in relation to the severity of heat treatment. This model system allows the separate observation of the caseins and whey proteins, and the study of the interactions between the two protein fractions during the formation of the acid gel structure, on a real-time basis. The system could therefore be a valuable tool in the study of structure formation in yoghurt and other dairy protein systems.

Eye-movements aid the control of locomotion

Eye-movements have long been considered a problem when trying to understand the visual control of locomotion. They transform the retinal image from a simple expanding pattern of moving texture elements (pure optic flow), into a complex combination of translation and rotation components (retinal flow). In this article we investigate whether there are measurable advantages to having an active free gaze, over a static gaze or tracking gaze, when steering along a winding path. We also examine patterns of free gaze behavior to determine preferred gaze strategies during active locomotion. Participants were asked to steer along a computer-simulated textured roadway with free gaze, fixed gaze, or gaze tracking the center of the roadway. Deviation of position from the center of the road was recorded along with their point of gaze. It was found that visually tracking the middle of the road produced smaller steering errors than for fixed gaze. Participants performed best at the steering task when allowed to sample naturally from the road ahead with free gaze. There was some variation in the gaze strategies used, but sampling was predominantly of areas proximal to the center of the road. These results diverge from traditional models of flow analysis.

Controlling steering and judging heading: retinal flow, visual direction, and extraretinal information

The contribution of retinal flow (RF), extraretinal (ER), and egocentric visual direction (VD) information in locomotor control was explored. First, the recovery of heading from RF was examined when ER information was manipulated; results confirmed that ER signals affect heading judgments. Then the task was translated to steering curved paths, and the availability and veracity of VD were manipulated with either degraded or systematically biased RE Large steering errors resulted from selective manipulation of RF and VD, providing strong evidence for the combination of RF, ER, and VD. The relative weighting applied to RF and VD was estimated. A point-attractor model is proposed that combines redundant sources of information for robust locomotor control with flexible trajectory planning through active gaze.

Learning associations between places and visual cues without learning to navigate: neither fornix nor entorhinal cortex is required

Rats with fornix transection, or with cytotoxic retrohippocampal lesions that removed entorhinal cortex plus ventral subiculum, performed a task that permits incidental learning about either allocentric (Allo) or egocentric (Ego) spatial cues without the need to navigate by them. Rats learned eight visual discriminations among computer-displayed scenes in a Y-maze, using the constant-negative paradigm. Every discrimination problem included two familiar scenes (constants) and many less familiar scenes (variables). On each trial, the rats chose between a constant and a variable scene, with the choice of the variable rewarded. In six problems, the two constant scenes had correlated spatial properties, either Alto (each constant appeared always in the same maze arm) or Ego (each constant always appeared in a fixed direction from the start arm) or both (Allo + Ego). In two No-Cue (NC) problems, the two constants appeared in randomly determined arms and directions. Intact rats learn problems with an added Allo or Ego cue faster than NC problems; this facilitation provides indirect evidence that they learn the associations between scenes and spatial cues, even though that is not required for problem solution. Fornix and retrohippocampal-lesioned groups learned NC problems at a similar rate to sham-operated controls and showed as much facilitation of learning by added spatial cues as did the controls; therefore, both lesion groups must have encoded the spatial cues and have incidentally learned their associations with particular constant scenes. Similar facilitation was seen in subgroups that had short or long prior experience with the apparatus and task. Therefore, neither major hippocampal input-output system is crucial for learning about allocentric or egocentric cues in this paradigm, which does not require rats to control their choices or navigation directly by spatial cues.

Adaptive control of event integration

Identifying 2 target stimuli in a rapid stream of visual symbols is much easier if the 2nd target appears immediately after the 1st target (i.e., at Lag 1) than if distractor stimuli intervene. As this phenomenon comes with a strong tendency to confuse the order of the targets, it seems to be due to the integration of both targets into the same attentional episode or object file. The authors investigated the degree to which people can control the temporal extension of their (episodic) integration windows by manipulating the expectations participants had with regard to the time available for target processing. As predicted, expecting more time to process increased the number of order confusions at Lag 1. This was true for between-subjects and within-subjects (trial-to-trial) manipulations, suggesting that integration windows can be adapted actively and rather quickly.

Adaptive control of event integration: evidence from event-related potentials

We investigated whether it is possible to control the temporal window of attention used to rapidly integrate visual information. To study the underlying neural mechanisms, we recorded ERPs in an attentional blink task, known to elicit Lag-1 sparing. Lag-1 sparing fosters joint integration of the two targets, evidenced by increased order errors. Short versus long integration windows were induced by showing participants mostly fast or slow stimuli. Participants expecting slow speed used a longer integration window, increasing joint integration. Difference waves showed an early (200 ms post-T2) negative and a late positive modulation (390 ms) in the fast group, but not in the slow group. The modulations suggest the creation of a separate event for T2, which is not needed in the slow group, where targets were often jointly integrated. This suggests that attention can be guided by global expectations of presentation speed within tens of milliseconds.

Control of a compliant two-axis robotic arm

In order to ease control, the links between actuators and robotic limbs are generally made to be as stiff as possible. This is in contrast to natural limbs, where compliance is present. Springs have been added to the drive train between the actuator and load to imitate this natural compliance. The majority of these springs have been in series between the actuator and load. However, a more biologically inspired approach is taken, here springs have been used in parallel to oppose each other. The paper will describe the application of parallel extension springs in a robot arm in order to give it compliance. Advantages and disadvantages of this application are discussed along with various control strategies.

Reach & grasp therapy: Design and control of a 9-DOF robotic neuro-rehabilitation system

This paper presents the Gentle/G integrated system for reach & grasp therapy retraining following brain injury. The design, control and integration of an experimental grasp assistance unit is described for use in robot assisted stroke rehabilitation. The grasp assist unit is intended to work with the hardware and software of the Gentle/S robot although the hardware could be adapted to other rehabilitation applications. When used with the Gentle/S robot a total of 6 active and 3 passive degrees of freedom are available to provide active, active assist or passive grasp retraining in combination with reaching movements in a reach-grasp-transfer-release sequence.