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.

Mesh Adaption for Tracking Vortex Structures in OVERTURNS Simulation of the S-76 Rotor in Hover

The constant need to improve helicopter performance requires the optimization of existing and future rotor designs. A crucial indicator of rotor capability is hover performance, which depends on the near-body flow as well as the structure and strength of the tip vortices formed at the trailing edge of the blades. Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers must balance computational expenses with preservation of the flow, and to limit computational expenses the mesh is often coarsened in the outer regions of the computational domain. This can lead to degradation of the vortex structures which compose the rotor wake. The current work conducts three-dimensional simulations using OVERTURNS, a three-dimensional structured grid solver that models the flow field using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations. The S-76 rotor in hover was chosen as the test case for evaluating the OVERTURNS solver, focusing on methods to better preserve the rotor wake. Using the hover condition, various computational domains, spatial schemes, and boundary conditions were tested. Furthermore, a mesh adaption routine was implemented, allowing for the increased refinement of the mesh in areas of turbulent flow without the need to add points to the mesh. The adapted mesh was employed to conduct a sweep of collective pitch angles, comparing the resolved wake and integrated forces to existing computational and experimental results. The integrated thrust values saw very close agreement across all tested pitch angles, while the power was slightly over predicted, resulting in under prediction of the Figure of Merit. Meanwhile, the tip vortices have been preserved for multiple blade passages, indicating an improvement in vortex preservation when compared with previous work. Finally, further results from a single collective pitch case were presented to provide a more complete picture of the solver results.

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.

Intégration de pales en céramique dans un rotor de microturbine axiale en configuration renversée

Le marché de l'énergie distribuée est actuellement en pleine expansion et favorise l'intégration d'une multitude de sources d'énergie, et les machines à combustion interne ne sont pas exclues. Les moteurs à piston sont actuellement les principaux acteurs du marché, en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût en capital. Cependant, la réglementation de plus en plus sévère sur les émissions ainsi que les coûts liés à la maintenance et les temps d'arrêt sont prohibitifs pour ce type de machines, en particulier dans le segment de basse puissance et de production d’énergie et de chaleur combinées (CHP). C'est là que les microturbines opérant sous le cycle récupéré – de petites turbines à gaz qui produisent moins de 1 MW de puissance – ont un avantage concurrentiel, grâce à moins de pièces en mouvement, une combustion plus propre et une température élevée d'échappement. Les petites turbomachines récupérées doivent atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) très élevées, requises pour atteindre 40% de rendement thermique. Les céramiques non refroidies offrent une solution très attrayante, avec plusieurs essais mais des résultats peu concluants dans la littérature. Ce travail présente une nouvelle architecture qui prend en charge des pales en céramique monolithique dans un environnement d’opération à chaud. La turbine renversée en céramique (ICT) est constituée d'un moyeu métallique flexible qui fournit une base souple pour les pales individuelles en céramique qui sont supportées par l'extérieur par un anneau en composite carbone-polymère. Les forces centrifuges chargent les pales en compression au lieu d’en tension, exploitant ainsi la résistance en compression typiquement élevée des céramiques techniques. Le document présente la validation expérimentale entreprise pour vérifier l'intégrité structurelle d’un prototype de configuration ICT à petite échelle, dans des conditions de fonctionnement à froid et à chaud, ainsi que les étapes qui y ont mené. Les résultats expérimentaux montrent que l'ICT supporte des pales en alumine dans les tests à froid et le nitrure de silicium pour des températures d'entrée du rotor jusqu'à 1000 K, avec des vitesses de pointe de pale atteignant 271 m/s. L’incursion d’objet domestique, l'événement le plus désastreux à se produire dans les turbines en céramique dans la littérature, n'a pas causé de dommages aux pales dans cette configuration. Ces résultats indiquent que l'architecture ICT est robuste et viable, et que le développement peut être poursuivi pour augmenter la TIT et la vitesse de pointe de la turbine, afin d’éventuellement parvenir à une microturbine récupérée en céramique de 1600 K de TIT.

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.

Direct Kinematics of Underactuated Cable-Driven Parallel Robots: Sensitivity to Redundant Measurements

Underactuated cable-driven parallel robots (UACDPRs) shift a 6-degree-of-freedom end-effector (EE) with fewer than 6 cables. This thesis proposes a new automatic calibration technique that is applicable for under-actuated cable-driven parallel robots. The purpose of this work is to develop a method that uses free motion as an exciting trajectory for the acquisition of calibration data. The key point of this approach is to find a relationship between the unknown parameters to be calibrated (the lengths of the cables) and the parameters that could be measured by sensors (the swivel pulley angles measured by the encoders and roll-and-pitch angles measured by inclinometers on the platform). The equations involved are the geometrical-closure equations and the finite-difference velocity equations, solved using the least-squares algorithm. Simulations are performed on a parallel robot driven by 4 cables for validation. The final purpose of the calibration method is, still, the determination of the platform initial pose. As a consequence of underactuation, the EE is underconstrained and, for assigned cable lengths, the EE pose cannot be obtained by means of forward kinematics only. Hence, a direct-kinematics algorithm for a 4-cable UACDPR using redundant sensor measurements is proposed. The proposed method measures two orientation parameters of the EE besides cable lengths, in order to determine the other four pose variables, namely 3 position coordinates and one additional orientation parameter. Then, we study the performance of the direct-kinematics algorithm through the computation of the sensitivity of the direct-kinematics solution to measurement errors. Furthermore, position and orientation error upper limits are computed for bounded cable lengths errors resulting from the calibration procedure, and roll and pitch angles errors which are due to inclinometer inaccuracies.

Mechanical design and hybrid control strategies for overconstrained cable-driven parallel robots

Cable-driven parallel robots offer significant advantages in terms of workspace dimensions and payload capability. They are attractive for many industrial tasks to be performed on a large scale, such as handling and manufacturing, without a substantial increase in costs and mechanical complexity with respect to a small-scale application. However, since cables can only sustain tensile stresses, cable tensions must be kept within positive limits during the end-effector motion. This problem can be managed by overconstraining the end-effector and controlling cable tensions. Tension control is typically achieved by mounting a load sensor on all cables, and using specific control algorithms to avoid cable slackness or breakage while the end-effector is controlled in a desired position. These algorithms require multiple cascade control loops and they can be complex and computationally demanding. To simplify the control of overconstrained cable-driven parallel robots, this Thesis proposes suitable mechanical design and hybrid control strategies. It is shown how a convenient design of the cable guidance system allows kinematic modeling to be simplified, without introducing geometric approximations. This guidance system employs swiveling pulleys equipped with position and tension sensors and provides a parallelogram arrangement of cables. Furthermore, a hybrid force/position control in the robot joint space is adopted. According to this strategy, a particular set of cables is chosen to be tension-controlled, whereas the other cables are length-controlled. The force-controlled cables are selected based on the computation of a novel index called force-distribution sensitivity to cable-tension errors. This index aims to evaluate the maximum expected cable-tension error in the length-controlled cables if a unit tension error is committed in the force-controlled cables. In practice, the computation of the force-distribution sensitivity allows determining which cables are best to be force-controlled, to ensure the lowest error in the overall force distribution when a hybrid force/position joint-space strategy is used.

Trajectory planning of single and dual-arm robots for time-optimal handling of liquids and objects

This Thesis studies the optimal control problem of single-arm and dual-arm serial robots to achieve the time-optimal handling of liquids and objects. The first topic deals with the planning of time-optimal anti-sloshing trajectories of an industrial robot carrying a cylindrical container filled with a liquid, considering 1-dimensional and 2-dimensional planar motions. A technique for the estimation of the sloshing height is presented, together with its extension to 3-dimensional motions. An experimental validation campaign is provided and discussed to assess the thoroughness of such a technique. As far as anti-sloshing trajectories are concerned, 2-dimensional paths are considered and, for each one of them, three constrained optimizations with different values of the sloshing-height thresholds are solved. Experimental results are presented to compare optimized and non-optimized motions. The second part focuses on the time-optimal trajectory planning for dual-arm object handling, employing two collaborative robots (cobots) and adopting an admittance-control strategy. The chosen manipulation approach, known as cooperative grasping, is based on unilateral contact between the cobots and the object, and it may lead to slipping during motion if an internal prestress along the contact-normal direction is not prescribed. Thus, a virtual penetration is considered, aimed at generating the necessary internal prestress. The stability of cooperative grasping is ensured as long as the exerted forces on the object remain inside the static-friction cone. Constrained-optimization problems are solved for 3-dimensional paths: the virtual penetration is chosen among the control inputs of the problem and friction-cone conditions are treated as inequality constraints. Also in this case experiments are presented in order to prove evidence of the firm handling of the object, even for fast motions.