Design and Implementation of a Biologically Inspired Swimming Robot - An EPS@ISEP 2014 Spring Project

This paper presents the development of a fish-like robot called Bro-Fish. Bro-Fish aims to be an educational toy dedicated to teaching mechanics, programming and the physics of floating objects to youngsters. The underlying intention is to awaken the interest of children for technology, especially biomimetic (biologically inspired) approaches, in order to promote sustainability and raise the level of ecological awareness. The main focus of this project was to create a robot with carangiform locomotion and controllable swimming, providing the opportunity to customize parts and experiment with the physics of floating objects. Therefore, the locomotion principles of fishes and mechanisms developed in related projects were analysed. Inspired by this background knowledge, a prototype was designed and implemented. The main achievement is the new tail mechanism that propels the robot. The tail resembles the undulation motion of fish bodies and is actuated in an innovative way, triggered by an elegant movement of a rotating helicoidal. First experimental tests revealed the potential of the proposed methodology to effectively generate forward propulsion.

Development of Biomimetic Robots in the EPS Engineering Programme Capstone Project

This paper presents the development of a fish-like robot called Bro-Fish. Bro-Fish aims to be an educational toy dedicated to teaching mechanics, programming and the physics of floating objects to youngsters. The underlying intention is to awaken the interest of children for technology, especially biomimetic (biologically inspired) approaches, in order to promote sustainability and raise the level of ecological awareness. The main focus of this project was to create a robot with carangiform locomotion and controllable swimming, providing the opportunity to customize parts and experiment with the physics of floating objects. Therefore, the locomotion principles of fishes and mechanisms developed in related projects were analysed. Inspired by this background knowledge, a prototype was designed and implemented. The main achievement is the new tail mechanism that propels the robot. The tail resembles the undulation motion of fish bodies and is actuated in an innovative way, triggered by an elegant movement of a rotating helicoidal. First experimental tests revealed the potential of the proposed methodology to effectively generate forward propulsion.

A Visual Programming Framework for Wireless Sensor Networks in Smart Home Applications

International Conference on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing (ISSNIP 2015). 7 to 9, Apr, 2015. Singapure, Singapore.

Molecular and seroepidemiologic studies of Enterovirus 71 infection in the State of Pará, Brazil

In many countries, the Enterovirus 71 (EV-71) Picornaviridae family is associated to hand, foot and mouth disease in addition to acute neurological diseases while in Brazil these viruses are more closely associated to the latter group. The aim of this research was to use the first EV-71 isolate of the Northern region of Brazil in molecular and seroepidemiologic studies. Two (2.2%) out of 88 stool samples (44 cases of AFP), collected from January 1998 to December 2000 were positive for EV-71 isolation (73442/PA/99). Nucleotide sequence of the gen that codifies the VP1 protein showed that isolate 73442/PA/99 was similar to the EV-71 strains belonging to genotype B - more closely identified with EV-71 from North America. Neutralization test with 389 sera samples collected from January 1998 to November 2001, from individuals ranging from 0 to 15 years of age living in the city of Belém, State of Pará showed the following results in relation to isolate 73442/PA/99 and prototype BrCr: a total of 207 individuals (53.2%) had neutralization antibodies to both viruses, 167 (42.9%) had no antibodies and 15 showed the presence of neutralizing antibodies to one of the two viruses. Only 20.2% of the children aged 0 to 3 had neutralizing antibodies to EV-71, indicating that these children were more susceptible to the infection. Both the seroprevalence study and VP1 sequencing were important to demonstrate the spread and the molecular pattern of the EV-71 circulating in the Northern Region of Brazil.

TEC4SEA - A Modular Platform for Research, Test and Validation of Technologies Supporting a Sustainable Blue Economy

This paper presents the TEC4SEA research infrastructure created in Portugal to support research, development, and validation of marine technologies. It is a multidisciplinary open platform, capable of supporting research, development, and test of marine robotics, telecommunications, and sensing technologies for monitoring and operating in the ocean environment. Due to the installed research facilities and its privileged geographic location, it allows fast access to deep sea, and can support multidisciplinary research, enabling full validation and evaluation of technological solutions designed for the ocean environment. It is a vertically integrated infrastructure, in the sense that it possesses a set of skills and resources which range from pure conceptual research to field deployment missions, with strong industrial and logistic capacities in the middle tier of prototype production. TEC4SEA is open to the entire scientific and enterprise community, with a free access policy for researchers affiliated with the research units that ensure its maintenance and sustainability. The paper describes the infrastructure in detail, and discusses associated research programs, providing a strategic vision for deep sea research initiatives, within the context of both the Portuguese National Ocean Strategy and European Strategy frameworks.

Energy Harvesting for Autonomous Underwater Vehicles

In this study, energy production for autonomous underwater vehicles is investigated. This project is part of a bigger project called TURTLE. The autonomous vehicles perform oceanic researches at seabed for which they are intended to be kept operational underwater for several months. In order to ful l a long-term underwater condition, powerful batteries are combined with \micro- scale" energy production on the spot. This work tends to develop a system that generates power up to a maximum of 30 W. Latter energy harvesting structure consists basically of a turbine combined with a generator and low-power electronics to adjust the achieved voltage to a required battery charger voltage. Every component is examined separately hence an optimum can be de ned for all, and subsequently also an overall optimum. Di erent design parameters as e.g. number of blades, solidity ratio and cross-section area are compared for di erent turbines, in order to see what is the most feasible type. Further, a generator is chosen by studying how ux distributions might be adjusted to low velocities, and how cogging torque can be excluded by adapted designs. Low-power electronics are con gured in order to convert and stabilize heavily varying three-phase voltages to a constant, recti ed voltage which is usable for battery storage. Clearly, di erent component parameters as maximum power and torque are matched here to increase the overall power generation. Furthermore an overall maximum power is set up for achieving a maximum power ow at load side. Due to among others typical low velocities of about 0.1 to 0.5 m/s, and constructing limits of the prototype, the vast range of components is restricted to only a few that could be used. Hence, a helical turbine is combined in a direct drive mode to a coreless-stator axial- ux permanent-magnet generator, from which the output voltage is adjusted subsequently by a recti er, impedance matching unit, upconverter circuit and an overall control unit to regulate di erent component parameters. All these electronics are combined in a closed-loop design to involve positive feedback signals. Furthermore a theoretical con guration for the TURTLE vehicle is described in this work and a solution is proposed that might be implemented, for which several design tests are performable in a future study.

Análise do Desempenho de Técnicas de Otimização no Problema de Escalonamento

A optimização nas aplicações modernas assume um carácter fortemente interdisciplinar, relacionando-se com a necessidade de integração de diferentes técnicas e paradigmas na resolução de problemas reais complexos. O problema do escalonamento é recorrente no planeamento da produção. Sempre que uma ordem de fabrico é lançada, é necessário determinar que recursos serão utilizados e em que sequência as atividades serão executadas, para otimizar uma dada medida de desempenho. Embora ainda existam empresas a abordar o problema do escalonamento através de simples heurísticas, a proposta de sistemas de escalonamento tem-se evidenciado na literatura. Pretende-se nesta dissertação, a realização da análise de desempenho de Técnicas de Optimização, nomeadamente as meta-heurísticas, na resolução de problemas de optimização complexos – escalonamento de tarefas, particularmente no problema de minimização dos atrasos ponderados, 1||ΣwjTj. Assim sendo, foi desenvolvido um protótipo que serviu de suporte ao estudo computacional, com vista à avaliação do desempenho do Simulated Annealing (SA) e o Discrete Artificial Bee Colony (DABC). A resolução eficiente de um problema requer, em geral, a aplicação de diferentes métodos, e a afinação dos respetivos parâmetros. A afinação dos parâmetros pode permitir uma maior flexibilidade e robustez mas requer uma inicialização cuidadosa. Os parâmetros podem ter uma grande influência na eficiência e eficácia da pesquisa. A sua definição deve resultar de um cuidadoso esforço experimental no sentido da respectiva especificação. Foi usado, no âmbito deste trabalho de mestrado, para suportar a fase de parametrização das meta-heurísticas em análise, o planeamento de experiências de Taguchi. Da análise dos resultados, foi possível concluir que existem vantagem estatisticamente significativa no desempenho do DABC, mas quando analisada a eficiência é possível concluir que há vantagem do SA, que necessita de menos tempo computacional.

Establishing the main Guidelines for Cast Steel to Produce Truck Parts

Este trabalho foi realizado na Scania CV AB e teve como principal objectivo estabelecer uma diretriz sobre a possível utilização de aços vazados. Existe uma grande necessidade na realização deste trabalho, de forma a apoiar os engenheiros de projecto no seu processo de selecção dos materiais mais adequados, para produzir componentes mais leves e de elevado desempenho. Esta diretriz apresenta informação relacionada com propriedades mecânicas, processos de fundição, vazabilidade, tipologia de defeitos, tratamentos térmicos, soldabilidade e tratamentos superficiais dos aços vazados. Este trabalho foi limitado, na seleção de materiais para componentes do camião, a aços vazados que poderiam ser aplicados em dois componentes específicos: um componente estrutural da carroçaria sujeito a esforços de fadiga e a um colector de gases de combustão, sujeito a fluência, oxidação, fadiga por corrosão, fadiga-térmica e fadiga-mecânica. Foi realizado um benchmark focado nestes dois componentes de forma a saber que materiais são utilizados de momento por outras empresas concorrentes. Foi realizada ainda uma análise sobre possíveis materiais que possam ser aplicados em cada componente referido. Foi conduzida uma caracterização no estado bruto de fundição de um aço inoxidável vazado usado para produzir um protótipo do colector de gases. Esta caracterização consistiu numa análise microestrutural e medição de macro e microdurezas. Além da caracterização inicial, foram aplicados um conjunto de tratamentos térmicos, de forma a estudar a possibilidade de eliminar os carbonetos presentes inicialmente nas fronteiras de grão. As principais conclusões deste trabalho são que o aço vazado apresenta potencial para ser uma escolha válida em diversas aplicações, devido a um leque alargado de propriedades apresentadas tipicamente por este material. Relativamente a aplicações estruturais, o aço vazado é vantajoso comparativamente ao ferro fundido, quando são requeridos, por exemplo, soldabilidade e elevada resistência, combinada com elevada tenacidade à fractura. Para componentes sujeitos a elevadas temperaturas de serviço, o aço inoxidável vazado é vantajoso quando usado a temperaturas superiores a 750°C, apesar do seu elevado custo. O tratamento térmico composto por um recozimento de solubilização seguido de envelhecimento, elimina quase na totalidade os carbonetos presentes nas fronteiras de grão e verifica-se um aumento de dureza através de uma precipitação de carbonetos finamente dispersos na matriz, que poderão também aumentar a resistência à fluência.

Simulação de Robôs Quadrúpedes Utilizando o SimMechanics

Desde sempre o Homem procurou automatizar tarefas repetitivas. Tanto na indústria como no sector doméstico ou de comércio estão constantemente a surgir novos equipamentos procurando aumentar o nível de automação de diversas tarefas. A necessidade de empresas criadoras de produtos inovadores se manterem concorrenciais obrigou à adopção de métodos de projecto e planeamento mais estruturados e eficientes que eliminem os desperdícios tanto de material como de tempo. Diversas construções em termos orçamentais e o aumento da procura de produtos de alta qualidade a baixo custo deu origem a um novo tipo de programas, os programas de simulação virtual. Tal como na indústria, também na investigação nas Instituições de Ensino Superior se procuram adoptar os métodos de trabalho mais eficientes possíveis. Uma parte dos programas de simulação robótica utilizados hoje em dia na investigação no Instituto Superior de Engenharia do Porto estão concebidos em linguagem C. Embora esta linguagem seja extremamente capaz, existem métodos mais adequados de simulação que aceleram o processo de modelação permitindo a visualização do movimento e simulação de diversas situações potencialmente criticas sem existir a necessidade de construção de um protótipo funcional do robô. Durante o último ano, este projecto permitiu construir um modelo de um robô quadrúpede num programa de simulação virtual chamado Simmechanics™. Embora haja já algum trabalho desenvolvido nesta área, constatou-se que a informação existente possuía algumas lacunas. Com o trabalho desenvolvido preparou-se esta dissertação que pretende clarificar algumas questões que surgem na modelação de um robô. Neste documento explica-se como modelar um robô de corpo flexível, modelar as pernas e as respectivas juntas da anca e do joelho assim como também se apresenta a modelação de um contacto com o solo recorrendo a um modelo descrito na literatura. Este documento foi escrito a pensar no leitor, procurando-se explicar de forma simples mas concisa os diversos passos necessários para construir um modelo virtual de um robô. O autor espera, desta forma, ajudar futuros colegas que pretendam trabalhar com o Simmechanics™ a mais facilmente se integrarem com o programa aumentando desta forma o declive da curva de aprendizagem e permitindo um maior aproveitamento desta ferramenta.

Sistema Inteligente de Apoio ao Coach

O coaching é um processo que permite ajudar um ou mais indivíduos a definirem e saberem como concretizar os seus objetivos, sejam eles pessoais ou profissionais. Atualmente, existe um interesse e procura crescente de pessoas com experiência nesta área (designados por coaches) por parte de empresas, equipas desportivas, escolas e outras organizações, com a finalidade de obter um maior rendimento. De forma a ajudar os intervenientes no processo, este documento demonstra a necessidade de existir uma ferramenta de apoio que permite aos coaches gerirem melhor a sua atividade profissional. A pesquisa e estudo efetuados procuram responder a este caso, desenvolvendo um sistema informático inteligente de apoio ao coach dotado de uma interface centrada no utilizador. Antes de iniciar o desenvolvimento de um sistema inteligente é necessário realizar e apresentar um levantamento do estado da arte, mais concretamente sobre a interação homem-computador, modelação do perfil de utilizador e processo de coaching, que apresenta os fundamentos teóricos para a escolha da metodologia de desenvolvimento adequado. São apresentadas posteriormente as fases constituintes do modelo de desenvolvimento de interfaces escolhido, a engenharia de usabilidade, que se inicia com uma análise detalhada, permitindo de seguida uma estruturação dos conhecimentos obtidos e a aplicação de linhas de orientação estipuladas, finalizando com testes de utilização e respetivo feedback dos utilizadores. O protótipo desenvolvido distingue utilizadores com diferentes características, através de uma classificação por níveis e permite gerir todo o processo de coaching efetuado a outras pessoas ou ao próprio utilizador. O facto de existir uma classificação dos utilizadores faz com que a interação entre sistema e utilizadores seja diferente e adaptada às necessidades de cada um. O resultado dos testes de utilização com um caso prático e dos questionários efetuados permite detetar se o modelo foi bem-sucedido e funciona corretamente e o que é necessário alterar no futuro para facilitar a interação e satisfazer as necessidades de cada utilizador.

Developing an aquaponics system to learn sustainability and social compromise skills

The goal of this project, one of the proposals of the EPS@ISEP Spring 2014, was to develop an Aquaponics System. Over recent years Aquaponics systems have received increased attention since they contribute to reduce the strain on resources within 1st and 3rd world countries. Aquaponics is the combination of Hydroponics and Aquaculture, mimicking a natural environment in order to successfully apply and enhance the understanding of natural cycles within an indoor process. Using this knowledge of natural cycles, it was possible to create a system with capabilities similar to that of a natural environment with the support of electronics, enhancing the overall efficiency of the system. The multinational team involved in the development of this system was composed of five students from five countries and fields of study. This paper describes their solution, including the overall design, the technology involved and the benefits it can bring to the current market. The team was able to design and render the Computer Aided Design (CAD) drawings of the prototype, assemble all components, successfully test the electronics and comply with the budget. Furthermore, the designed solution was supported by a product sustainability study and included a specific marketing plan. Last but not least, the students enrolled in this project obtained new multidisciplinary knowledge and increased their team work and cross-cultural communication skills.

Learning sustainability by developing a solar dryer for microalgae retrieval

The development of nations depends on energy consumption, which is generally based on fossil fuels. This dependency produces irreversible and dramatic effects on the environment, e.g. large greenhouse gas emissions, which in turn cause global warming and climate changes, responsible for the rise of the sea level, floods, and other extreme weather events. Transportation is one of the main uses of energy, and its excessive fossil fuel dependency is driving the search for alternative and sustainable sources of energy such as microalgae, from which biodiesel, among other useful compounds, can be obtained. The process includes harvesting and drying, two energy consuming steps, which are, therefore, expensive and unsustainable. The goal of this EPS@ISEP Spring 2013 project was to develop a solar microalgae dryer for the microalgae laboratory of ISEP. A multinational team of five students from distinct fields of study was responsible for designing and building the solar microalgae dryer prototype. The prototype includes a control system to ensure that the microalgae are not destroyed during the drying process. The solar microalgae dryer works as a distiller, extracting the excess water from the microalgae suspension. This paper details the design steps, the building technologies, the ethical and sustainable concerns and compares the prototype with existing solutions. The proposed sustainable microalgae drying process is competitive as far as energy usage is concerned. Finally, the project contributed to increase the deontological ethics, social compromise skills and sustainable development awareness of the students.

Proactive services ecosystem framework

Dissertation presented to obtain the degree of Doctor in Electrical and Computer Engineering, specialization on Collaborative Enterprise Networks

Tutor Inteligente para o Ensino em Medicina

O objectivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de um protótipo que possibilita a adaptação do conteúdo disponibilizado de acordo com as características pessoais e psicológicas do aluno, aplicado no ensino da Medicina, nomeadamente na componente de Desenho de Estudos da disciplina de Introdução à Medicina. Para o protótipo desenvolvido foi definida uma arquitectura constituída por três componentes: um Modelo de Aluno que engloba as características pessoais e psicológicas do aluno, um Modelo de Domínio constituído por um grafo de conceitos e um Modelo Pedagógico formado pelas regras de adaptação e mecanismos de interação utilizados para obter uma solução adaptativa. Os diferentes componentes desenvolvidos para este protótipo permitem que este apresente as seguintes funcionalidades: Acesso ao conceito adequado, tendo em consideração o nível de conhecimento do aluno; Visualização de conte udos adequados ao estilo de aprendizagem do aluno; Adaptação do percurso do aluno de acordo com os resultados obtidos; Atualização das preferências de aprendizagem, com base no comportamento demonstrado pelo aluno na interação com o sistema. A primeira versão da ferramenta j a foi implementada. No entanto ainda será realizada a avaliação do protótipo em ambiente de aprendizagem, com a maior brevidade possível.

Sistema para avaliação das vibrações no braço e ombro de um tenista

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um módulo capaz de medir a intensidade das vibrações sofridas por um tenista no braço e ombro durante um jogo. Numa primeira fase foi estudada a biomecânica do braço humano e a biomecânica dos movimentos envolvidos no ténis. Foi realizada uma pesquisa sobre os dispositivos MEMs mais adequados bem como o hardware e software a utilizar, tendo sido analisados os requisitos do sistema a implementar. Foi desenvolvido um protótipo electrónico microcontrolado compacto e de baixo custo baseado na utilização de sensores microeletromecânicos (MEMs) de aceleração, permitindo obter informações biomecânicas do desportista e monitoriza-lo durante o treino de maneira não evasiva, possibilitando que ele esteja no seu ambiente natural de treino. O sistema envia as informações dos sensores para um PC através da porta USB sendo estas processados no mesmo. Foi desenvolvida uma interface gráfica intuitiva, para a apresentação dos dados resultantes das medidas, de fácil leitura pelos treinadores. Esta interface grava e apresenta os dados em tempo real. Os testes de campo foram realizados no campo de ténis que existe na Quinta das Freiras em Rio Tinto. O protótipo é de fácil fixação no atleta e permite a monitorização no local de treino sendo pequeno ((20x15mm) e muito leve (2g), tornando-se uma alternativa versátil para o auxilio de atletas e treinadores, aperfeiçoamento da técnica e como ferramenta de pesquisa na área de educação física.