Neural network-based H(infinity) control for fully actuated and underactuated cooperative manipulators

This paper develops H(infinity) control designs based on neural networks for fully actuated and underactuated cooperative manipulators. The neural networks proposed in this paper only adapt the uncertain dynamics of the robot manipulators. They work as a complement of the nominal model. The H(infinity) performance index includes the position errors as well the squeeze force errors between the manipulator end-effectors and the object, which represents a complete disturbance rejection scenario. For the underactuated case, the squeeze force control problem is more difficult to solve due to the loss of some degrees of manipulator actuation. Results obtained from an actual cooperative manipulator, which is able to work as a fully actuated and an underactuated manipulator, are presented. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Coloured Petri nets and graphical simulation for the validation of a robotic cell in aircraft industry

This paper proposes a mixed validation approach based on coloured Petri nets and 3D graphic simulation for the design of supervisory systems in manufacturing cells with multiple robots. The coloured Petri net is used to model the cell behaviour at a high level of abstraction. It models the activities of each cell component and its coordination by a supervisory system. The graphical simulation is used to analyse and validate the cell behaviour in a 3D environment, allowing the detection of collisions and the calculation of process times. The motivation for this work comes from the aeronautic industry. The automation of a fuselage assembly process requires the integration of robots with other cell components such as metrological or vision systems. In this cell, the robot trajectories are defined by the supervisory system and results from the coordination of the cell components. The paper presents the application of the approach for an aircraft assembly cell under integration in Brazil. This case study shows the feasibility of the approach and supports the discussion of its main advantages and limits. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Accelerating autonomous learning by using heuristic selection of actions

This paper investigates how to make improved action selection for online policy learning in robotic scenarios using reinforcement learning (RL) algorithms. Since finding control policies using any RL algorithm can be very time consuming, we propose to combine RL algorithms with heuristic functions for selecting promising actions during the learning process. With this aim, we investigate the use of heuristics for increasing the rate of convergence of RL algorithms and contribute with a new learning algorithm, Heuristically Accelerated Q-learning (HAQL), which incorporates heuristics for action selection to the Q-Learning algorithm. Experimental results on robot navigation show that the use of even very simple heuristic functions results in significant performance enhancement of the learning rate.

Highly integrated and automated high-speed grinding system for printer heads constructed by combination materials

The fabrication of heavy-duty printer heads involves a great deal of grinding work. Previously in the printer manufacturing industry, four grinding procedures were manually conducted in four grinding machines, respectively. The productivity of the whole grinding process was low due to the long loading time. Also, the machine floor space occupation was large because of the four separate grinding machines. The manual operation also caused inconsistent quality. This paper reports the system and process development of a highly integrated and automated high-speed grinding system for printer heads. The developed system, which is believed to be the first of its kind, not only produces printer heads of consistently good quality, but also significantly reduces the cycle time and machine floor space occupation.

Early Complication Rates in a Single-Surgeon Series of 2500 Robotic-Assisted Radical Prostatectomies: Report Applying a Standardized Grading System

Background: Perioperative complications following robotic-assisted radical prostatectomy (RARP) have been previously reported in recent series. Few studies, however, have used standardized systems to classify surgical complications, and that inconsistency has hampered accurate comparisons between different series or surgical approaches. Objective: To assess trends in the incidence and to classify perioperative surgical complications following RARP in 2500 consecutive patients. Design, setting, and participants: We analyzed 2500 patients who underwent RARP for treatment of clinically localized prostate cancer (PCa) from August 2002 to February 2009. Data were prospectively collected in a customized database and retrospectively analyzed. Intervention: All patients underwent RARP performed by a single surgeon. Measurements: The data were collected prospectively in a customized database. Complications were classified using the Clavien grading system. To evaluate trends regarding complications and radiologic anastomotic leaks, we compared eight groups of 300 patients each, categorized according the surgeon`s experience (number of cases). Results and limitations: Our median operative time was 90 min (interquartile range [IQR]: 75-100 min). The median estimated blood loss was 100 ml (IQR: 100-150 ml). Our conversion rate was 0.08%, comprising two procedures converted to standard laparoscopy due to robot malfunction. One hundred and forty complications were observed in 127 patients (5.08%). The following percentages of patients presented graded complications: grade 1, 2.24%; grade 2, 1.8%; grade 3a, 0.08%; grade 3b, 0.48%; grade 4a, 0.40%. There were no cases of multiple organ dysfunction or death (grades 4b and 5). There were significant decreases in the overall complication rates (p = 0.0034) and in the number of anastomotic leaks (p < 0.001) as the surgeon`s experience increased. Conclusions: RARP is a safe option for treatment of clinically localized PCa, presenting low complication rates in experienced hands. Although the robotic system provides the surgeon with enhanced vision and dexterity, proficiency is only accomplished with consistent surgical volume; complication rates demonstrated a tendency to decrease as the surgeon`s experience increased. (C) 2010 European Association of Urology. Published by Elsevier B. V. All rights reserved.

Oral Hygiene Indirect Instruction and Periodic Reinforcements: Effects on Index Plaque in Schoolchildren

The aim of this study was to evaluate the effectiveness of the indirect instruction and the influence of the periodic reinforcement on the plaque index in schoolchildren. Forty schoolchildren aged from 7 to 9 years old were selected from a public school. After determining the initial O`Leary Plaque Index all schoolchildren were submitted to a program for oral hygiene through indirect instruction - ""The Smiling Robot"". The schoolchildren were divided into 2 groups: with and without motivation reinforcement. The index plaque exam was performed in both groups after 30, 60 and 90 days of the educational program. Comparing the groups, the plaque index decreasing could be observed in the group with reinforcement with statistically significant difference. For the group with reinforcement, statistically significant difference among the evaluations was found. For the group without reinforcement, significant decrease in the plaque index was found after 30 days when compared to the first, third and fourth evaluations. The indirect instruction with ""The Smiling Robot ""promoted a positive initial impact on the decrease of plaque index in the schoolchildren. The periodic reinforcements showed snore suitable results and significant reduction of the plaque index in the course of the evaluations.

Exogenous Slit2 does not affect ureteric branching or nephron formation during kidney development

In an attempt to elucidate the role of Slit2 invertebrate kidney development, the effect of adding exogenous human Slit2 protein (hSlit2) to developing murine metanephric kidney explants was examined. To confirm the activity of the recombinant Slit2 protein, neurons from 8 day old chick sympathetic nerve chain dorsal root ganglia were cultured with hSlit2 protein, which induced significant neurite branching and outgrowth. Using kidney explants as a model system, metanephric development in the presence of hSlit2 protein was examined. Addition of hSlit2 up to a final concentration of 1 mug/ml had no detectable effect on the formation of nephrons or on branching morphogenesis of the ureteric tree after 2 or 4 days in culture, as assessed via immunofluorescence for the markers WT1 and calbindin 28K respectively. Similarly, maturation of the nephrogenic mesenchyme occurred in a phenotypically normal fashion. In situ analysis of the Slit receptors, Robot and Robot, the vasculogenic markers VEGFA and Flk-1, and the stromal cell marker BF2 displayed no difference in comparison to controls.

Aprendizagem por imitação através de mapeamento Visuomotor baseado em imagens omnidirecionais

Este trabalho propõe uma metodologia de aprendizagem que permite a um robô aprender uma tarefa adaptando-a e representando-a de acordo com a sua capacidade motora e sensorial. Primeiramente, um mapeamento sensoriomotor é criado e converte informação sensorial em informação motora. Depois, através de imitação, o robô aprende um conjunto de ações elementares formando um vocabulário motor. A imitação é baseada nas representações motoras obtidas com o mapeamento sensoriomotor. O vocabulário motor criado é então utilizado para aprender e realizar tarefas mais sofisticadas, compostas por seqüências ou combinações de ações elementares. Esta metodologia é ilustrada através de uma aplicação de mapeamento e navegação topológica com um robô móvel. O automovimento é utilizado como mapeamento visuomotor, convertendo o fluxo óptico em imagens omnidirecionais em informação motora (translação e rotação), a qual é usada para a criação de um vocabulário motor. A seguir, o vocabulário é utilizado para mapeamento e navegação topológica. Os resultados obtidos são interessantes e a abordagem proposta pode ser estendida a diferentes robôs e aplicações.

Uma contribuição ao estudo de sinais de EEG para avaliar estados emocionais e mentais de crianças com autismo na interação com robô móvel

O Transtorno do Espectro do Autismo (TEA) caracteriza-se por uma série de distúrbios cognitivos e neurocomportamentais e sua prevalência mundial é estimada em 1 criança com TEA a cada 160 crianças com típico desenvolvimento (TD). Indivíduos com TEA apresentam dificuldade em interpretar as emoções alheias e em expressar sentimentos. As emoções podem ser associadas à manifestação de sinais fisiológicos, e, dentre eles, os sinais cerebrais têm sido muito abordados. A detecção dos sinais cerebrais de crianças com TEA pode ser benéfica para o esclarecimento de suas emoções e expressões. Atualmente, muitas pesquisas integram a robótica ao tratamento pedagógico do TEA, através da interação com crianças com esse transtorno, estimulando habilidades sociais, como a imitação e a comunicação. A avaliação dos estados mentais de crianças com TEA durante a sua interação com um robô móvel é promissora e assume um aspecto inovador. Assim, os objetivos deste trabalho foram captar sinais cerebrais de crianças com TEA e de crianças com TD, como grupo controle, para o estudo de seus estados emocionais e para avaliar seus estados mentais durante a interação com um robô móvel, e avaliar também a interação dessas crianças com o robô, através de escalas quantitativas. A técnica de registro dos sinais cerebrais escolhida foi a eletroencefalografia (EEG), a qual utiliza eletrodos colocados de forma não invasiva e não dolorosa sobre o couro cabeludo da criança. Os métodos para avaliar a eficiência do uso da robótica nessa interação foram baseados em duas escalas internacionais quantitativas: Escala de Alcance de Metas (do inglês Goal Attainment Scaling - GAS) e Escala de Usabilidade de Sistemas (do inglês System Usability Scale - SUS). Os resultados obtidos mostraram que, pela técnica de EEG, foi possível classificar os estados emocionais de crianças com TD e com TEA e analisar a atividade cerebral durante o início da interação com o robô, através dos ritmos alfa e beta. Com as avaliações GAS e SUS, verificou-se que o robô móvel pode ser considerado uma potencial ferramenta terapêutica para crianças com TEA.

Um algoritmo PSO híbrido para planejamento de caminhos em navegação de veículos utilizando A*

Utilizar robôs autônomos capazes de planejar o seu caminho é um desafio que atrai vários pesquisadores na área de navegação de robôs. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo implementar um algoritmo PSO híbrido para o planejamento de caminhos em ambientes estáticos para veículos holonômicos e não holonômicos. O algoritmo proposto possui duas fases: a primeira utiliza o algoritmo A* para encontrar uma trajetória inicial viável que o algoritmo PSO otimiza na segunda fase. Por fim, uma fase de pós planejamento pode ser aplicada no caminho a fim de adaptá-lo às restrições cinemáticas do veículo não holonômico. O modelo Ackerman foi considerado para os experimentos. O ambiente de simulação de robótica CARMEN (Carnegie Mellon Robot Navigation Toolkit) foi utilizado para realização de todos os experimentos computacionais considerando cinco instâncias de mapas geradas artificialmente com obstáculos. O desempenho do algoritmo desenvolvido, A*PSO, foi comparado com os algoritmos A*, PSO convencional e A* Estado Híbrido. A análise dos resultados indicou que o algoritmo A*PSO híbrido desenvolvido superou em qualidade de solução o PSO convencional. Apesar de ter encontrado melhores soluções em 40% das instâncias quando comparado com o A*, o A*PSO apresentou trajetórias com menos pontos de guinada. Investigando os resultados obtidos para o modelo não holonômico, o A*PSO obteve caminhos maiores entretanto mais suaves e seguros.

Sistema de medição dos deslocamentos da rótula para disgnóstico

Existem várias patologias associadas à luxação da rótula, causadas pelo seu movimento anormal. Geralmente congénita, esta condição provoca dor, dano à cartilagem, artrite e por vezes necessita de cirurgia. As medições do movimento são feitas com recurso a equipamentos de alto custo, ou através do método clínico, que apenas os médicos mais experientes usam com fiabilidade, sendo sempre subjectivo. Actualmente não existe qualquer sistema comercial para a medição não invasiva de baixo custo dos movimentos da rótula. De modo a responder a esta necessidade, este trabalho tem como objectivo o desenvolvimento de um sistema de baixo custo para medição digital do deslocamento da rótula em diferentes ângulos entre o fémur e a tíbia. Como conceito de partida foi idealizado utilizar um sensor de movimento em seis dimensões, fixo de uma forma não invasiva sobre a rótula. O dispositivo tem como requisitos iniciais ser reutilizável e de baixo custo. Criou-se um Design Brief para identificar o contexto e necessidades específicas para este trabalho e traçar objectivos utilizando metodologias de desenvolvimento de produto. Foram desenvolvidos conceitos para um dispositivo de suporte do sensor de movimento 6D, dos quais alguns foram seleccionados para prototipagem e teste, explorando vários processos de manufactura na perseguição dos objectivos propostos. Foram estabelecidas métricas para monitorização contínua da evolução dos conceitos e selecção do conceito final, que foi sujeito a uma série de testes de validação. A validação do sensor e do dispositivo foi feita com testes de usabilidade, com a aferição por um robot programável e com medições in vivo em 20 joelhos sem patologia. Apesar da alta precisão do sensor, não foi possível obter medições que possam reproduzir com fiabilidade o movimento da rótula nos sujeitos observados. A pele foi o factor que mais influenciou as medições, provocando o deslocamento do dispositivo em relação à rótula e desta forma alterou significativamente os resultados. Assim, recomenda-se a continuação da investigação com o intuito de melhor quantificar o movimento da rótula e fornecer informação para melhorar a fiabilidade da utilização de dispositivos de medição em seis dimensões.

Dimensionamento de um silo em betão armado para stockagem de cimento com fundações indirectas

O presente trabalho é o corolário do curso de engenharia civil, para a obtenção do grau de Mestre, tendo-se optado pela elaboração do dimensionamento de um Silo em betão armado. O projecto inclui os elementos necessários para uma correcta execução desta estrutura. Os silos são construções, que em função da sua finalidade de utilização estão sujeitos a diversas acções peculiares. No presente trabalho foram consideradas as acções, indicadas nos Eurocódigos para este tipo de estruturas, nomeadamente a acção gerada pela presença do material ensilado, que conduz a um conjunto de pressões horizontais e verticais nas paredes do Silo, bem como a acção causada pelo gradiente de temperatura, devido ao material ensilado (120ºC). O estudo realizado para o dimensionamento do Silo, foi feito considerando a discretização do mesmo através de um programa de elementos finitos, tendo a introdução da estrutura sido realizada em computador com recurso ao “SAP2000”. Foram estudados 2 modelos: O primeiro partindo de uma configuração unifilar em que se consideraram apenas elementos ditos frames (barras), o qual serviu basicamente para o pré dimensionamento da estrutura. O segundo mais completo em que a estrutura foi analisada a partir de um conjunto que incluía a modelação de todos os elementos previamente dimensionados, com recurso a outros softwares (Robot), folhas de cálculo, tabelas e ábacos. Reuniram-se também elementos relativos a estruturas deste tipo tendo-se consultado bibliografia da especialidade, de modo a adquirir um conhecimento mais profundo necessário à realização deste projecto.

Plataforma de controlo e simulação robótica

A robótica tem evoluído no sentido de criar robots e componentes cada vez mais evoluídos a preços acessíveis. Este facto permitiu que o desenvolvimento de aplicações no âmbito da robótica se tenha massificado e que a utilidade dos robots se tenha alargado a diferentes áreas de aplicação. Apesar da evolução dos robots e dos componentes para os mesmos, subsistem limitações que restringem a utilização de robots a certas aplicações, nomeadamente quando a capacidade de processamento e de memória não é suficiente para executar as aplicações. A forma para ultrapassar estas limitações tem residido essencialmente em duas abordagens: limitar as aplicações desenvolvidas à medida dos recursos disponíveis no hardware; ou estender as capacidades do robot usando recursos externos ao robot, quer por extensão do hardware do robot, quer por controlo remoto dos componentes do robot. Atendendo a esta problemática, foi desenvolvida uma plataforma que estende as capacidades dos robots segundo uma abordagem que usa o controlo remoto do robot, para capacitar as aplicações de controlo desenvolvidas de mais recursos, nomeadamente em termos de capacidade de processamento e memória. A plataforma desenvolvida disponibiliza ainda um simulador que virtualiza um campo de simulação e um robot, e simula a forma como estes interagem. O simulador é integrado na plataforma de forma semelhante aos adaptadores para robots, para que as aplicações desenvolvidas possam ser usadas quer em robots reais como no simulador.

Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas

A crescente procura da bicicleta como meio de transporte alternativo torna relevante a criação e desenvolvimento de infra-estruturas de apoio, tais como ciclovias e parques para bicicletas. Os sistemas tradicionais de parqueamento de bicicletas com recurso a correntes e cadeados não fornecem segurança nem comodidade. No entanto, começam a surgir, em várias cidades do mundo, parque automáticos onde é possível guardar uma bicicleta em segurança, protegendo-a quer das intempéries quer de actos de vandalismo. Este trabalho apresenta uma proposta para um parque automático de armazenamento de bicicletas, com recurso a caixas individualizadas que garantem a sua segurança, e também de outros bens que podem ser guardados junto da mesma, como por exemplo um capacete ou uma mochila. O sistema proposto no âmbito deste trabalho é um complemento às alternativas existentes. As vantagens apresentadas pelo sistema proposto são: a sua construção modular e personalizada; e a possibilidade de instalação num terreno plano, sem recurso a obras de construção civil. O objectivo foi criar um projecto de automação e controlo de um protótipo, com base na proposta apresentada. O projecto de automação e controlo engloba a escolha dos sensores e dos actuadores. Para o dimensionamento dos motores foi necessário recorrer a um cálculo simplificado da estrutura do robô manipulador. Foi feita a escolha dos sensores, actuadores e do controlador com base nos requisitos funcionais. A programação foi desenvolvida numa linguagem normalizada. O modelo desenvolvido poderá servir de base para um projecto multidisciplinar entre vários departamentos do Instituto e dessa cooperação poderá surgir um novo projecto optimizado para produção e de menor custo.

Dimensionamento de um pavilhão misto (metálico + betão armado)

O presente documento refere-se ao Trabalho Final de Mestrado, para a obtenção do grau de Mestre do curso de Engenharia Civil, e compreende a elaboração do Ante-Projecto de um Pavilhão Misto destinado ao armazenamento de carvão mineral. A realização deste trabalho teve como principal objectivo o emprego dos conceitos apreendidos nas Unidades Curriculares do Mestrado e da Licenciatura, bem como o estudo de softwares utilizados na determinação de esforços e cálculo de estruturas (Robot Structural Analysi e Gala Reinforcement). A modelação da estrutura foi realizada recorrendo a um programa de cálculo automático Robot Structural Analysis, procurando sempre validar os resultados obtidos, através de folhas de cálculo em Excel desenvolvidas para o efeito. O dimensionamento do sistema estrutural foi efectuado sempre que possível de acordo com a regulamentação Europeia (Eurocódigos). Reuniram-se também alguns elementos relativos a estruturas deste tipo, consultando a priori, bibliografia da especialidade com o objectivo de adquirir conhecimentos mais profundos, necessários para realização deste projecto.