Perception and software architecture for mobile robotics

When developing software for autonomous mobile robots, one has to inevitably tackle some kind of perception. Moreover, when dealing with agents that possess some level of reasoning for executing their actions, there is the need to model the environment and the robot internal state in a way that it represents the scenario in which the robot operates. Inserted in the ATRI group, part of the IEETA research unit at Aveiro University, this work uses two of the projects of the group as test bed, particularly in the scenario of robotic soccer with real robots. With the main objective of developing algorithms for sensor and information fusion that could be used e ectively on these teams, several state of the art approaches were studied, implemented and adapted to each of the robot types. Within the MSL RoboCup team CAMBADA, the main focus was the perception of ball and obstacles, with the creation of models capable of providing extended information so that the reasoning of the robot can be ever more e ective. To achieve it, several methodologies were analyzed, implemented, compared and improved. Concerning the ball, an analysis of ltering methodologies for stabilization of its position and estimation of its velocity was performed. Also, with the goal keeper in mind, work has been done to provide it with information of aerial balls. As for obstacles, a new de nition of the way they are perceived by the vision and the type of information provided was created, as well as a methodology for identifying which of the obstacles are team mates. Also, a tracking algorithm was developed, which ultimately assigned each of the obstacles a unique identi er. Associated with the improvement of the obstacles perception, a new algorithm of estimating reactive obstacle avoidance was created. In the context of the SPL RoboCup team Portuguese Team, besides the inevitable adaptation of many of the algorithms already developed for sensor and information fusion and considering that it was recently created, the objective was to create a sustainable software architecture that could be the base for future modular development. The software architecture created is based on a series of di erent processes and the means of communication among them. All processes were created or adapted for the new architecture and a base set of roles and behaviors was de ned during this work to achieve a base functional framework. In terms of perception, the main focus was to de ne a projection model and camera pose extraction that could provide information in metric coordinates. The second main objective was to adapt the CAMBADA localization algorithm to work on the NAO robots, considering all the limitations it presents when comparing to the MSL team, especially in terms of computational resources. A set of support tools were developed or improved in order to support the test and development in both teams. In general, the work developed during this thesis improved the performance of the teams during play and also the e ectiveness of the developers team when in development and test phases.

Predicting intention to work with social robots

The growing number of robotic solutions geared to interact socially with humans, social robots, urge the study of the factors that will facilitate or hinder future human robot collaboration. Hence the research question: what are the factors that predict intention to work with a social robot in the near future. To answer this question the following socio-cognitive models were studied, the theory of reasoned action, the theory of planned behavior and the model of goal directed behavior. These models purport that all the other variables will only have an indirect effect on behavior. That is, through the variables of the model. Based on the research on robotics and social perception/ cognition, social robot appearance, belief in human nature uniqueness, perceived warmth, perceived competence, anthropomorphism, negative attitude towards robots with human traits and negative attitudes towards interactions with robots were studied for their effects on attitude towards working with a social robot, perceived behavioral control, positive anticipated emotions and negative anticipated emotions. Study 1 identified the social representation of robot. Studies 2 to 5 investigated the psychometric properties of the Portuguese version of the negative attitude towards robots scale. Study 6 investigated the psychometric properties of the belief in human nature uniqueness scale. Study 7 tested the theory of reasoned action and the theory of planned behavior. Study 8 tested the model of goal directed behavior. Studies 7 and 8 also tested the role of the external variables. Study 9 tested and compared the predictive power of the three socio-cognitive models. Finally conclusion are drawn from the research results, and future research suggestions are offered.

Contribuições para a localização e mapeamento em robótica através da identificação visual de lugares

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015

Biomechanical modeling and simulation of the spider crab (maja brachydactyla)

Uma linha de pesquisa e desenvolvimento na área da robótica, que tem recebido atenção crescente nos últimos anos, é o desenvolvimento de robôs biologicamente inspirados. A ideia é adquirir conhecimento de seres biológicos, cuja evolução ocorreu ao longo de milhões de anos, e aproveitar o conhecimento assim adquirido para implementar a locomoção pelos mesmos métodos (ou pelo menos usar a inspiração biológica) nas máquinas que se constroem. Acredita-se que desta forma é possível desenvolver máquinas com capacidades semelhantes às dos seres biológicos em termos de capacidade e eficiência energética de locomoção. Uma forma de compreender melhor o funcionamento destes sistemas, sem a necessidade de desenvolver protótipos dispendiosos e com longos tempos de desenvolvimento é usar modelos de simulação. Com base nestas ideias, o objectivo deste trabalho passa por efectuar um estudo da biomecânica da santola (Maja brachydactyla), uma espécie de caranguejo comestível pertencente à família Majidae de artrópodes decápodes, usando a biblioteca de ferramentas SimMechanics da aplicação Matlab / Simulink. Esta tese descreve a anatomia e locomoção da santola, a sua modelação biomecânica e a simulação do seu movimento no ambiente Matlab / SimMechanics e SolidWorks.

Desenvolvimento de programação offline e de novos processos robotizados de lixamento

Atualmente a vantagem competitiva de uma empresa passa pela sua rápida adaptação às variações de procura do mercado, sendo necessário garantir elevados níveis de produtividade e, simultaneamente, grande flexibilidade, indispensável ao fabrico de pequenos lotes. A necessidade de ajuste do processo e a diminuição da média de vida do produto levam a paragens cada vez mais frequentes da célula de fabrico para programação e afinação, com consequentes perdas de produtividade. De forma a dar resposta a estes problemas, neste trabalho é testada a viabilidade da utilização da programação e simulação offline de tarefas de lixamento na Grohe Portugal, complementando a solução com o desenvolvimento de um novo método de afinação do programa, permitindo uma adaptação às flutuações do processo produtivo. Para isso foi necessário analisar o estado da arte dos robôs industriais na área de acabamento superficial e respetivos métodos de programação. Em seguida, após um trabalho prévio rigoroso de preparação e modelação da célula de trabalho, é possível fazer a programação offline das várias rotinas e trajetórias complexas que compõem um ciclo de lixamento de um produto, contribuindo para o aumento da qualidade do produto final sem comprometer os níveis de produtividade. Nesta dissertação são descritos e detalhados alguns dos procedimentos fulcrais no sucesso da aplicação deste método de programação. Por último é feita uma nova abordagem ao método de ajuste ponto-a-ponto convencional, desenvolvendo-se para isso um sistema de ajuste automático do programa, dotando o robô da capacidade de se adaptar às variações do processo, assegurando a consistência do mesmo. Foram realizados testes em pequena escala, extrapolando-se os resultados para a aplicação deste novo método no processo produtivo da Grohe Portugal, como forma de complemento ao método convencional de ajuste ponto-a-ponto do programa, reduzindo o tempo de paragem da célula de trabalho.

Projeto e desenvolvimento de células robotizadas para soldadura e cladding

A utilização de equipamentos robóticos para o processo de soldadura por arco elétrico teve um forte crescimento nas décadas de 80 e 90, altura em que o custo e fiabilidade da tecnologia passou a permitir a integração de robôs em linhas de produção ou em células de fabrico. Depressa cresceram as exigências de uma produção com qualidade repetitiva e facilmente ajustável, e as restrições ao uso de processos manuais ou de tecnologias com pouca flexibilidade. Desde o início do século XXI que a renovação de uma estação de fabrico de peças soldadas para produção em série, especialmente no setor automóvel, parece forçada à integração de robôs industriais, que assim se tornaram símbolos de produtividade. A KAMAZ encontra-se atualmente a renovar alguns dos seus processos de fabrico, incluindo as áreas de soldadura por arco ou cladding. Esta Dissertação aborda o trabalho elaborado, depois de contratualizada com a ABB Rússia a instalação de novas células de fabrico robotizado nesta empresa. Este projeto tem início com o levantamento das necessidades, a verificação do processo existente, e a procura da solução tecnológica que se adapte a essas condições e cumpra os requisitos acordados. São realizadas modelações e simulações off-line em 3D, usando o software RobotStudio da ABB, que permitiram testar cada solução e analisar a sua adequação e viabilidade. Para maior garantia de se obter a qualidade esperada na fusão e deposição do material por processo com arco elétrico revestido a gás, foram realizados testes reais utilizando equipamento robótico em condições baseadas nos testes feitos no ambiente virtual. Por último, são ajustadas as localizações dos postos de trabalho ao layout existente e é feito o balanceamento do tempo de operação manual com o tempo do processo robotizado. Este projeto de Tese termina com a aceitação do cliente para a solução encontrada e para os resultados dos testes reais de ambos os processos.

SF e Animé : Os monstros encantadores do período pós-guerra.

O fascínio do poder de dotar de vida ao que está inanimado talvez possa ajudar a revelar o encanto que sentimos quando objectos fixos se começam a mover e a desenvolver coreografias cheias de vida. A técnica do desenho tornou-se o processo ideal para explorar estes temas por ser mais fácil desenhar robôs do que construir personagens, naves ou cenários futuristas para o cinema live-action. Assim, a animé favoreceu o género SF por precisamente ser mais económico a sua reprodução, tornando-a uma melhor escolha para um cheaper spectacle (Clements & McCarthy, 2006, p. 567). O motivo financeiro não foi a única razão, pois existem algumas questões importantes a explorar que reforçam esta tendência SF da animé . Após a 2ª grande guerra, no momento inicial da reconstrução do Japão, o Ground Zero, coincide com o desenvolvimento de uma cultura pop na qual os desenhos manga e a animé se tornaram referências fundamentais. Iremos verificar como das importantes particularidades dos filmes ou séries de animação japonesa são a exploração de imaginários SF onde o atómico é encanto monstruoso, que se controla ou pelo qual se é controlado. Com especial destaque às séries de televisão Prince Planet (Sato Okura, 1965), Gigantor (Mitsuteru Yokoyama, 1963) ou Astro Boy (Osamu Tezuka, 1963), iremos demonstrar que pela componente técnica ou visual da animação, a animé seja um específico modelo de estudo para tentar contextualizar atracções humanas por mundos controlados por máquinas, manipulação genética ou pela possibilidade de uma paisagem ciborgue.

Phylloxera and the grapevine: a sense of common purpose?

The purpose of life is its continuation: survival is the reason things live. Here we explore this 'basic' of biology, by reference to the extraordinary life-cycle of the aphid-like pest phylloxera, and the complexity of its relationship with its host the grapevine. The effort and ingenuity that phylloxera employs to continue itself leads to a doubt that survival alone is sufficient reason. It has frequently been suggested that the reduction of life to a catalogue of facts (by science) creates this doubt, because it robs existence of its essence (which is something other than its mechanics). The part that science is said to steal is what Robert Pirsig calls Quality-the harmonious balance of things. Pirsig seems to imply that this is something inherent in things-and independent from us. A more mundane explanation is that the difference between facts and the complete reality is us-the tendency of mind to connect freely between different kinds of information. This possibility is briefly illustrated here by a myth based on the facts of phylloxera.

Medical treatment and the good death: an ethical analysis of euthanasia, physician assisted suicide, and the right to die

Frequent advances in medical technologies have brought fonh many innovative treatments that allow medical teams to treal many patients with grave illness and serious trauma who would have died only a few years earlier. These changes have given some patients a second chance at life, but for others. these new treatments have merely prolonged their dying. Instead of dying relatively painlessly, these unfortunate patients often suffer from painful tenninal illnesses or exist in a comatose state that robs them of their dignity, since they cannot survive without advanced and often dehumanizing forms of treatment. Due to many of these concerns, euthanasia has become a central issue in medical ethics. Additionally, the debate is impacted by those who believe that patients have the right make choices about the method and timing of their deaths. Euthanasia is defined as a deliberate act by a physician to hasten the death of a patient, whether through active methods such as an injection of morphine, or through the withdrawal of advanced forms of medical care, for reasons of mercy because of a medical condition that they have. This study explores the question of whether euthanasia is an ethical practice and, as determined by ethical theories and professional codes of ethics, whether the physician is allowed to provide the means to give the patient a path to a "good death," rather than one filled with physical and mental suffering. The paper also asks if there is a relevant moral difference between the active and passive forms of euthanasia and seeks to define requirements to ensure fully voluntary decision making through an evaluation of the factors necessary to produce fully informed consent. Additionally, the proper treatments for patients who suffer from painful terminal illnesses, those who exist in persistent vegetative states and infants born with many diverse medical problems are examined. The ultimate conclusions that are reached in the paper are that euthanasia is an ethical practice in certain specific circumstances for patients who have a very low quality of life due to pain, illness or serious mental deficits as a result of irreversible coma, persistent vegetative state or end-stage clinical dementia. This is defended by the fact that the rights of the patient to determine his or her own fate and to autonomously decide the way that he or she dies are paramount to all other factors in decisions of life and death. There are also circumstances where decisions can be made by health care teams in conjunction with the family to hasten the deaths of incompetent patients when continued existence is clearly not in their best interest, as is the case of infants who are born with serious physical anomalies, who are either 'born dying' or have no prospect for a life that is of a reasonable quality. I have rejected the distinction between active and passive methods of euthanasia and have instead chosen to focus on the intentions of the treating physician and the voluntary nature of the patient's request. When applied in equivalent circumstances, active and passive methods of euthanasia produce the same effects, and if the choice to hasten the death of the patient is ethical, then the use of either method can be accepted. The use of active methods of euthanasia and active forms of withdrawal of life support, such as the removal of a respirator are both conscious decisions to end the life of the patient and both bring death within a short period of time. It is false to maintain a distinction that believes that one is active killing. whereas the other form only allows nature to take it's course. Both are conscious choices to hasten the patient's death and should be evaluated as such. Additionally, through an examination of the Hippocratic Oath, and statements made by the American Medical Association and the American College of physicians, it can be shown that the ideals that the medical profession maintains and the respect for the interests of the patient that it holds allows the physician to give aid to patients who wish to choose death as an alternative to continued suffering. The physician is also allowed to and in some circumstances, is morally required, to help dying patients whether through active or passive forms of euthanasia or through assisted suicide. Euthanasia is a difficult topic to think about, but in the end, we should support the choice that respects the patient's autonomous choice or clear best interest and the respect that we have for their dignity and personal worth.

On a neglected argument in French philosophy: Sceptical humanism in Montaigne, Voltaire and Camus

This paper wants to draw out a common argument in three great philosophers and littérateurs in modern French thought: Michel de Montaigne, Voltaire, and Albert Camus. The argument makes metaphysical and theological scepticism the first premise for a universalistic political ethics, as per Voltaire's: "it is clearer still that we ought to be tolerant of one another, because we are all weak, inconsistent, liable to fickleness and error." The argument, it seems to me, presents an interestingly overlooked, deeply important and powerful contribution to the philosophical discourse of modernity. On one hand, theological and post-structuralist critics of "humanism" usually take the latter to depend either on an essentialist philosophical anthropology, or a progressive philosophy of history. The former, it is argued, is philosophically contestable and ethically contentious (since however we define the human "essence," we are bound to exclude some "others"). The latter, for better or worse, is a continuation of theological eschatology by another name. So both, if not "modernity" per se, should somehow be rejected. But an ethical universalism - like that we find in Montaigne, Bayle, Voltaire, or Camus - which does not claim familiarity with metaphysical or eschatological truths, but humbly confesses our epistemic finitude, seeing in this the basis for ethical solidarity, eludes these charges. On the other hand, philosophical scepticism plays a large role in the post-structuralist criticisms of modern institutions and ideas in ways which have been widely taken to license forms of ethics which problematically identify responsibility, with taking a stand unjustifiable by recourse to universalizable reasons. But, in Montaigne, Voltaire and Camus, our ignorance concerning the highest or final truths does not close off, but rather opens up, a new descriptive sensitivity to the foibles and complexities of human experience: a sensitivity reflected amply, and often hilariously, in their literary productions. As such, a critical agnosticism concerning claims about things "in the heavens and beneath the earth" does not, for such a "sceptical humanism," necessitate decisionism or nihilism. Instead, it demands a redoubled ethical sensitivity to the complexities and plurality of political life which sees the dignity of "really-existing" others, whatever their metaphysical creeds, as an inalienable first datum of ethical conduct and reflection. After tracking these arguments in Montaigne, Voltaire, and Camus, the essay closes by reflecting on, and contesting, one more powerful theological argument against modern agnosticism's allegedly deleterious effects on ethical culture: that acknowledging ignorance concerning the highest things robs us of the basis for awe or wonder, the wellspring of human beings' highest ethical, aesthetic, and spiritual achievements.

Um Sistema multiagente para o Simulador Soccerserver

O interesse de pesquisa da comunidade de Inteligência Artificial em Sistemas Multiagentes tem gerado o crescimento da utilização de técnicas de agentes nas mais diversas áreas da ciência da computação. Isso ocorre, principalmente, devido à variedade de aplicações em que esses sistemas podem ser usados, como por exemplo: jogos de computadores, interfaces adaptativas, simulação e controle de processos industriais. The Robot World Cup Initiative (RoboCup) é uma tentativa de estimular a área de Inteligência Artificial e, principalmente de Sistemas Multiagentes, por promover um problema padrão, jogar futebol, onde uma ampla cadeia de tecnologias podem ser integradas, examinadas e comparadas. A utilização do ambiente da RoboCup para a simulação de uma partida de futebol (simulador Soccerserver) permite a avaliação de diferentes técnicas de Sistemas Multiagentes (planejamento de estratégias, conhecimento em tempo real, colaboração de agentes, princípios de agentes autônomos, entre outros) e estimula as pesquisas, investigações e testes que possibilitem a construção gradativa de agentes avançados. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um time de futebol para o simulador Soccerserver. A idéia principal é desenvolver agentes jogadores que demonstrem um nível considerável de competência para a realização de suas tarefas, como percepção, ação, cooperação, estratégias pré-definidas, decisão e previsão. Inicialmente, apresenta-se uma visão geral sobre Inteligência Artificial Distribuída e sobre o simulador Soccerserver, pré-requisitos para o restante do trabalho. A seguir, é realizado um estudo sobre algumas arquiteturas de agentes (clientes) do Soccerserver. A arquitetura proposta na dissertação, suas principais características e a sua materialização em um protótipo desenvolvido correspondem à parte principal do trabalho. Finalmente são apresentados os testes realizados e as conclusões do trabalho.

Calibração automática de sistemas de visão estéreo a partir de movimentos desconhecidos

Esta dissertação apresenta um método para calibração automática de um par de câmeras que realiza um movimento desconhecido. O processo de calibração aqui descrito é baseado inteiramente na rigidez da cena observada e na invariabilidade dos parâmetros intrínsecos das câmeras durante o movimento. Não há a necessidade de nenhum artefato de calibração especial. Este trabalho mostra uma abordagem completa, desde o processo de casamento de pontos até a estimação dos parâmetros da câmera. Não é feita nenhuma suposição sobre o movimento das câmeras, tampouco sobre a disposição da cena 3D. Exemplos de aplicações deste método estão nos experimentos onde a calibração das câmeras precisa ser realizada remotamente, dificultando o posicionamento de artefatos de calibração na cena alvo, como é o caso para robôs de exploração interplanetária.

Critérios para avaliação de coordenação multiagente

A utilização da abordagem de agentes, nas mais diversas áreas de aplicações, mostra o interesse nas pesquisas sobre sistemas multiagentes. Este interesse surgiu da necessidade de aplicar novas técnicas e conceitos para a construção de sistemas e para auxiliar no seu desenvolvimento. Neste sentido, os agentes satisfazem às expectativas, não sendo apenas utilizados para a solução de problemas acadêmicos, mas também de sistemas reais. Na ciência da computação, a inteligência artificial distribuída está profundamente relacionada com o problema de coordenação. O objetivo é projetar mecanismos de coordenação para grupos de agentes artificiais. Várias características envolvem a atuação de agentes em um ambiente multiagente, como os mecanismos de cooperação, coordenação, comunicação, organização, entre outros. Este trabalho apresenta um estudo sobre coordenação multiagente, enfatizando a sua avaliação. O objetivo é apresentar uma proposta de avaliação, com um conjunto de critérios definidos para serem aplicados em modelos de coordenação. Inicialmente, é apresentado um estudo sobre coordenação de agentes. A seguir, são abordados vários modelos de coordenação encontrados na literatura da área. A parte principal do trabalho corresponde à definição de critérios para avaliação da coordenação, a serem utilizados em duas etapas: uma análise do problema, com vistas à escolha de um modelo de coordenação a ser empregado em uma determinada aplicação, e uma avaliação a posteriori, baseada nos critérios propostos para avaliar o comportamento de um sistema coordenado após o uso de um modelo de coordenação específico.Para exemplificar a aplicação dos critérios, dois estudos de caso são apresentados e foram utilizados para os experimentos: um referente ao domínio da Robocup, utilizando o Time UFRGS e, outro, referente ao gerenciamento de agendas distribuídas.

fwWorkCell : framework para a construção de simuladores didáticos de células de trabalho

Braços robóticos articulados são cada vez mais utilizados hoje em dia e consistem de dispositivos mecânicos programáveis, equipados com sensores e atuadores sob o controle de um sistema computacional. Existem atualmente no mercado inúmeros fabricantes e modelos destes braços, cada um adequado a uma determinada utilização ou faixa de mercado. Para que se saiba operar devidamente este robô é necessário um período de aprendizagem. Essa necessidade pode ser suprida pelo emprego dos simuladores de braços robóticos.Desenvolver um simulador é uma atividade complexa, mas alguns elementos de sua estrutura e de seu comportamento são comuns a vários tipos de simuladores e podem idealmente ser reusados. Permitir reuso de código e de projeto é exatamente um dos principais fatores que motivaram a construção de um framework. Este trabalho descreve a definição e a construção do fwWorkCell , um framework que permita agilizar a construção destes simuladores. Tal agilidade será obtida através da implementação de um ambiente de edição e de classes genéricas para controle, visualização e programação dos robôs. A proposta deste framework inclui definição de classes genéricas e de controle, a construção de todo um ambiente de suporte à manipulação e visualização das células de trabalho e suas simulações e visa dar suporte à construção de uma grande variedade de simuladores. O framework proposto foi utilizado em uma aplicação real: através dele foi feita a migração de um simulador já existente.