Sistemas hápticos no apoio à educação: estudo da aerodinâmica

É considerado um dos problemas na educação o facto de a aprendizagem poder ser muito baseada no uso da teoria. Sendo as experiências do ser humano uma grande parte da forma como vemos e vivemos o mundo, torna-se imprescindível o hábito da prática na formação do nosso conhecimento. Embora a teoria seja sempre necessária na construção de conceitos, deve ser complementada com a experiência de forma a consolidar a aprendizagem para melhor noção da realidade. Esta dissertação descreve uma didáctica para a integração de dispositivos hápticos aplicados à educação, concebendo assim um novo e inovador método de ensino aliado à prática. Dependendo da aceitação por parte dos alunos, este método de uso de tecnologia na educação para fins práticos pode revelar-se revolucionário. Experiências que seriam difíceis de realizar tornam-se possíveis de simular de uma forma real com a ajuda dos sistemas hápticos, em que a variedade de matérias que as aplicações podem simular é vasta. Especificamente, este trabalho fundamenta-se no estudo da aerodinâmica no voo com recurso a uma aplicação desenvolvida para o efeito e à potencialidade do aparelho háptico Novint Falcon, um interface sensorial táctil entre uma pessoa e um computador, de custo relativamente baixo em relação à generalidade dos preços deste tipo de dispositivos. Os testes que estudantes realizaram à aplicação revelaram grande interesse e curiosidade pela novidade da tecnologia háptica e apreciação no conceito do seu uso prático na educação. De forma geral, todos os alunos que participaram no ensaio do programa transmitiram feedback positivo, expressando maior ganho de motivação e desejo em ver este sistema aplicado a outras disciplinas.

Acesso remoto via infra-estrutura de teste IEEE1149.1 a dispositivos lógicos programáveis

Actualmente verifica-se que a complexidade dos sistemas informáticos tem vindo a aumentar, fazendo parte das nossas ferramentas diárias de trabalho a utilização de sistemas informáticos e a utilização de serviços online. Neste âmbito, a internet obtém um papel de destaque junto das universidades, ao permitir que alunos e professores possam interagir mais facilmente. A internet e a educação baseada na Web vêm oferecer acesso remoto a qualquer informação independentemente da localização ou da hora. Como consequência, qualquer pessoa com uma ligação à internet, ao poder adquirir informações sobre um determinado tema junto dos maiores peritos, obtém vantagens significativas. Os laboratórios remotos são uma solução muito valorizada no que toca a interligar tecnologia e recursos humanos em ambientes que podem estar afastados no tempo ou no espaço. A criação deste tipo de laboratórios e a sua utilidade real só é possível porque as tecnologias de comunicação emergentes têm contribuído de uma forma muito relevante para melhorar a sua disponibilização à distância. A necessidade de criação de laboratórios remotos torna-se imprescindível para pesquisas relacionadas com engenharia que envolvam a utilização de recursos escassos ou de grandes dimensões. Apoiado neste conceito, desenvolveu-se um laboratório remoto para os alunos de engenharia que precisam de testar circuitos digitais numa carta de desenvolvimento de hardware configurável, permitindo a utilização deste recurso de uma forma mais eficiente. O trabalho consistiu na criação de um laboratório remoto de baixo custo, com base em linguagens de programação open source, sendo utilizado como unidade de processamento um router da ASUS com o firmware OpenWrt. Este firmware é uma distribuição Linux para sistemas embutidos. Este laboratório remoto permite o teste dos circuitos digitais numa carta de desenvolvimento de hardware configurável em tempo real, utilizando a interface JTAG. O laboratório desenvolvido tem a particularidade de ter como unidade de processamento um router. A utilização do router como servidor é uma solução muito pouco usual na implementação de laboratórios remotos. Este router, quando comparado com um computador normal, apresenta uma capacidade de processamento e memória muito inferior, embora os testes efectuados provassem que apresenta um desempenho muito adequado às expectativas.

User-interface technologies for the industrial environment: towards the cyber-factory

In the past few years the so-called gadgets like cellular phones, personal data assistants and digital cameras are more widespread even with less technological aware users. However, for several reasons, the factory-floor itself seems to be hermetic to this changes ... After the fieldbus revolution, the factory-floor has seen an increased use of more and more powerful programmable logic controllers and user interfaces but the way they are used remains almost the same. We believe that new user-computer interaction techniques including multimedia and augmented rcaliry combined with now affordable technologies like wearable computers and wireless networks can change the way the factory personal works together with the roachines and the information system on the factory-floor. This new age is already starting with innovative uses of communication networks on the factory-floor either using "standard" networks or enhancing industrial networks with multimedia and wireless capabilities.

Human-Human Collaboration in Virtual Teams

Extended and networked enterprises distribute the design of products, planning of the production process, and manufacturing regionally if not globally. Employees are therefore confronted with collaborative work over remote sites. A cost effective collaboration depends highly on the organization maintaining a common understanding for this kind of work and a suitable support with information and communication technology. The usual face to face work is going to be replaced at least partly if not totally by computer mediated collaboration. Creating and maintaining virtual teams is a challenge to work conditions as well as technology. New developments on cost-effective connections are providing not only vision and auditory perception but also haptic perception. Research results for improving remote collaboration are presented. Individual, social and cultural aspects are considered as new requirements on the employees of networked and extended enterprises.

Direct search optimization application programming interface with remote access

Search Optimization methods are needed to solve optimization problems where the objective function and/or constraints functions might be non differentiable, non convex or might not be possible to determine its analytical expressions either due to its complexity or its cost (monetary, computational, time,...). Many optimization problems in engineering and other fields have these characteristics, because functions values can result from experimental or simulation processes, can be modelled by functions with complex expressions or by noise functions and it is impossible or very difficult to calculate their derivatives. Direct Search Optimization methods only use function values and do not need any derivatives or approximations of them. In this work we present a Java API that including several methods and algorithms, that do not use derivatives, to solve constrained and unconstrained optimization problems. Traditional API access, by installing it on the developer and/or user computer, and remote API access to it, using Web Services, are also presented. Remote access to the API has the advantage of always allow the access to the latest version of the API. For users that simply want to have a tool to solve Nonlinear Optimization Problems and do not want to integrate these methods in applications, also two applications were developed. One is a standalone Java application and the other a Web-based application, both using the developed API.

Web-based application programming interface to solve nonlinear optimization problems

Nonlinear Optimization Problems are usual in many engineering fields. Due to its characteristics the objective function of some problems might not be differentiable or its derivatives have complex expressions. There are even cases where an analytical expression of the objective function might not be possible to determine either due to its complexity or its cost (monetary, computational, time, ...). In these cases Nonlinear Optimization methods must be used. An API, including several methods and algorithms to solve constrained and unconstrained optimization problems was implemented. This API can be accessed not only as traditionally, by installing it on the developer and/or user computer, but it can also be accessed remotely using Web Services. As long as there is a network connection to the server where the API is installed, applications always access to the latest API version. Also an Web-based application, using the proposed API, was developed. This application is to be used by users that do not want to integrate methods in applications, and simply want to have a tool to solve Nonlinear Optimization Problems.

How human schematization and systematic errors take effect on sketch map formalizations

Dissertation submitted in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies

Sistema de seguimento dos movimentos oculares para interface adaptada pessoa-máquina

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de redes de Comunicação e Multimédia

Sistema de deteção de arritmias

Esta dissertação apresenta o trabalho realizado no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação (TEDI), do 2º ano, do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores no ramo de Automação e Sistemas. O principal objetivo desta dissertação consiste no desenvolvimento de um sistema que permita efetuar a deteção de um determinado número de anomalias num sinal eletrocardiográfico. O coração é um dos órgãos mais importantes do corpo humano. É ele que recebe e bombeia o sangue pelo organismo. Isto é, recebe sangue pobre em oxigénio, encaminha-o para os pulmões onde será enriquecido em oxigénio. O sangue enriquecido em oxigénio é então encaminhado novamente para o coração que será enviado para todas as partes do corpo humano. O eletrocardiograma desempenha um papel fundamental de modo a diagnosticar eventuais anomalias no correto funcionamento do coração. Estas anomalias podem dever-se a diversos fatores como tabaco, colesterol, pressão sanguínea alta ou diabetes entre outros. As anomalias associadas ao ritmo cardíaco são denominadas de arritmias. As arritmias são fundamentalmente originadas pela alteração da frequência ou do ritmo cardíaco. Utilizando a lógica difusa, pretendeu-se desenvolver um sistema que fizesse a identificação de um determinado número de tipos de batimentos entre os quais: o bloqueio do ramo esquerdo (LBBB), bloqueio do ramo direito (RBBB), contração prematura ventricular (VPC) e contração prematura auricular (APC). Todos os desenvolvimentos efetuados, a nível de programação, são neste documento relatados de forma a constituírem um possível guia para a utilização deste tipo de sistemas. Mais ainda, descrevem-se nele toda a pesquisa efetuada e as alternativas de desenvolvimento selecionadas. O Sistema de Deteção de Arritmias (SDA) desenvolvido mostrou-se eficaz desde que o utilizador consiga identificar corretamente os parâmetros que lhe são pedidos. A interface gráfica desenvolvida permitiu também uma maior facilidade durante a análise do sinal eletrocardiográfico.

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.

Design a computer programming learning environment for Massive Open Online Courses

Teaching and learning computer programming is as challenging as difficult. Assessing the work of students and providing individualised feedback to all is time-consuming and error prone for teachers and frequently involves a time delay. The existent tools and specifications prove to be insufficient in complex evaluation domains where there is a greater need to practice. At the same time Massive Open Online Courses (MOOC) are appearing revealing a new way of learning, more dynamic and more accessible. However this new paradigm raises serious questions regarding the monitoring of student progress and its timely feedback. This paper provides a conceptual design model for a computer programming learning environment. This environment uses the portal interface design model gathering information from a network of services such as repositories and program evaluators. The design model includes also the integration with learning management systems, a central piece in the MOOC realm, endowing the model with characteristics such as scalability, collaboration and interoperability. This model is not limited to the domain of computer programming and can be adapted to any complex area that requires systematic evaluation with immediate feedback.

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.

Interface Humana Músculo-Facial

Esta dissertação tem como principal objetivo a criação de uma interface humana, baseada na eletromiografia dos músculos orbicular do olho e frontalis. O algoritmo de programação do microcontrolador ATmega2560 deteta o piscar de olhos voluntário, conta o número de vezes que este acontece e verifica se preenche os requisitos necessários à execução de um comando. Para este efeito foram utilizados elétrodos para a captação do sinal eletromiográfico. O sinal analógico é condicionado pela Shield ECG/EMG da Olimex sendo enviado para o arduíno ATmega2560. Este microcontrolador administra todos os atuadores, dos quais o mais importante é um painel de comandos (quatro comandos diferentes), no qual existe um ponteiro motorizado que indica qual a ação a realizar. O código de execução é extremamente simples:  se o utilizador piscar os olhos três vezes, o ponteiro movimenta-se para a secção do painel imediatamente à direita; e  se o utilizador piscar os olhos quatro vezes, o ponteiro movimenta-se para a secção do painel imediatamente à esquerda. Os testes realizados com este dispositivo indicam que os utilizadores demoram menos de 10 minutos a aprender a utilizar e executar todos os comandos do painel. Apenas num dos testes realizados o dispositivo não funcionou. Dos utilizadores que realizaram o teste:  vários usam óculos;  um idoso com graves problemas auditivos, cegueira parcial e dificuldades locomotoras;  nenhum foi incapaz de piscar, pelo menos, um dos olhos voluntariamente; e  a maioria referiu que, com alguma concentração e principalmente se ouvirem o bip sonoro, a aprendizagem de utilização torna-se muito fácil. Apesar dos limites impostos à concretização de um projeto deste tipo (dos quais se evidenciam as dificuldades em conseguir voluntários com paralisia medular, bem como os limites orçamentais), pode-se afirmar que este dispositivo é eficaz e seria uma mais valia quando implementado num cenário de paralisia medular (total ou parcial). A melhoria de qualidade de vida de um utilizador com estes problemas físicos, ou outros que lhe comprometam a locomoção é garantida. O cenário em que vivem é tremendamente limitado sendo urgente criar soluções para tornar estas vidas mais cómodas. Com os devidos aplicativos, o utilizador poderia abrir portas ou janelas, acender ou apagar luzes, pedir ajuda, ajustar a posição da cama, controlar cadeiras de rodas, entre outros. É neste sentido que surge a minha motivação de criar algo que ajude estas pessoas.

Development of advanced human robot interaction systems

O trabalho aqui apresentado é a Dissertação da minha Tese do curso de Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do ISEP, realizada em parceria com o INESC TEC. O trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema avançado de interação entre homem-robô, usando ferramentas de software livres e de domínio público e hardware pouco dispendioso e facilmente acessível. Pretende-se que o sistema desenvolvido possa ser adotado por pequenas ou micro empresas, daí a restrição monetária. Este tipo de empresas tem, por norma, uma capacidade de investimento pequena, e ficam impossibilitadas de aceder a este tipo de sistemas automatizados se estes forem caros. No entanto, o robô continua a ser um componente fundamental, sendo dispendioso. Os trabalhos realizados pelos sistemas robóticos podem por um lado, ser repetitivos sem necessidade de grandes ajustes; por outro lado, o trabalho a realizar pode ser bastante diverso, sendo necessários bastantes ajustes com (possivelmente) programação do robô. As empresas podem não ter disponível mão-de-obra qualificada para realização da programação do robô. Pretende-se então um sistema de “ensino” que seja simples e rápido. Este trabalho pretende satisfazer as necessidades de um sistema de interação homem-robô intuitivo mesmo para operadores que não estejam familiarizados com a robótica. Para simplificar a transferência de informação da tarefa a desempenhar pelo sistema robótico é usado um sistema de infravermelhos para delinear a operação a desempenhar, neste caso concreto uma operação de soldadura. O operador usa um apontador com marcadores, a posição destes marcadores é detetada usando duas câmaras para permitir o posicionamento tridimensional no espaço. As câmaras possuem filtros infravermelhos para separar o espectro de luz. Para o controlo do sistema e interface com o robô é usado um computador de baixos recursos computacionais e energéticos, e também de baixo custo. O sistema desenvolvido é portanto computacionalmente leve para poder ser executado neste computador.

Framework development for providing accessibility to qualitative spatial calculi

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.