Detecting, Localizing and Following Dynamic Objects with a Mini-UAV

This paper presents an approach for the detection, localization and following of dynamic terrestrial objects using a mini-UAV. The development is intended to be used for surveillance of large infrastructures. The detection algorithm is based on finding several pre-defined characteristics of the target, such as color, shape and size. The process used to localize the target, once it is detected, is based on an inversion of the Pinhole camera model. The task of following the Summit XL was designed to keep the target inside the field of view of the camera, and it was implemented in the form of a PID controller. The system has been tested both in simulation and with real robots, showing promising results.

Multiple Robots, Single Operator: Considerations About Information And Commanding

Multiple robot, single operator scenarios suppose a challenge in terms of human factors. Two relevant issues are keeping the situational awareness and managing the workload of operators. In order to address these problems, this work analyses the management of information and commands in multi-robot missions. About the information, this paper proposes a selection based on mission and operator states. Regarding the commands, this work reflects about the levels of automation and the methods of commanding.

Development of a sensorimotor algorithm able to deal with unforeseen pushes and its implementation based on VHDL

Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL is the title of my thesis which concludes my Bachelor Degree in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. It encloses the overall work I did in the Neurorobotics Research Laboratory from the Beuth Hochschule für Technik Berlin during my ERASMUS year in 2015. This thesis is focused on the field of robotics, specifically an electronic circuit called Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) and its control algorithm based on VHDL hardware description language. The reason that makes the CSL special resides in its ability to operate a motor both as a sensor and an actuator. This way, it is possible to achieve a balanced position in any of the robot joints (e.g. the robot manages to stand) without needing any conventional sensor. In other words, the back electromotive force (EMF) induced by the motor coils is measured and the control algorithm responds depending on its magnitude. The CSL circuit contains mainly an analog-to-digital converter (ADC) and a driver. The ADC consists on a delta-sigma modulation which generates a series of bits with a certain percentage of 1's and 0's, proportional to the back EMF. The control algorithm, running in a FPGA, processes the bit frame and outputs a signal for the driver. This driver, which has an H bridge topology, gives the motor the ability to rotate in both directions while it's supplied with the power needed. The objective of this thesis is to document the experiments and overall work done on push ignoring contractive sensorimotor algorithms, meaning sensorimotor algorithms that ignore large magnitude forces (compared to gravity) applied in a short time interval on a pendulum system. This main objective is divided in two sub-objectives: (1) developing a system based on parameterized thresholds and (2) developing a system based on a push bypassing filter. System (1) contains a module that outputs a signal which blocks the main Sensorimotor algorithm when a push is detected. This module has several different parameters as inputs e.g. the back EMF increment to consider a force as a push or the time interval between samples. System (2) consists on a low-pass Infinite Impulse Response digital filter. It cuts any frequency considered faster than a certain push oscillation. This filter required an intensive study on how to implement some functions and data types (fixed or floating point data) not supported by standard VHDL packages. Once this was achieved, the next challenge was to simplify the solution as much as possible, without using non-official user made packages. Both systems behaved with a series of interesting advantages and disadvantages for the elaboration of the document. Stability, reaction time, simplicity or computational load are one of the many factors to be studied in the designed systems. RESUMEN. Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL es un Proyecto de Fin de Grado (PFG) que concluye mis estudios en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. En él se documenta el trabajo de investigación que realicé en el Neurorobotics Research Laboratory de la Beuth Hochschule für Technik Berlin durante el año 2015 mediante el programa de intercambio ERASMUS. Este PFG se centra en el campo de la robótica y en concreto en un circuito electrónico llamado Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) y su algoritmo de control basado en lenguaje de modelado hardware VHDL. La particularidad del CSL reside en que se consigue que un motor haga las veces tanto de sensor como de actuador. De esta manera es posible que las articulaciones de un robot alcancen una posición de equilibrio (p.ej. el robot se coloca erguido) sin la necesidad de sensores en el sentido estricto de la palabra. Es decir, se mide la propia fuerza electromotriz (FEM) inducida sobre el motor y el algoritmo responde de acuerdo a su magnitud. El circuito CSL se compone de un convertidor analógico-digital (ADC) y un driver. El ADC consiste en un modulador sigma-delta, que genera una serie de bits con un porcentaje de 1's y 0's determinado, en proporción a la magnitud de la FEM inducida. El algoritmo de control, que se ejecuta en una FPGA, procesa esta cadena de bits y genera una señal para el driver. El driver, que posee una topología en puente H, provee al motor de la potencia necesaria y le otorga la capacidad de rotar en cualquiera de las dos direcciones. El objetivo de este PFG es documentar los experimentos y en general el trabajo realizado en algoritmos Sensorimotor que puedan ignorar fuerzas de gran magnitud (en comparación con la gravedad) y aplicadas en una corta ventana de tiempo. En otras palabras, ignorar empujones conservando el comportamiento original frente a la gravedad. Para ello se han desarrollado dos sistemas: uno basado en umbrales parametrizados (1) y otro basado en un filtro de corte ajustable (2). El sistema (1) contiene un módulo que, en el caso de detectar un empujón, genera una señal que bloquea el algoritmo Sensorimotor. Este módulo recibe diferentes parámetros como el incremento necesario de la FEM para que se considere un empujón o la ventana de tiempo para que se considere la existencia de un empujón. El sistema (2) consiste en un filtro digital paso-bajo de respuesta infinita que corta cualquier variación que considere un empujón. Para crear este filtro se requirió un estudio sobre como implementar ciertas funciones y tipos de datos (coma fija o flotante) no soportados por las librerías básicas de VHDL. Tras esto, el objetivo fue simplificar al máximo la solución del problema, sin utilizar paquetes de librerías añadidos. En ambos sistemas aparecen una serie de ventajas e inconvenientes de interés para el documento. La estabilidad, el tiempo de reacción, la simplicidad o la carga computacional son algunas de las muchos factores a estudiar en los sistemas diseñados. Para concluir, también han sido documentadas algunas incorporaciones a los sistemas: una interfaz visual en VGA, un módulo que compensa el offset del ADC o la implementación de una batería de faders MIDI entre otras.

Pedestrian Motion Prediction: A Graph Based Approach

A novel pedestrian motion prediction technique is presented in this paper. Its main achievement regards to none previous observation, any knowledge of pedestrian trajectories nor the existence of possible destinations is required; hence making it useful for autonomous surveillance applications. Prediction only requires initial position of the pedestrian and a 2D representation of the scenario as occupancy grid. First, it uses the Fast Marching Method (FMM) to calculate the pedestrian arrival time for each position in the map and then, the likelihood that the pedestrian reaches those positions is estimated. The technique has been tested with synthetic and real scenarios. In all cases, accurate probability maps as well as their representative graphs were obtained with low computational cost.

New lower bounds for the topological complexity of aspherical spaces

Date of Acceptance: 5/04/2015 15 pages, 4 figures

Parallel human genome analysis: microarray-based expression monitoring of 1000 genes.

Microarrays containing 1046 human cDNAs of unknown sequence were printed on glass with high-speed robotics. These 1.0-cm2 DNA "chips" were used to quantitatively monitor differential expression of the cognate human genes using a highly sensitive two-color hybridization assay. Array elements that displayed differential expression patterns under given experimental conditions were characterized by sequencing. The identification of known and novel heat shock and phorbol ester-regulated genes in human T cells demonstrates the sensitivity of the assay. Parallel gene analysis with microarrays provides a rapid and efficient method for large-scale human gene discovery.

Controle subótimo de manipuladores subatuados via redundância de atuação

Este trabalho apresenta uma metodologia de controle de posição das juntas passivas de um manipulador subatuado de uma maneira subótima. O termo subatuado se refere ao fato de que nem todas as juntas ou graus de liberdade do sistema serem equipados com atuadores, o que ocorre na prática devido a falhas ou como resultado de projeto. As juntas passivas de manipuladores desse tipo são indiretamente controladas pelo movimento das juntas ativas usando as características de acoplamento da dinâmica de manipuladores. A utilização de redundância de atuação das juntas ativas permite a minimização de alguns critérios, como consumo de energia, por exemplo. Apesar da estrutura cinemática de manipuladores subatuados ser idêntica a do totalmente atuado, em geral suas características dinâmicas diferem devido a presença de juntas passivas. Assim, apresentamos a modelagem dinâmica de um manipulador subatuado e o conceito de índice de acoplamento. Este índice é utilizado na seqüência de controle ótimo do manipulador. A hipótese de que o número de juntas ativas seja maior que o número de passivas permite o controle ótimo das juntas passivas, uma vez que na etapa de controle destas há mais entradas (torques nos atuadores das juntas ativas), que elementos a controlar (posição das juntas passivas). Neste ponto reside a contribuição desta tese ao estado da arte, uma vez que não há até o momento publicação que proponha o controle ótimo das juntas passivas neste caso.

Ergonomia e abastecimento planejado em uma linha de montagem automotiva.

Os objetivos desta pesquisa foram levantar os benefícios auferidos pela aplicação de melhorias na ergonomia dos postos de trabalho e no abastecimento planejado de peças em uma linha de montagem automotiva, bem como identificar e verificar até que ponto pode-se gerar vantagens competitivas na redução do tempo de montagem do veículo, com a aplicação de investimentos tecnológicos em ergonomia na área de manufatura. A metodologia Methods Time Measurement (MTM), foi escolhida para mensurar as diferenças de tempos de processo, e para coleta e identificação de dados. Foram observadas duas linhas de montagem: a primeira denominada de inovadora, construída há três anos com investimentos em soluções ergonômicas, tanto no abastecimento quanto no processo, e outra, tradicional, construída há 20 anos, com poucos investimentos na área. De posse dos dados necessários dos sistemas estudados e com o uso da tecnologia MTM, a pesquisa avalia e propõe meios de mensurar os ganhos com a redução de atividades que não agregam valor ao produto, com o intuito de viabilizar investimentos em ergonomia em postos de trabalho padronizados, manipuladores, instalações mais modernas e até possuir um time de planejamento de processos de produção mais robusto. Neste trabalho, analisa-se também a influência da ergonomia no custo do produto final, qualidade, retrabalhos, afastamentos médicos e absenteísmo entre outros.

Análise de grandezas cinemáticas e dinâmicas inerentes à hemiparesia através da descoberta de conhecimento em bases de dados

Em virtude de uma elevada expectativa de vida mundial, faz-se crescente a probabilidade de ocorrer acidentes naturais e traumas físicos no cotidiano, o que ocasiona um aumento na demanda por reabilitação. A terapia física, sob o paradigma da reabilitação robótica com serious games, oferece maior motivação e engajamento do paciente ao tratamento, cujo emprego foi recomendado pela American Heart Association (AHA), apontando a mais alta avaliação (Level A) para pacientes internados e ambulatoriais. No entanto, o potencial de análise dos dados coletados pelos dispositivos robóticos envolvidos é pouco explorado, deixando de extrair informações que podem ser de grande valia para os tratamentos. O foco deste trabalho consiste na aplicação de técnicas para descoberta de conhecimento, classificando o desempenho de pacientes diagnosticados com hemiparesia crônica. Os pacientes foram inseridos em um ambiente de reabilitação robótica, fazendo uso do InMotion ARM, um dispositivo robótico para reabilitação de membros superiores e coleta dos dados de desempenho. Foi aplicado sobre os dados um roteiro para descoberta de conhecimento em bases de dados, desempenhando pré-processamento, transformação (extração de características) e então a mineração de dados a partir de algoritmos de aprendizado de máquina. A estratégia do presente trabalho culminou em uma classificação de padrões com a capacidade de distinguir lados hemiparéticos sob uma precisão de 94%, havendo oito atributos alimentando a entrada do mecanismo obtido. Interpretando esta coleção de atributos, foi observado que dados de força são mais significativos, os quais abrangem metade da composição de uma amostra.

3D model based map building

Comunicación presentada en el IX Workshop de Agentes Físicos (WAF'2008), Vigo, 11-12 septiembre 2008.

Topological SLAM using a graph-matching based method on omnidirectional images

Comunicación presentada en el XI Workshop of Physical Agents, Valencia, 9-10 septiembre 2010.

Comparativa de detectores de características visuales y su aplicación al SLAM

Comunicación presentada en el X Workshop of Physical Agents, Cáceres, 10-11 septiembre 2009.

Large scale SLAM with visual features

Comunicación presentada en el X Workshop of Physical Agents, Cáceres, 10-11 septiembre 2009.

Recursos y herramientas didácticas para el aprendizaje de la robótica

Este artículo analiza diferentes experiencias docentes que tienen como finalidad el aprendizaje de la robótica en el mundo universitario. Estas experiencias se plasman en el desarrollo de varios cursos y asignaturas sobre robótica que se imparten en la Universidad de Alicante. Para el desarrollo de estos cursos, los autores han empleado varias plataformas educativas, algunas de implementación propia, otras de libre distribución y código abierto. El objetivo de estos cursos es enseñar el diseño e implementación de soluciones robóticas a diversos problemas que van desde el control, programación y manipulación de brazos robots de ámbito industrial hasta la construcción y/o programación de mini-robots con carácter educativo. Por un lado, se emplean herramientas didácticas de última generación como simuladores y laboratorios virtuales que flexibilizan el uso de brazos robots y, por otro lado, se hace uso de competiciones y concursos para motivar al alumno haciendo que ponga en práctica las destrezas aprendidas, mediante la construcción y programación de mini-robots de bajo coste.

An experience on mechatronics teaching on undergraduate students by means of the Skybot platform: from classroom to robot competition

This paper analyzes the learning experiences and opinions from a group of undergraduate students in a course about Robotics. The contents of this course were taught as a set of seminars. In each seminar, the student learned interdisciplinary knowledge of computer science, control engineering, electronics and other fields related to Robotics. The aim of this course is that the students are able to design and implement their own and custom robotic solution for a series of tests planned by the teachers. These tests measure the behavior and mechatronic features of the students' robots. Finally, the students' robots are confronted with some competitions. In this paper, the low-cost robotic architecture used by the students, the contents of the course, the tests to compare the solutions of students and the opinion of them are amply discussed.