Implementación hardware de un robot humanoide.

[ES]Este trabajo describe una serie de mejoras aplicables a un kit comercial de robot humanoide Robonova, con el fin de que este reproduzca el comportamiento cinemático del ser humano con mayor autonomía. Entre ellas destacan la implementación de sensores infrarrojos, sensores de posición, cámaras de visión y conexiones en serie de servomotores. Todo ello controlado desde un ordenador de placa reducida Raspberry Pi.

Desarrollo de una herramienta analítica para resolución del problema directo e inverso de un robot serie de 6 grados de libertad.

[ES]En el presente trabajo de fin de grado se expondrá el análisis cinemático de un robot IRB120 de ABB y el desarrollo de una herramienta grafica para su visualización. Comenzando por un estudio del estado del arte de la robótica industrial. El análisis cinemático es plantear las ecuaciones del robot y la resolución del problema directo e inverso mediante el software Matlab. Por último, la herramienta grafica muestra el movimiento del robot y los sistemas de referencia en la trayectoria introducida por el usuario.

Insights into mechanism kinematics for protein motion simulation

Background: The high demanding computational requirements necessary to carry out protein motion simulations make it difficult to obtain information related to protein motion. On the one hand, molecular dynamics simulation requires huge computational resources to achieve satisfactory motion simulations. On the other hand, less accurate procedures such as interpolation methods, do not generate realistic morphs from the kinematic point of view. Analyzing a protein's movement is very similar to serial robots; thus, it is possible to treat the protein chain as a serial mechanism composed of rotational degrees of freedom. Recently, based on this hypothesis, new methodologies have arisen, based on mechanism and robot kinematics, to simulate protein motion. Probabilistic roadmap method, which discretizes the protein configurational space against a scoring function, or the kinetostatic compliance method that minimizes the torques that appear in bonds, aim to simulate protein motion with a reduced computational cost. Results: In this paper a new viewpoint for protein motion simulation, based on mechanism kinematics is presented. The paper describes a set of methodologies, combining different techniques such as structure normalization normalization processes, simulation algorithms and secondary structure detection procedures. The combination of all these procedures allows to obtain kinematic morphs of proteins achieving a very good computational cost-error rate, while maintaining the biological meaning of the obtained structures and the kinematic viability of the obtained motion. Conclusions: The procedure presented in this paper, implements different modules to perform the simulation of the conformational change suffered by a protein when exerting its function. The combination of a main simulation procedure assisted by a secondary structure process, and a side chain orientation strategy, allows to obtain a fast and reliable simulations of protein motion.

飞行光学聚焦特性控制仪的研制

研究了长距离飞行光学（flying optics）高斯光束聚焦特性，理论研究表明：将某一特定谐振腔的瑞利长度ZR取代q参量虚部的光斑尺寸w时，q参量的ABCD定律可以从基模推广到高阶模或几个模的叠加，并推导出飞行光学实际焦距与几何焦距之差Δf的计算公式。为了精确控制飞行光学聚焦特性，研制了一套自适应飞行光学聚焦特性控制仪，实验和理论比较吻合。

Etograma e orçamento temporal de um grupo de machos não pareados de Phyllostomus hastatus (Pallas 1767) (Phyllostomidae: Phyllostominae)

Embora exista uma enorme variação de histórias de vida e ecologia, a maioria das espécies de morcegos mostra-se, em algum nível, social. Os aspectos de ecologia comportamental de quirópteros tem sido estudados, embora a maior parte refira-se a colônias de maternidades em regiões de clima temperado. Repertórios comportamentais completos e orçamentos temporais são raros, especialmente para a região Neotropical. Para compreender melhor a sociabilidade neste grupo, mostra-se importante focar também em grupos neutros com relação a fatores associados à atividade reprodutiva. Neste sentido, o estudo de grupos de machos neotropicais pode apresentar respostas importantes. O comportamento de um grupo machos não pareados de Phyllostomus hastatus foi estudado dentro do seu abrigo por aproximadamente 100 horas entre os meses de janeiro e agosto de 2012. O grupo estava abrigado no forro de um telhado de uma casa em desuso da Vila Dois Rios, na Ilha Grande. Os comportamentos foram registrados com uma câmera sensível a infra-infravermelho Sony DCR-HC28 em modo night-vision. Quando necessário, utilizei uma luz de auxílio infravermelha. A partir dos vídeos eu elaborei primeiramente um etograma. Os comportamentos classificados como estados foram usados para fazer um orçamento temporal, usando metodologia de amostragem por varredura e amostragem instantânea. Adicionalmente, fiz algumas observações a respeito de horário de entrada e saída dos morcegos e do tamanho do grupo. Organizei os comportamentos em seis categorias, com um total de 24 comportamentos distintos. Os comportamentos descritos são consistentes com os publicados em outros etogramas de morcegos, inclusive de alguns megaquirópteros. Um comportamento mais notável foi ventilando, que parece raro entre os microquirópteros, mas provavelmente importante na termorregulação. Nos meses analisados os morcegos alocaram aproximadamente 50% do tempo ao estado dormindo; 14,6% ao estado parado; 15,3% ao estado ativo; 0,9% ao estado andando; 0,1% ao estado voando; 14,1% ao estado higiene; e 3,5% ao estado ventilando. O orçamento temporal foi semelhante aos descritos para outros microquirópteros no interior de abrigos, com uma maior prevalência do estado dormindo, e com picos de atividade (principalmente do estado higiene) antes e depois das saídas noturnas. A higiene parece ter um papel importante no controle de ectoparasitas, e talvez algum papel social, mas como a higiene de outros indivíduos só foi observada uma única vez, não pude concluir nada a respeito. O presente trabalho é o primeiro etograma para Phyllostomus hastatus e o primeiro etograma e orçamento temporal para um grupo de machos em Chiroptera. Observei algumas diferenças importantes do grupo estudado com trabalhos já publicados sobre essa espécie, e sugiro que essas diferenças sejam estudadas mais a fundo. Apesar desta dissertação trazer contribuições importantes, fica claro que ainda falta muito a ser examinado nesse campo.

Learning Multirobot Hose Transportation and Deployment by Distributed Round-Robin Q-Learning

Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) algorithms face two main difficulties: the curse of dimensionality, and environment non-stationarity due to the independent learning processes carried out by the agents concurrently. In this paper we formalize and prove the convergence of a Distributed Round Robin Q-learning (D-RR-QL) algorithm for cooperative systems. The computational complexity of this algorithm increases linearly with the number of agents. Moreover, it eliminates environment non sta tionarity by carrying a round-robin scheduling of the action selection and execution. That this learning scheme allows the implementation of Modular State-Action Vetoes (MSAV) in cooperative multi-agent systems, which speeds up learning convergence in over-constrained systems by vetoing state-action pairs which lead to undesired termination states (UTS) in the relevant state-action subspace. Each agent's local state-action value function learning is an independent process, including the MSAV policies. Coordination of locally optimal policies to obtain the global optimal joint policy is achieved by a greedy selection procedure using message passing. We show that D-RR-QL improves over state-of-the-art approaches, such as Distributed Q-Learning, Team Q-Learning and Coordinated Reinforcement Learning in a paradigmatic Linked Multi-Component Robotic System (L-MCRS) control problem: the hose transportation task. L-MCRS are over-constrained systems with many UTS induced by the interaction of the passive linking element and the active mobile robots.

Tagging studies on the jumbo squid (Dosidicus gigas) in the Gulf of California, Mexico

Dosidicus gigas, the only species in the genus Dosidicus, is commonly known as the jumbo squid, jumbo flying squid (FAO, see Roper et al., 1984), or Humboldt squid. It is the largest ommastrephid squid and is endemic to the Eastern Pacific, ranging from northern California to southern Chile and to 140oW at the equator (Nesis, 1983; Nigmatullin, et al., 2001). During the last two decades it has become an extremely important fisheries resource in the Gulf of California (Ehrhardt et al., 1983; Morales-Bojórquez et al., 2001), around the Costa Rica Dome (Ichii et al., 2002) and off Peru (Taipe et al., 2001). It is also an active predator that undoubtedly has an important impact on local ecology in areas where it is abundant (Ehrhardt et al., 1983; Nesis, 1983; Nigmatullin et al., 2001; Markaida and Sosa-Nishizaki, 2003).

A Whale of a Deception

In late October of 1966, an imposing ship steamed quietly through the placid waters of the Suez Canal. Clad in drab industrial gray, and flying a Soviet hammer and sickle flag at her masthead, the vessel was accompanied by a large fleet of smaller craft. Any observer able to decipher Cyrillic script could have read, in rusting metallic letters on her bow, the name Sovetskaya Ukraina. The more experienced would perhaps have identified her as a whaling factory ship, traveling with her attendant fleet of catcher boats and scouting vessels on a transit that would take them south into the Red Sea and beyond.

Implementação distribuída de auto-cura em redes inteligentes de distribuição de energia elétrica utilizando árvores de extensão mínima.

A propriedade de auto-cura, em redes inteligente de distribuição de energia elétrica, consiste em encontrar uma proposta de reconfiguração do sistema de distribuição com o objetivo de recuperar parcial ou totalmente o fornecimento de energia aos clientes da rede, na ocorrência de uma falha na rede que comprometa o fornecimento. A busca por uma solução satisfatória é um problema combinacional cuja complexidade está ligada ao tamanho da rede. Um método de busca exaustiva se torna um processo muito demorado e muitas vezes computacionalmente inviável. Para superar essa dificuldade, pode-se basear nas técnicas de geração de árvores de extensão mínima do grafo, representando a rede de distribuição. Porém, a maioria dos estudos encontrados nesta área são implementações centralizadas, onde proposta de reconfiguração é obtida por um sistema de supervisão central. Nesta dissertação, propõe-se uma implementação distribuída, onde cada chave da rede colabora na elaboração da proposta de reconfiguração. A solução descentralizada busca uma redução no tempo de reconfiguração da rede em caso de falhas simples ou múltiplas, aumentando assim a inteligência da rede. Para isso, o algoritmo distribuído GHS é utilizado como base na elaboração de uma solução de auto-cura a ser embarcada nos elementos processadores que compõem as chaves de comutação das linhas da rede inteligente de distribuição. A solução proposta é implementada utilizando robôs como unidades de processamento que se comunicam via uma mesma rede, constituindo assim um ambiente de processamento distribuído. Os diferentes estudos de casos testados mostram que, para redes inteligentes de distribuição compostas por um único alimentador, a solução proposta obteve sucesso na reconfiguração da rede, indiferentemente do número de falhas simultâneas. Na implementação proposta, o tempo de reconfiguração da rede não depende do número de linhas nela incluídas. A implementação apresentou resultados de custo de comunicação e tempo dentro dos limites teóricos estabelecidos pelo algoritmo GHS.

Algoritmos distribuídos para alocação dinâmica de tarefas em enxame de robôs.

A Inteligência de Enxame foi proposta a partir da observação do comportamento social de espécies de insetos, pássaros e peixes. A ideia central deste comportamento coletivo é executar uma tarefa complexa decompondo-a em tarefas simples, que são facilmente executadas pelos indivíduos do enxame. A realização coordenada destas tarefas simples, respeitando uma proporção pré-definida de execução, permite a realização da tarefa complexa. O problema de alocação de tarefas surge da necessidade de alocar as tarefas aos indivíduos de modo coordenado, permitindo o gerenciamento do enxame. A alocação de tarefas é um processo dinâmico pois precisa ser continuamente ajustado em resposta a alterações no ambiente, na configuração do enxame e/ou no desempenho do mesmo. A robótica de enxame surge deste contexto de cooperação coletiva, ampliada à robôs reais. Nesta abordagem, problemas complexos são resolvidos pela realização de tarefas complexas por enxames de robôs simples, com capacidade de processamento e comunicação limitada. Objetivando obter flexibilidade e confiabilidade, a alocação deve emergir como resultado de um processo distribuído. Com a descentralização do problema e o aumento do número de robôs no enxame, o processo de alocação adquire uma elevada complexidade. Desta forma, o problema de alocação de tarefas pode ser caracterizado como um processo de otimização que aloca as tarefas aos robôs, de modo que a proporção desejada seja atendida no momento em que o processo de otimização encontre a solução desejada. Nesta dissertação, são propostos dois algoritmos que seguem abordagens distintas ao problema de alocação dinâmica de tarefas, sendo uma local e a outra global. O algoritmo para alocação dinâmica de tarefas com abordagem local (ADTL) atualiza a alocação de tarefa de cada robô a partir de uma avaliação determinística do conhecimento atual que este possui sobre as tarefas alocadas aos demais robôs do enxame. O algoritmo para alocação dinâmica de tarefas com abordagem global (ADTG) atualiza a alocação de tarefas do enxame com base no algoritmo de otimização PSO (Particle swarm optimization). No ADTG, cada robô possui uma possível solução para a alocação do enxame que é continuamente atualizada através da troca de informação entre os robôs. As alocações são avaliadas quanto a sua aptidão em atender à proporção-objetivo. Quando é identificada a alocação de maior aptidão no enxame, todos os robôs do enxame são alocados para as tarefas definidas por esta alocação. Os algoritmos propostos foram implementados em enxames com diferentes arranjos de robôs reais demonstrando sua eficiência e eficácia, atestados pelos resultados obtidos.

Agrupamento espacial em robótica de enxame.

Os Sistemas Multi-Robôs proporcionam vantagens sobre um robô individual, quando da realização de uma tarefa com maiores velocidade, precisão e tolerância a falhas. Os estudos dos comportamentos sociais na natureza têm permitido desenvolver algoritmos bio-inspirados úteis na área da robótica de enxame. Seguindo instruções simples e repetitivas, grupos de robôs, fisicamente limitados, conseguem solucionar problemas complexos. Quando existem duas ou mais tarefas a serem realizadas e o conjunto de robôs é heterogêneo, é possível agrupá-los de acordo com as funcionalidades neles disponíveis. No caso em que o conjunto de robôs é homogêneo, o agrupamento pode ser realizado considerando a posição relativa do robô em relação a uma tarefa ou acrescentando alguma característica distintiva. Nesta dissertação, é proposta uma técnica de clusterização espacial baseada simplesmente na comunicação local de robôs. Por meio de troca de mensagens entre os robôs vizinhos, esta técnica permite formar grupos de robôs espacialmente próximos sem precisar movimentar os robôs. Baseando-se nos métodos de clusterização de fichas, a técnica proposta emprega a noção de fichas virtuais, que são chamadas de cargas, sendo que uma carga pode ser estática ou dinâmica. Se uma carga é estática permite determinar a classe à qual um robô pertence. Dependendo da quantidade e do peso das cargas disponíveis no sistema, os robôs intercambiam informações até alcançar uma disposição homogênea de cargas. Quando as cargas se tornam estacionárias, é calculada uma densidade que permite guiar aquelas que estão ainda em movimento. Durante as experiências, foi observado visualmente que as cargas com maior peso acabam se agrupando primeiro enquanto aquelas com menor peso continuam se deslocando no enxame, até que estas cargas formem faixas de densidades diferenciadas para cada classe, alcançando assim o objetivo final que é a clusterização dos robôs.

Sistemas inteligentes adaptativos aplicados a um robô auto-equilibrante de duas rodas.

Com o avanço no desenvolvimento e utilização de veículos e robôs autoequilibrantes, faz-se necessário a investigação de controladores capazes de atender os diversos desafios relacionados à utilização desses sistemas. Neste trabalho foi estudado o controle de equilíbrio e posição de um robô auto-equilibrante de duas rodas. O interesse particular nesta aplicação vem da sua estrutura e da riqueza de sua dinâmica física. Por ser um problema complexo e não trivial há grande interesse em avaliar os controladores inteligentes. A primeira parte da dissertação aborda o desenvolvimento de um controle clássico do tipo PID, para em seguida ser comparado com a implementação de dois tipos de controladores inteligentes: On-line Neuro Fuzzy Control (ONFC) e Proportional-Integral-Derivative Neural-Network (PIDNN). Também é apresentada a implementação dos controladores em uma plataforma de hardware, utilizando o kit LEGO Mindstorm, e numa plataforma de simulação utilizando o MATLAB-Simulink. Em seguida, dois estudos de casos são desenvolvidos visando comparar o desempenho dos controladores. O primeiro caso avalia o controle de equilíbrio e posição do robô auto-equilibrante de duas rodas sobre um terreno plano tendo como interesse observar o desempenho intrínseco do sistema sob ausência de fatores externos. O segundo caso estuda o controle de equilíbrio e posição do robô em terrenos irregulares visando investigar a resposta do sistema sob influência de condições adversas em seu ambiente. Finalmente, o desempenho de cada um dos controladores desenvolvidos é discutido, verificando-se resultados competitivos no controle do robô auto-equilibrante de duas rodas.

Localização colaborativa em robótica de enxame.

Diversas das possíveis aplicações da robótica de enxame demandam que cada robô seja capaz de estimar a sua posição. A informação de localização dos robôs é necessária, por exemplo, para que cada elemento do enxame possa se posicionar dentro de uma formatura de robôs pré-definida. Da mesma forma, quando os robôs atuam como sensores móveis, a informação de posição é necessária para que seja possível identificar o local dos eventos medidos. Em virtude do tamanho, custo e energia dos dispositivos, bem como limitações impostas pelo ambiente de operação, a solução mais evidente, i.e. utilizar um Sistema de Posicionamento Global (GPS), torna-se muitas vezes inviável. O método proposto neste trabalho permite que as posições absolutas de um conjunto de nós desconhecidos sejam estimadas, com base nas coordenadas de um conjunto de nós de referência e nas medidas de distância tomadas entre os nós da rede. A solução é obtida por meio de uma estratégia de processamento distribuído, onde cada nó desconhecido estima sua própria posição e ajuda os seus vizinhos a calcular as suas respectivas coordenadas. A solução conta com um novo método denominado Multi-hop Collaborative Min-Max Localization (MCMM), ora proposto com o objetivo de melhorar a qualidade da posição inicial dos nós desconhecidos em caso de falhas durante o reconhecimento dos nós de referência. O refinamento das posições é feito com base nos algoritmos de busca por retrocesso (BSA) e de otimização por enxame de partículas (PSO), cujos desempenhos são comparados. Para compor a função objetivo, é introduzido um novo método para o cálculo do fator de confiança dos nós da rede, o Fator de Confiança pela Área Min-Max (MMA-CF), o qual é comparado com o Fator de Confiança por Saltos às Referências (HTA-CF), previamente existente. Com base no método de localização proposto, foram desenvolvidos quatro algoritmos, os quais são avaliados por meio de simulações realizadas no MATLABr e experimentos conduzidos em enxames de robôs do tipo Kilobot. O desempenho dos algoritmos é avaliado em problemas com diferentes topologias, quantidades de nós e proporção de nós de referência. O desempenho dos algoritmos é também comparado com o de outros algoritmos de localização, tendo apresentado resultados 40% a 51% melhores. Os resultados das simulações e dos experimentos demonstram a eficácia do método proposto.

SAMUDRA Report No. 63, November 2012

Contents: CBD COP11. Fisheries and the Right to Food. Indonesia’s Flying Fishermen. Subsidies and Fisheries in Chile. Fishing People of the North. Women Seaweed Harvesters.

The calculation of acoustic shielding of engine noise by the Silent Aircraft Airframe

The Silent Aircraft airframe has a flying wing design with a large wing planform and a propulsion system embedded in the rear of the airframe with intake on the upper surface of the wing. In the present paper, boundary element calculations are presented to evaluate acoustic shielding at low frequencies. Besides the three-dimensional geometry of the Silent Aircraft airframe, a few two-dimensional problems are considered that provide some physical insight into the shielding calculations. Mean flow refraction effects due to forward flight motion are accounted for by a simple time transformation that decouples the mean-flow and acoustic-field calculations. It is shown that significant amount of shielding can be obtained in the shadow region where there is no direct line of sight between the source and observer. The boundary element solutions are restricted to low frequencies. We have used a simple physically-based model to extend the solution to higher frequencies. Based on this model, using a monopole acoustic source, we predict at least an 18 dBA reduction in the overall sound pressure level of forward-propagating fan noise because of shielding.