Planar Odometry from a Radial Laser Scanner. A Range Flow-based Approach

In this paper we present a fast and precise method to estimate the planar motion of a lidar from consecutive range scans. For every scanned point we formulate the range flow constraint equation in terms of the sensor velocity, and minimize a robust function of the resulting geometric constraints to obtain the motion estimate. Conversely to traditional approaches, this method does not search for correspondences but performs dense scan alignment based on the scan gradients, in the fashion of dense 3D visual odometry. The minimization problem is solved in a coarse-to-fine scheme to cope with large displacements, and a smooth filter based on the covariance of the estimate is employed to handle uncertainty in unconstraint scenarios (e.g. corridors). Simulated and real experiments have been performed to compare our approach with two prominent scan matchers and with wheel odometry. Quantitative and qualitative results demonstrate the superior performance of our approach which, along with its very low computational cost (0.9 milliseconds on a single CPU core), makes it suitable for those robotic applications that require planar odometry. For this purpose, we also provide the code so that the robotics community can benefit from it.

Robust Stereo Visual Odometry through a Probabilistic Combination of Points and Line Segments

Most approaches to stereo visual odometry reconstruct the motion based on the tracking of point features along a sequence of images. However, in low-textured scenes it is often difficult to encounter a large set of point features, or it may happen that they are not well distributed over the image, so that the behavior of these algorithms deteriorates. This paper proposes a probabilistic approach to stereo visual odometry based on the combination of both point and line segment that works robustly in a wide variety of scenarios. The camera motion is recovered through non-linear minimization of the projection errors of both point and line segment features. In order to effectively combine both types of features, their associated errors are weighted according to their covariance matrices, computed from the propagation of Gaussian distribution errors in the sensor measurements. The method, of course, is computationally more expensive that using only one type of feature, but still can run in real-time on a standard computer and provides interesting advantages, including a straightforward integration into any probabilistic framework commonly employed in mobile robotics.

Navegación de un robot móvil sobre terreno irregular con contacto de su brazo con el suelo

En esta tesis se aborda el problema de la navegabilidad de robots móviles sobre terrenos irregulares, los cuales poseen diferentes inclinaciones y variedad de obstáculos. Este tema constituye actualmente una línea de investigación activa dirigida al desarrollo de nuevos robots y, adicionalmente, enfocada al desarrollo de estrategias de navegación eficientes y con el mínimo riesgo de inutilización. En primer lugar se desarrolló el robot móvil Lázaro para navegar en este tipo de terrenos, el cual posee un brazo articulado con una rueda como efector final. Esta rueda le permite al brazo mantener un punto de contacto adicional con el suelo que puede ayudar al robot a compensar situaciones de inestabilidad y sobrepasar algunos obstáculos que pudieran presentarse en estos entornos. Posteriormente, se desarrollaron tres medidas cuantitativas que permiten evaluar la navegabilidad de cualquier robot móvil cuando transita sobre terreno irregular. Estas tres medidas son: un índice de estabilidad, el cual evalúa la propensión al vuelco; un índice de direccionamiento, el cual evalúa la disponibilidad del robot para direccionarse y seguir una trayectoria dada y, por último, un índice de deslizamiento, el cual evalúa la propensión del robot a deslizarse hacia abajo cuando se desplaza sobre superficies inclinadas. Finalmente, se definieron un conjunto de maniobras que puede ejecutar Lázaro y que están dirigidas a garantizar la navegación cuando el robot se desplaza sobre superficies inclinadas o cuando debe sobrepasar obstáculos tales como escalones, rampas o zanjas. Todas las estrategias diseñadas se fundamentan en el uso del brazo como herramienta adicional que posee el robot para mejorar su navegabilidad.

Inverse kinematics for upper limb compound movement estimation in exoskeleton-assisted rehabilitation

Robot-Assisted Rehabilitation (RAR) is relevant for treating patients affected by nervous system injuries (e.g., stroke and spinal cord injury) -- The accurate estimation of the joint angles of the patient limbs in RAR is critical to assess the patient improvement -- The economical prevalent method to estimate the patient posture in Exoskeleton-based RAR is to approximate the limb joint angles with the ones of the Exoskeleton -- This approximation is rough since their kinematic structures differ -- Motion capture systems (MOCAPs) can improve the estimations, at the expenses of a considerable overload of the therapy setup -- Alternatively, the Extended Inverse Kinematics Posture Estimation (EIKPE) computational method models the limb and Exoskeleton as differing parallel kinematic chains -- EIKPE has been tested with single DOFmovements of the wrist and elbow joints -- This paper presents the assessment of EIKPEwith elbow-shoulder compoundmovements (i.e., object prehension) -- Ground-truth for estimation assessment is obtained from an optical MOCAP (not intended for the treatment stage) -- The assessment shows EIKPE rendering a good numerical approximation of the actual posture during the compoundmovement execution, especially for the shoulder joint angles -- This work opens the horizon for clinical studies with patient groups, Exoskeleton models, and movements types --

Desarrollo de arquitecturas para procesamiento de control de la mirada en sistemas de visión activa con resolución espacial variable

En esta tesis se aborda la implementación de un sistema completo de visión activa, en el que se capturan y generan imágenes de resolución espacial variable. Todo el sistema se integra en un sólo dispositivo del tipo AP SoC (All Programmable System on Chip), lo que nos permite llevar a cabo el codiseño hardware-software del mismo, implementando en la parte lógica los bloques de preprocesado intensivo, y en la parte software los algoritmos de procesado de control más complejo. El objetivo es que, trabajando con un campo visual del orden de Megapíxeles, se pueda procesar una tasa moderada de imágenes por segundo. Las imágenes multiresolución se generan a partir de sensores de resolución uniforme con una latencia nula, lo que permite tener preparada la imagen de resolución variable en el mismo instante en que se ha terminado de capturar la imagen original. Como innovación con respecto a las primeras contribuciones relacionadas con esta Tesis, se procesan imágenes con toda la información de color. Esto implica la necesidad de diseñar conversores entre espacios de color distintos, para adecuar la información al tipo de procesado que se va a realizar con ella. Estos bloques se integran sin alterar la latencia de entrega de los sucesivos fotogramas. El procesamiento de estas imágenes multirresolución genera un mapa de saliencia que permite mover la fóvea hacía la región considerada como más relevante en la escena. El contenido de la imagen se estructura en una jerarquía de niveles de abstracción. A diferencia de otras arquitecturas de este tipo, como son la pirámide regular y el polígono foveal, en las que se trabaja con imágenes de resolución uniforme en los distintos niveles de la jerarquía, la pirámide irregular foveal que se propone en esta tesis combina las ideas de trabajar con una imagen realmente multirresolución, que incluya el campo de visión completo que abarcan sensor y óptica, con el procesamiento jerárquico propio de las pirámides irregulares. Para ello en esta tesis se propone la implementación de un algoritmo de diezmado irregular que, tomando como base la imagen multirresolución, dará como resultado una estructura piramidal donde los distintos niveles no son imágenes sino grafos orientados a la resolución del problema de segmentación y estimación de saliencia. Todo el sistema se integra en torno a la arquitectura de bus AXI, que permite conectar entre si todos los cores desarrollados en la parte lógica, así como el acceso a la memoria compartida con los algoritmos implementados en la parte software. Esto es posible gracias a los bloques de acceso directo a memoria AXI-VDMA, en una propuesta de configuración que permite tanto la integración perfectamente coordinada de la transferencia de la imagen multirresolución generada a la zona de trabajo del algoritmo de segmentación como su recuperación para la posterior visualización del resultado del proceso, y todo ello con una tasa de trabajo que mejora los resultados de plataformas similares.

Arquitectura de Comportamientos Reactivos para Agentes Robóticos basada en CBR

En los últimos tiempos se ha demostrado la importancia del aprendizaje en la Inteligencia humana, tanto en su vertiente de aprendizaje por observación como a través de la experiencia, como medio de identificar situaciones y predecir acciones o respuestas a partir de la información adquirida. Dado este esquema general de la Inteligencia Humana, parece razonable imitar su estructura y características en un intento por diseñar una arquitectura general de inteligencia aplicada a la Robótica. En este trabajo, inspirados por las teorías de Hawkins en su obra On Intelligence, hemos propuesto una arquitectura jerárquica de inteligencia en el que los diversos módulos se implementan a partir de Razonamiento basado en Casos ¿Case Based Reasoning (CBR)¿, una herramienta de IA especialmente apta para la adquisición de conocimiento a través del aprendizaje y para la predicción basada en similitud de información. Dentro de esta arquitectura la presente tesis se centra en las capas inferiores, las de tipo reactivo, expresadas en forma de comportamientos básicos, que implementan conductas sencillas pero indispensables para el funcionamiento de un robot. Estos comportamientos han sido tradicionalmente diseñados de forma algorítmica, con la dificultad que esto entraña en muchos casos por el desconocimiento de sus aspectos intrínsecos. Además, carecen de la capacidad de adaptarse ante nuevas situaciones no previstas y adquirir nuevos conocimientos a través del funcionamiento del robot, algo indispensable si se pretende que éste se desenvuelva en ambientes dinámicos y no estructurados. El trabajo de esta tesis considera la implementación de comportamientos reactivos con capacidad de aprendizaje, como forma de superar los inconvenientes anteriormente mencionados consiguiendo al mismo tiempo una mejor integración en la arquitectura general de Inteligencia considerada, en la cual el aprendizaje ocupa el papel principal. Así, se proponen y analizan diversas alternativas de diseño de comportamientos reactivos, construidos a través de sistemas CBR con capacidad de aprendizaje. En particular se estudia i) la problemática de selección, organización, y representación de la información como recipiente del conocimiento de los comportamientos;ii) los problemas asociados a la escalabilidad de esta información; iii) los aspectos que acompañan al proceso de predicción mediante la recuperación de la respuesta de experiencias previas similares a la presentada; iv) la identificación de la respuesta no solo con la acción a tomar por parte del comportamiento sino con un concepto que represente la situación presentada; y v) la adaptación y evaluación de la respuesta para incorporar nuevas situaciones como nuevo conocimiento del sistema. También se analiza la organización de comportamientos básicos que permite obtener, a través de sus interacciones, comportamientos emergentes de nivel superior aún dentro de un alcance reactivo. Todo ello se prueba con un robot real y con un simulador, en una variante de un escenario de aplicación clásico en Robótica, como es la competición Robocup. La elaboración de esta tesis ha supuesto, además de los aspectos puramente investigadores, un esfuerzo adicional en el desarrollo de las herramientas y metodología de pruebas necesarias para su realización. En este sentido, se ha programado un primer prototipo de marco de implementación de comportamientos reactivos con aprendizaje, basados en CBR, para la plataforma de desarrollo robótico Tekkotsu.

Del videojuego a la realidad : sistema interactivo para la seguridad vial

El vertiginoso crecimiento de los centros urbanos, las tecnologías emergentes y la demanda de nuevos servicios por parte de la población plantea encaminar esfuerzos hacia el desarrollo de las ciudades inteligentes. Éste concepto ha tomado fuerza entre los sectores político, económico, social, académico, ambiental y civil; de forma paralela, se han generado iniciativas que conducen hacia la integración de la infraestructura, la tecnología y los servicios para los ciudadanos. En éste contexto, una de las problemáticas con mayor impacto en la sociedad es la seguridad vial. Es necesario contar con mecanismos que disminuyan la accidentalidad, mejoren la atención a incidentes, optimicen la movilidad urbana y planeación municipal, ayuden a reducir el consumo de combustible y la emisión de gases de efecto de invernadero, así como ofrecer información dinámica y efectiva a los viajeros. En este artículo se describen dos (2) enfoques que contribuyen de manera eficiente dicho problema: los videojuegos como juegos serios y los sistemas de transporte inteligente. Ambos enfoques están encaminados a evitar colisiones y su diseño e implementación requieren componentes altamente tecnológicos (e.g. sistemas telemáticos e informáticos, inteligencia artificial, procesamiento de imágenes y modelado 3D).

Subjective comparison of consumer television technologies for 3D visualization

This paper presents a comparison among different consumer 3D display technologies by means of a subjective assessment test. Therefore, four 55-in displays have been considered: one autostereoscopic display, one stereoscopic with polarized passive glasses, and two with active shutter glasses. In addition, a high-quality 3D video database has been used to show diverse material with both views in high definition. To carry out the test, standard recommendations have been followed considering also some modifications looking for a test environment more similar to real home viewing conditions, with the objective of obtaining more representative conclusions. Moreover, several perceptual factors have been considered to study the performance of the displays, such as picture quality, depth perception, and visual discomfort. The obtained results show interesting issues, like the performance improvement of active shutter glasses technology, the high performance of the polarized glasses technology in terms of quality and comfort, and the need of improvement of the autostereoscopic displays to complement the visual comfort to reach a global high-quality visual experience.

Aplicação de Ligas com Memória de Forma como Dispositivos de Segurança

As ligas com memória de forma Ni-Ti apresentam diversas características bastante úteis, das quais podemos realçar a sua elevada resistência à corrosão, às vibrações e geração de forças superiores quando comparadas com outros atuadores. Estas ligas apresentam diversas áreas de aplicabilidade em diferentes aéreas de pesquisa, como a metalomecânica, a robótica, aplicações espaciais, sendo mais relevante para este trabalho a sua aplicação em mecanismos de segurança para portas e acessos. Com este trabalho, pretendemos contribuir para uma forma eficaz de combate e contenção de incêndios em navios, através da apresentação de um mecanismo que vai permitir o corte de ventilação e isolamento no local do incêndio, permitindo criar uma fronteira de fumos que levará ao combate do incêndio por asfixia. O trabalho descreve um mecanismo idealizado com a utilização de ligas com memória de forma, que vai proceder à libertação de um flap, para isolamento da ventilação, na presença de temperatura proveniente do incêndio. Descreve também ensaios termomecânicos realizados, para determinação das características das molas e seu comportamento em determinadas situações chave. Para isto, irão ser utilizadas duas molas com diferentes gamas de temperatura, com o intuito de demonstrar a eficácia na utilização de diversos atuadores de ligas com memória de forma. Todos os testes foram feitos na presença de gamas de temperatura que se assemelham aos valores de atuação dos sistemas automáticos de extinção por água, pelo que os resultados obtidos, ilustram a verdadeira eficácia e utilidade do mecanismo, em casos reais.

CLARK - Smart Clinic Assistant Robot for CGA

En esta presentación se exponen la arquitectura general y el estado actual de desarrollo del sistema CLARK. Dicho sistema tiene como objetivo el despliegue de un asistente robótico para ayudar a un médico en la realización de procedimientos CGA (Comprehensive Geriatric Assessment), de forma que ciertas tareas, tales como la realización de cuestionarios o pruebas de movimiento, puedan ser realizadas por el robot de forma paralela al resto del procedimiento CGA, aumentando así su eficiencia.

Cultural Heritage and Mobile Robotics Technologies

This paper reviews current research works at the authors’ Institutions to illustrate how mobile robotics and related technologies can be used to enhance economical fruition, control, protection and social impact of the cultural heritage. Robots allow experiencing on-line, from remote locations, tours at museums, archaeological areas and monuments. These solutions avoid travelling costs, increase beyond actual limits the number of simultaneous visitors, and prevent possible damages that can arise by over-exploitation of fragile environments. The same tools can be used for exploration and monitoring of cultural artifacts located in difficult to reach or dangerous areas. Examples are provided by the use of underwater robots in the exploration of deeply submerged archaeological areas. Besides, technologies commonly employed in robotics can be used to help exploring, monitoring and preserving cultural artifacts. Examples are provided by the development of procedures for data acquisition and mapping and by object recognition and monitoring algorithms.

SARASOM: a supervised architecture based on the recurrent associative SOM

We present and evaluate a novel supervised recurrent neural network architecture, the SARASOM, based on the associative self-organizing map. The performance of the SARASOM is evaluated and compared with the Elman network as well as with a hidden Markov model (HMM) in a number of prediction tasks using sequences of letters, including some experiments with a reduced lexicon of 15 words. The results were very encouraging with the SARASOM learning better and performing with better accuracy than both the Elman network and the HMM.

Where Are We After Five Editions?: Robot Vision Challenge, a Competition that Evaluates Solutions for the Visual Place Classification Problem

This article describes the Robot Vision challenge, a competition that evaluates solutions for the visual place classification problem. Since its origin, this challenge has been proposed as a common benchmark where worldwide proposals are measured using a common overall score. Each new edition of the competition introduced novelties, both for the type of input data and subobjectives of the challenge. All the techniques used by the participants have been gathered up and published to make it accessible for future developments. The legacy of the Robot Vision challenge includes data sets, benchmarking techniques, and a wide experience in the place classification research that is reflected in this article.

ViDRILO: The Visual and Depth Robot Indoor Localization with Objects information dataset

In this article we describe a semantic localization dataset for indoor environments named ViDRILO. The dataset provides five sequences of frames acquired with a mobile robot in two similar office buildings under different lighting conditions. Each frame consists of a point cloud representation of the scene and a perspective image. The frames in the dataset are annotated with the semantic category of the scene, but also with the presence or absence of a list of predefined objects appearing in the scene. In addition to the frames and annotations, the dataset is distributed with a set of tools for its use in both place classification and object recognition tasks. The large number of labeled frames in conjunction with the annotation scheme make this dataset different from existing ones. The ViDRILO dataset is released for use as a benchmark for different problems such as multimodal place classification and object recognition, 3D reconstruction or point cloud data compression.

Aportaciones al hardware para sensores táctiles inteligentes basados en FPGAs

En esta tesis doctoral se presentan distintas soluciones para la adquisición de datos provenientes de matrices de sensores resistivos, y en concreto de sensores táctiles piezorresistivos. Los circuitos propuestos reducen el hardware de acondicionamiento y adquisición clásico, implementado una conexión directa entre el sensor y el dispositivo digital (FPGA) que recibe los datos. El objetivo es la adquisición en paralelo y con bajo coste y consumo de área de grandes cantidades de datos provenientes de los sensores matriciales, aprovechando las capacidades de las FPGAs para llevar a cabo medidas simultáneas de varios sensores. Dependiendo del tipo de direccionamiento que pueda ser empleado, dos soluciones son propuestas. En el caso donde el número de unidades sensoriales de la matriz no sea excesivamente alto y el direccionamiento pueda ser realizado sin compartir conexionado, el valor de resistencia de los distintos elementos de la matriz se obtiene a partir del tiempo de descarga de una red RC o integrador pasivo que incluye al sensor. Por otro lado, para matrices con un gran número de elementos o donde el direccionamiento de los mismos haga uso de conexiones compartidas, el uso de un circuito integrador activo reduce la diafonía entre los elementos medidos simultáneamente. El análisis y caracterización de los circuitos propuestos para un rango de resistencias de un sensor táctil piezorresistivo da lugar a una resolución efectiva en la conversión analógico-digital de 10 bits y 8 bits para los circuitos de conexión directa basados en el integrador pasivo y activo, respectivamente. En cuanto a la exactitud en la medida del valor de resistencia, se alcanzan errores relativos del 0,066% (integrador pasivo) y del 0,77% (integrador activo), empleando una novedosa técnica de calibración que hace uso de un único elemento de referencia. Por último, se propone una arquitectura para un sistema táctil basada en los circuitos anteriormente citados. Dos implementaciones se han desarrollado: un prototipo para caracterización y pruebas de laboratorio, y otro para un demostrador en una mano robótica comercial (mano de Barrett). Con estas realizaciones se comprueba que el sistema táctil es capaz de realizar el refresco del conjunto de sensores con una tasa lo suficientemente alta para aplicaciones que requieran una rápida respuesta dinámica (por ejemplo, detección de deslizamiento de objetos en tareas de manipulación con manos robóticas). Además, el paralelismo de las FPGAs no sólo se explota en la adquisición de datos, sino que el pre-procesado que puede realizarse en el sensor inteligente resultante tiene un gran potencial. Como ejemplo, en este trabajo se extraen los momentos geométricos y la elipse asociados a las imágenes táctiles adquiridas por cada uno de los sensores que conforman el sistema.