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.

Uma técnica híbrida para geração de rotas em espaço geográfico com obstáculos.

Este trabalho está inserido no campo da Geomática e se concentra, mais especificamente, no estudo de métodos para exploração e seleção de rotas em espaços geográficos sem delimitação prévia de vias trafegáveis. As atividades que poderiam se beneficiar de estudos desse tipo estão inseridas em áreas da engenharia, logística e robótica. Buscou-se, com as pesquisas realizadas nesse trabalho, elaborar um modelo computacional capaz de consultar as informações de um terreno, explorar uma grande quantidade de rotas viáveis e selecionar aquelas rotas que oferecessem as melhores condições de trajetória entre dois pontos de um mapa. Foi construído um sistema a partir do modelo computacional proposto para validar sua eficiência e aplicabilidade em diferentes casos de estudo. Para que esse sistema fosse construído, foram combinados conceitos de sistemas baseados em agentes, lógica nebulosa e planejamento de rotas em robótica. As informações de um terreno foram organizadas, consumidas e apresentadas pelo sistema criado, utilizando mapas digitais. Todas as funcionalidades do sistema foram construídas por meio de software livre. Como resultado, esse trabalho de pesquisa disponibiliza um sistema eficiente para o estudo, o planejamento ou a simulação de rotas sobre mapas digitais, a partir de um módulo de inferência nebuloso aplicado à classificação de rotas e um módulo de exploração de rotas baseado em agentes autônomos. A perspectiva para futuras aplicações utilizando o modelo computacional apresentado nesse trabalho é bastante abrangente. Acredita-se que, a partir dos resultados alcançados, esse sistema possa ajudar a reduzir custos e automatizar equipamentos em diversas atividades humanas.

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.

Biomimetic bone-like composites fabricated through an automated alternate soaking process.

Hydroxyapatite-gelatin composites have been proposed as suitable scaffolds for bone and dentin tissue regeneration. There is considerable interest in producing these scaffolds using biomimetic methods due to their low energy costs and potential to create composites similar to the tissues they are intended to replace. Here an existing process used to coat a surface with hydroxyapatite under near physiological conditions, the alternate soaking process, is modified and automated using an inexpensive "off the shelf" robotics kit. The process is initially used to precipitate calcium phosphate coatings. Then, in contrast to previous utilizations of the alternate soaking process, gelatin was added directly to the solutions in order to co-precipitate hydroxyapatite-gelatin composites. Samples were investigated by Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and nanoindentation. Calcium phosphate coatings formed by the alternate soaking process exhibited different calcium to phosphate ratios, with correspondingly distinct structural morphologies. The coatings demonstrated an interconnected structure with measurable mechanical properties, even though they were 95% porous. In contrast, hydroxyapatite-gelatin composite coatings over 2mm thick could be formed with little visible porosity. The hydroxyapatite-gelatin composites demonstrate a composition and mechanical properties similar to those of cortical bone.

Learning the dynamics of the external world: Brain inspired learning for robotic applications

Humans have exceptional abilities to learn new skills, manipulate tools and objects, and interact with our environment. In order to be successful at these tasks, our brain has become exceptionally well adapted to learning to deal not only with the complex dynamics of our own limbs but also with novel dynamics in the external world. While learning of these dynamics includes learning the complex time-varying forces at the end of limbs through the updating of internal models, it must also include learning the appropriate mechanical impedance in order to stabilize both the limb and any objects contacted in the environment. This article reviews the field of human learning by examining recent experimental evidence about adaptation to novel unstable dynamics and explores how this knowledge about the brain and neuro-muscular system can expand the learning capabilities of robotics and prosthetics. © 2006.

Data fusion approaches and applications for construction engineering

Data fusion can be defined as the process of combining data or information for estimating the state of an entity. Data fusion is a multidisciplinary field that has several benefits, such as enhancing the confidence, improving reliability, and reducing ambiguity of measurements for estimating the state of entities in engineering systems. It can also enhance completeness of fused data that may be required for estimating the state of engineering systems. Data fusion has been applied to different fields, such as robotics, automation, and intelligent systems. This paper reviews some examples of recent applications of data fusion in civil engineering and presents some of the potential benefits of using data fusion in civil engineering.

Universal access and assistive technology

This book contains the proceedings of the first Cambridge Workshop on Universal Access and Assistive Technology (CWUAAT), incorporating the fourth Cambridge Workshop on Rehabilitation Robotics, held in Cambridge, England in March 2002.

Robust filtering and smoothing with gaussian processes

We propose a principled algorithm for robust Bayesian filtering and smoothing in nonlinear stochastic dynamic systems when both the transition function and the measurement function are described by non-parametric Gaussian process (GP) models. GPs are gaining increasing importance in signal processing, machine learning, robotics, and control for representing unknown system functions by posterior probability distributions. This modern way of system identification is more robust than finding point estimates of a parametric function representation. Our principled filtering/smoothing approach for GP dynamic systems is based on analytic moment matching in the context of the forward-backward algorithm. Our numerical evaluations demonstrate the robustness of the proposed approach in situations where other state-of-the-art Gaussian filters and smoothers can fail. © 2011 IEEE.

Initializing Vision Based Trackers Using Semantic Texton Forests

Vision based tracking can provide the spatial location of project related entities such as equipment, workers, and materials in a large-scale congested construction site. It tracks entities in a video stream by inferring their motion. To initiate the process, it is required to determine the pixel areas of the entities to be tracked in the following consecutive video frames. For the purpose of fully automating the process, this paper presents an automated way of initializing trackers using Semantic Texton Forests (STFs) method. STFs method performs simultaneously the segmentation of the image and the classification of the segments based on the low-level semantic information and the context information. In this paper, STFs method is tested in the case of wheel loaders recognition. In the experiments, wheel loaders are further divided into several parts such as wheels and body parts to help learn the context information. The results show 79% accuracy of recognizing the pixel areas of the wheel loader. These results signify that STFs method has the potential to automate the initialization process of vision based tracking.

Templates and anchors for antenna-based wall following in cockroaches and robots

The interplay between robotics and neuromechanics facilitates discoveries in both fields: nature provides roboticists with design ideas, while robotics research elucidates critical features that confer performance advantages to biological systems. Here, we explore a system particularly well suited to exploit the synergies between biology and robotics: high-speed antenna-based wall following of the American cockroach (Periplaneta americana). Our approach integrates mathematical and hardware modeling with behavioral and neurophysiological experiments. Specifically, we corroborate a prediction from a previously reported wall-following template - the simplest model that captures a behavior - that a cockroach antenna-based controller requires the rate of approach to a wall in addition to distance, e.g., in the form of a proportional-derivative (PD) controller. Neurophysiological experiments reveal that important features of the wall-following controller emerge at the earliest stages of sensory processing, namely in the antennal nerve. Furthermore, we embed the template in a robotic platform outfitted with a bio-inspired antenna. Using this system, we successfully test specific PD gains (up to a scale) fitted to the cockroach behavioral data in a "real-world" setting, lending further credence to the surprisingly simple notion that a cockroach might implement a PD controller for wall following. Finally, we embed the template in a simulated lateral-leg-spring (LLS) model using the center of pressure as the control input. Importantly, the same PD gains fitted to cockroach behavior also stabilize wall following for the LLS model. © 2008 IEEE.

Integrated high pressure microhydraulic actuation and control for surgical instruments

To reduce the surgical trauma to the patient, minimally invasive surgery is gaining considerable importance since the eighties. More recently, robot assisted minimally invasive surgery was introduced to enhance the surgeon's performance in these procedures. This resulted in an intensive research on the design, fabrication and control of surgical robots over the last decades. A new development in the field of surgical tool manipulators is presented in this article: a flexible manipulator with distributed degrees of freedom powered by microhydraulic actuators. The tool consists of successive flexible segments, each with two bending degrees of freedom. To actuate these compliant segments, dedicated fluidic actuators are incorporated, together with compact hydraulic valves which control the actuator motion. Especially the development of microvalves for this application was challenging, and are the main focus of this paper. The valves distribute the hydraulic power from one common high pressure supply to a series of artificial muscle actuators. Tests show that the angular stroke of the each segment of this medical instrument is 90°. © 2012 Springer Science+Business Media, LLC.