Neste trabalho é proposta uma plataforma robótica móvel, concebida de maneira modular e hierárquica, visando o estudo de diversos aspectos aplicados à navegação, tanto autônoma quanto semi-autônoma, em ambientes internos. O sistema proposto possibilita a implementação de arquiteturas reativas e híbridas com aprendizagem, sendo a importância e limitações desta última discutidas. Utilizando a plataforma desenvolvida, uma aplicação de navegação robótica com aprendizagem supervisionada é realizada, usando sensores de ultra-som e através de tele-operação. O objetivo é fazer com que o agente associe, em tempo real, suas próprias respostas sensoriais com as ações motoras realizadas pelo tele-operador, permitindo que a tarefa seja repetida autonomamente com alguma generalização. Para realizar tal mapeamento, uma rede de função de base radial (RBF), usando um algoritmo de aprendizado seqüencial, é apresentada e utilizada. / This work presents a mobile robotic platform, built as a modular and hierarchical approach, aiming at the study of several aspects of indoor navigation. The proposed system allows the implementation of reactive and hybrid architectures with learning, for autonomous or semi-autonomous navigation. The importance and limitations of the learning characteristics are discussed. An application of robotic navigation with supervised learning is implemented using ultrasonic sensors and teleoperation. The aim is the agent to associate, in real time, its own sensorial perception to the motor actions realized by a teleoperator, allowing the task to be repeated in an autonomous way, with some generalization. To make the corresponding mapping, a radial basis function network (RBF), trained by a sequential learning algorithm, is presented and used.

Atualmente, os sistemas robóticos têm sido necessários para uma diversidade de novos produtos, como em robôs de serviço e em robôs para ambientes perigosos. Como consequência, um aumento da complexidade desses sistemas e observada, exigindo também atenção considerável para a qualidade e a produtividade. Vale destacar que a complexidade de parte desses sistemas decorre, parcial ou totalmente, da necessidade de se utilizar diversos robôs para compor a solução. Em outra perspectiva, arquiteturas de referência surgiram como um tipo especial de arquitetura de software que consegue agregar conhecimento de domínios específicos, facilitando o desenvolvimento, padronização e evolução de sistemas de software. Nessa perspectiva, arquiteturas de referência foram também propostas para o domínio de robótica e de têm sido consideradas como um elemento importante para o desenvolvimento de sistemas para esse domínio. No entanto, existe uma falta de arquiteturas de referência especializadas em sistemas multirrobóticos de serviço. Assim, a principal contribuição desse trabalho e o apoio ao desenvolvimento de sistemas multirrobóticos de serviço. Para isso, o principal resultado, aqui apresentado, e o estabelecimento da SiMuS, uma arquitetura de referência que agrega o conhecimento e a experiência de como organizar sistemas multirrobóticos de serviço, visando a escalabilidade, evolução e reuso. Para o estabelecimento dessa arquitetura, foi utilizado o ProSA-RA, um processo que sistematiza o projeto, representação e avaliação de arquiteturas de referência. Resultados alcançados por uma inspeção, por meio de checklist, e estudo de caso conduzidos evidenciam que a SiMuS e uma arquitetura de referência viável e reusável para o desenvolvimento de sistemas multirrobóticos de serviço / Currently, robotic systems have been more and more required for a diversity of new products, such as in service robots and in robots for dangerous environments. As a consequence, an increase in the complexity of these systems is observed, requiring also considerable attention to their quality and productivity. One of the main complexities faced by systems is the problem of control multiple robots to complete a task. In another perspective, reference architectures have emerged as a special type of software architecture that achieves well-recognized understanding of specific domains, facilitating the development, standardization, and evolution of software systems. In this perspective, reference architectures have also been proposed for the robotic domain and they have been considered an important element to the development of systems for that domain. However, there is a lack of reference architectures specialized in multi-robotic systems for service robots. Thus, the main contribution of this work is to support the development of multi-robotic for service robots. For that, the main result presented here is the establishment of SiMuS, a reference architecture that combines the knowledge and experience of how to organize multi-robotic systems for service robots, aiming at scalability, evolution and reuse. For establishing this architecture, was used the ProSA-RA, a process that systematizes the design, representation and evaluation of reference architectures. Results achieved by a checklist inspection and case study conduction, show that the SiMuS is a viable and reusable reference architecture for developing multi-robotic systems service robots

Robotics is an interdisciplinary subject and combines mechanical, computer and electrical engineering components together to solve different kinds of problems. In order to build robotic systems, these disciplines should be integrated. Therefore, mobile robots can be used as a tool in education for teaching engineering concepts. They can be employed to be used in undergraduate, graduate and doctorate research. Hands on experience on a mobile robot increase motivation of the students on the topic and give them precious practical knowledge. It also delivers students new skills like teamwork, problem solving, creativity, by executing robotic exercises. To be able to fulfill these outcomes, universities and research centers need mobile robot platforms that are modular, easy to build, cheap and flexible. However it should be also powerful and capable of being used in different research studies and hence be customizable depending on the requirements of these topics. This thesis aims at building an indoor mobile robot that can be used as a platform for developing algorithms involving various sensors incorporated onto a mobile platform. More precisely, it can be used as a base for indoor navigation and localization algorithms, as well as it can be used as platform for developing algorithms for larger autonomous mobile robots. The thesis work involves the design and manufacturing of a mobile robot platform that can potentially facilitate mobile robotics research that involves use of various hardware to develop and test different perception and navigation algorithms.

Neste trabalho é proposta uma plataforma robótica móvel, concebida de maneira modular e hierárquica, visando o estudo de diversos aspectos aplicados à navegação, tanto autônoma quanto semi-autônoma, em ambientes internos. O sistema proposto possibilita a implementação de arquiteturas reativas e híbridas com aprendizagem, sendo a importância e limitações desta última discutidas. Utilizando a plataforma desenvolvida, uma aplicação de navegação robótica com aprendizagem supervisionada é realizada, usando sensores de ultra-som e através de tele-operação. O objetivo é fazer com que o agente associe, em tempo real, suas próprias respostas sensoriais com as ações motoras realizadas pelo tele-operador, permitindo que a tarefa seja repetida autonomamente com alguma generalização. Para realizar tal mapeamento, uma rede de função de base radial (RBF), usando um algoritmo de aprendizado seqüencial, é apresentada e utilizada. / This work presents a mobile robotic platform, built as a modular and hierarchical approach, aiming at the study of several aspects of indoor navigation. The proposed system allows the implementation of reactive and hybrid architectures with learning, for autonomous or semi-autonomous navigation. The importance and limitations of the learning characteristics are discussed. An application of robotic navigation with supervised learning is implemented using ultrasonic sensors and teleoperation. The aim is the agent to associate, in real time, its own sensorial perception to the motor actions realized by a teleoperator, allowing the task to be repeated in an autonomous way, with some generalization. To make the corresponding mapping, a radial basis function network (RBF), trained by a sequential learning algorithm, is presented and used.

Orientador: Joao Mauricio Rosario / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-10T02:27:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Melo_LeonimerFlaviode_D.pdf: 6867936 bytes, checksum: 344026f77cc24610774519b704ddccfa (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho apresenta a proposta de implementação de um ambiente virtual de simulação para projeto e concepção de sistema de supervisão e controle para robôs móveis, que sejam capazes de operar e de se adaptar a diferentes ambientes e condições. Este sistema virtual tem como finalidade facilitar o desenvolvimento de protótipos de sistemas embarcados, enfatizando a implementação de ferramentas que permitam a simulação das condições cinemáticas, dinâmicas e de controle, com monitoração em tempo real de todos pontos lmportantes do sistema. Para isso, é proposta uma arquitetura aberta de controle, integrando as duas principais técnicas de implementação de controle robótico a nível de hardware: sistemas microprocessadores e dispositivos de hardware reconfiguráveis. O sistema simulador implementado é composto de um módulo gerador de trajetória, de um módulo simulador cinemático e dinâmico e de um módulo de análise de resultados e erros. O módulo gerador de trajetória tem a finalidade de, uma vez conhecendo-se o ambiente em que o robô irá atuar, com seus obstáculos e particularidades, gerar uma trajetória cartesiána ótima, respeitando os limites e características do robô móvel. Todos os resultados cinemáticos e dinâmicos colhidos durante a simulação podem ser avaliados e visualizados em formatos de gráficos e tabelas, no módulo de análise de resultados, permitindo que seja feito um aperfeiçoamento no sistema, no sentido de minimizar os erros com a otimização dos ajustes necessários. Para a implementação do controlador no sistema embarcado utiliza-se a prototipagem rápida, que é a tecnologia que permite, em conjunto com o ambiente virtual de simulação, o desenvolvimento de um projeto de um controlador para robôs móveis. A validação e testes foram realizados com modelos de robôs móveis não holonômicos de transmissão diferencial / Abstract: This work presents the proposal of virtual environment implementation for project simulation and conception of supervision aild control systems for mobile robots, that are capable to operate and adapting in different environments and conditions. This virtual system has as purpose to facilitate the development of embedded architecture systems, emphasizing the implementation of tools that alIow the simulation of the kinematic conditions, dynamic and control, with real time monitoring of alI important system points. For this, an open control architecture is proposal, integrating the two main techniques of robotic control implementation in the hardware level: systems microprocessors and reconfigurable hardware devices. The implemented simulator system is composed of a trajectory generating module, a kinematic and dynamic simulator module and of a analysis module of results and errors. The kinematic and dynamic simulator module makes alI simulation of the mobile robot folIowing the pre-determined trajectory of the trajectory generator. All the kinematic and dynamic results shown during the simulation can be evaluated and visualized in graphs and tables formats, in the results analysis module, allowing an improvement in the system, minimizing the errors with the necessary adjustments optimization. For controlIer implementation in the embedded system, it uses the rapid prototyping, that is the technology that allows, in set with the virtual simulation environment, the development of a controlIer project for mobile robots. The validation and tests had been accomplish with nonholonomics mobile robots models with diferencial transmission / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Atualmente, os sistemas robóticos têm sido necessários para uma diversidade de novos produtos, como em robôs de serviço e em robôs para ambientes perigosos. Como consequência, um aumento da complexidade desses sistemas e observada, exigindo também atenção considerável para a qualidade e a produtividade. Vale destacar que a complexidade de parte desses sistemas decorre, parcial ou totalmente, da necessidade de se utilizar diversos robôs para compor a solução. Em outra perspectiva, arquiteturas de referência surgiram como um tipo especial de arquitetura de software que consegue agregar conhecimento de domínios específicos, facilitando o desenvolvimento, padronização e evolução de sistemas de software. Nessa perspectiva, arquiteturas de referência foram também propostas para o domínio de robótica e de têm sido consideradas como um elemento importante para o desenvolvimento de sistemas para esse domínio. No entanto, existe uma falta de arquiteturas de referência especializadas em sistemas multirrobóticos de serviço. Assim, a principal contribuição desse trabalho e o apoio ao desenvolvimento de sistemas multirrobóticos de serviço. Para isso, o principal resultado, aqui apresentado, e o estabelecimento da SiMuS, uma arquitetura de referência que agrega o conhecimento e a experiência de como organizar sistemas multirrobóticos de serviço, visando a escalabilidade, evolução e reuso. Para o estabelecimento dessa arquitetura, foi utilizado o ProSA-RA, um processo que sistematiza o projeto, representação e avaliação de arquiteturas de referência. Resultados alcançados por uma inspeção, por meio de checklist, e estudo de caso conduzidos evidenciam que a SiMuS e uma arquitetura de referência viável e reusável para o desenvolvimento de sistemas multirrobóticos de serviço / Currently, robotic systems have been more and more required for a diversity of new products, such as in service robots and in robots for dangerous environments. As a consequence, an increase in the complexity of these systems is observed, requiring also considerable attention to their quality and productivity. One of the main complexities faced by systems is the problem of control multiple robots to complete a task. In another perspective, reference architectures have emerged as a special type of software architecture that achieves well-recognized understanding of specific domains, facilitating the development, standardization, and evolution of software systems. In this perspective, reference architectures have also been proposed for the robotic domain and they have been considered an important element to the development of systems for that domain. However, there is a lack of reference architectures specialized in multi-robotic systems for service robots. Thus, the main contribution of this work is to support the development of multi-robotic for service robots. For that, the main result presented here is the establishment of SiMuS, a reference architecture that combines the knowledge and experience of how to organize multi-robotic systems for service robots, aiming at scalability, evolution and reuse. For establishing this architecture, was used the ProSA-RA, a process that systematizes the design, representation and evaluation of reference architectures. Results achieved by a checklist inspection and case study conduction, show that the SiMuS is a viable and reusable reference architecture for developing multi-robotic systems service robots

Kollaborative Robotik wird in der Regel als eine, den Anwender entlastende, Komponente in einem Mensch-Maschine-Szenario verstanden. Dabei wird in einer bisher nicht automatisierten Arbeitsumgebung eine Teilautomatisierung nachgerüstet. Für die Entwicklung derartiger Systeme ist neben dem Anwender und seinen Anforderungen auch eine hohe Passfähigkeit zu unterschiedlichen Bestandssystemen ausschlaggebend. Dieses Paper dokumentiert interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Industrie, angewandter Forschung und Technischem Design, um Kernanforderungen an Automatisierungslösungen für bestehende Werkzeugmaschinen zusammenzutragen. In einem industriellen Automatisierungsszenario entstand eine mobile Roboterzelle mit einem hängenden Roboter sowie einem Palettenspeicher zur Maschinenbeschickung. Vor- und Nachbearbeitungen sind in einheitlichen Fähigkeitsmodulen gekapselt. Maschine und Bauteile werden über ein intelligentes Bildverarbeitungssystem lokalisiert. Diese Referenzierung ermöglicht nach einmaligem Teachen das Nachführen der Roboterbewegungen bei einer Neukonfiguration. Ergänzt wird die Lösung durch ein schutzzaunloses Sicherheitskonzept und eine bedienerführende Benutzeroberfläche zur Fähigkeitskomposition. Mit der Automatisierungslösung können mittelständische Unternehmen bei Personalengpässen die Produktivität aufrechterhalten und Mitarbeiter von monotonen Tätigkeiten entlasten.

Cada vez mais robôs móveis autônomos estão sendo utilizados em diversas tarefas e em ambientes com elevado risco para atividades humanas que a paralisação de suas atividades podem gerar outros riscos, perdas e elevados custos. Assim, o estado de carga (SOC) de sistemas de baterias em robôs móveis autônomos é um parâmetro importante na prevenção de uma falha primária nessa aplicação, a ausência de energia. Este trabalho apresenta os métodos existentes na literatura para a determinação do estado de carga de baterias e as tecnologias de baterias disponíveis utilizadas em robôs móveis autônomos ou veículos autônomos guiados. A partir desses estudos foi desenvolvido um modelo de medida, baseado no modelo combinado e foram realizados testes de bancadas para levantamento dos parâmetros e características de três modelos de células de baterias: Lítio Polímero (Li-PO), Níquel-Cádmio (NiCd) e Lítio-Ferro-Polímero (LiFePO4). Com esses parâmetros, aplicou-se o método de estimativa de carga baseado na técnica do Filtro de Kalman Estendido (EKF). Através dos testes, analisou-se comparativamente a resposta do método proposto e a resposta do método OCV e a capacidade de carga real. / Autonomous mobile robots have being increasingly used in various tasks, environments and activities of high risk to human that the stoppage of its activities may generate other risks, losses and high costs. Thus the state of charge (SOC) of battery systems in autonomous mobile robots, is an important parameter to prevent a primary failure in this application, the lack of energy. The paper presents the existing methods in the literature to determine the battery state of charge and battery commercial technologies available used in an autonomous mobile robot or autonomous guided vehicle, from these studies a measurement model based on combined model was developed and testing benches for three cells models on Lithium Polymer Battery (Li-PO), Nickel Cadmium (NiCd) and lithium-iron-Polymer (LiFePO4) batteries were performed for lifting the parameters and apply the battery state of charge method based on the Extended Kalman Filter (EKF) technique. The tests were analyzed in order to observe the comparatively response of the proposed method, the OCV method and Real charge capacity.

Dans le cadre de la robotique mobile en environnement extérieur, les concepts de localisation et de perception sont au coeur de toute réalisation. Aussi, les travaux menés au sein de cette thèse visent à rendre plus robustes des processus de localisation existants sans pour autant augmenter de manière notable leur complexité. La problématique proposée place un robot au sein d'un environnement potentiellement dangereux avec pour objectif de suivre une trajectoire établie comme sécurisée avec une carte aussi simple que possible. De plus, des contraintes fortes sont imposées tant dans la réalisation (système peu onéreux, indétectable) que dans le résultat (une exécution temps-réel et une localisation en permanence dans une tolérance de 10 cm autour de la trajectoire de référence). Le capteur extéroceptif choisi pour mener à bien ce projet est une caméra tandis que l'estimation de la pose du véhicule à chaque instant est réalisée par un filtre de Kalman dans sa version étendue. Les principaux problèmes d'estimation résident dans la non-linéarité des modèles d'observation et les contributions apportées apportent quelques solutions : - une méthode de calcul exacte de la propagation des incertitudes de l'espace monde vers l'espace capteur (caméra) ; - une méthode de détection des principaux cas de divergence du filtre de Kalman dans le calcul de la phase de mise à jour ; - une méthode de correction du gain de Kalman. Ce projet avait deux objectifs : réaliser une fonction de localisation répondant aux contraintes fortes préalablement évoquées, et permettre à un véhicule de quitter temporairement la trajectoire de référence, suite à la prise en main de l'opérateur pour ensuite reprendre le cours normal de sa mission au plus près de la trajectoire de référence. Ce deuxième volet fait intervenir un cadre plus large dans lequel il faut, en plus de la localisation, cartographier son environnement. Cette problématique, identifiée par l'acronyme SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), fait le lien avec les deux dernières contributions de ces travaux de thèse : - une méthode d'initialisation des points qui constitueront la carte SLAM ; - une méthode pour maintenir la cohérence entre la carte de référence et la carte SLAM. Des résultats sur des données réelles, étayant chacune des contributions, sont présentés et illustrent la réalisation des deux principaux objectifs. / In the context of outdoor mobile robotics, concepts of localization and perception are central to any achievement. Also, the work in this thesis improves an existing localization process more robust without signicantly increasing their complexity. The proposed problematic addresses a robot in a potentially dangerous field with the aim to follow a path established as safe with a map as simple as possible. In addition, strong constraints are imposed as in the realization (inexpensive system, undetectable) as in the result (a real-time process execution and a localization continuously within a tolerance of 10 cm closed to the reference trajectory). The exteroceptive sensor chosen to carry this project is a camera while the pose estimation of the vehicle at each moment is achieved with an Extended Kalman filter. The main estimation problems are due to the non-linearity of the models and contributions provide some solutions : - an exact calculation method of the propagation of uncertainties in space world into space sensor (camera) ; - a method to detect the main event of a divergence of the update step of the Kalman filter ; - a method to correct the Kalman gain. This project had two objectives : to achieve a localization function with respect to strong constraints previously mentioned, and allow a vehicle to leave temporarily the reference trajectory, while the operator modify the robot trajectory and then resume the normal course of its mission to the reference path. This second part involves a broader context in which it is necessary, in addition to the localization, to map the environment. This problem, identifed by the acronym SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), made the connection with the last two contributions of this thesis work : - an initialization method of the points which will constitute the SLAM map ; - a method to maintain consistency between the reference map and the SLAM map. Results on real data, supporting each contribution, are presented and illustrate the realization of the two main objectives.

Cada vez mais robôs móveis autônomos estão sendo utilizados em diversas tarefas e em ambientes com elevado risco para atividades humanas que a paralisação de suas atividades podem gerar outros riscos, perdas e elevados custos. Assim, o estado de carga (SOC) de sistemas de baterias em robôs móveis autônomos é um parâmetro importante na prevenção de uma falha primária nessa aplicação, a ausência de energia. Este trabalho apresenta os métodos existentes na literatura para a determinação do estado de carga de baterias e as tecnologias de baterias disponíveis utilizadas em robôs móveis autônomos ou veículos autônomos guiados. A partir desses estudos foi desenvolvido um modelo de medida, baseado no modelo combinado e foram realizados testes de bancadas para levantamento dos parâmetros e características de três modelos de células de baterias: Lítio Polímero (Li-PO), Níquel-Cádmio (NiCd) e Lítio-Ferro-Polímero (LiFePO4). Com esses parâmetros, aplicou-se o método de estimativa de carga baseado na técnica do Filtro de Kalman Estendido (EKF). Através dos testes, analisou-se comparativamente a resposta do método proposto e a resposta do método OCV e a capacidade de carga real. / Autonomous mobile robots have being increasingly used in various tasks, environments and activities of high risk to human that the stoppage of its activities may generate other risks, losses and high costs. Thus the state of charge (SOC) of battery systems in autonomous mobile robots, is an important parameter to prevent a primary failure in this application, the lack of energy. The paper presents the existing methods in the literature to determine the battery state of charge and battery commercial technologies available used in an autonomous mobile robot or autonomous guided vehicle, from these studies a measurement model based on combined model was developed and testing benches for three cells models on Lithium Polymer Battery (Li-PO), Nickel Cadmium (NiCd) and lithium-iron-Polymer (LiFePO4) batteries were performed for lifting the parameters and apply the battery state of charge method based on the Extended Kalman Filter (EKF) technique. The tests were analyzed in order to observe the comparatively response of the proposed method, the OCV method and Real charge capacity.