Cette thèse propose d'intégrer les principes de la micro-robotique dans un laboratoire sur puce afin d'améliorer les performances du tri cellulaire par diélectrophorèse. Contrôler la trajectoire des cellules dans une puce fluidique en temps réel nécessite de reconcevoir la puce, la modéliser et développer des lois de commande dédiées au contrôle en temps réel. Concernant la conception, cette thèse s’intéresse au compromis existant entre la vitesse de tri et les problématiques de suivi des cellules en temps réel. Une architecture originale basée sur deux plans d’électrodes, sur les faces supérieures et inférieures des canaux, est proposée. Des procédés de fabrication dédiés à cette architecture sont développés. En particulier, la fabrication d'électrodes transparentes et l'assemblage des deux réseaux d'électrodes parallèles sont étudiés. Concernant la modélisation, une formulation analytique du champ électrique découplant variables de commande, termes dépendant de la position de l’objet et termes dépendant uniquement de la géométrie de la puce est proposée afin de calculer rapidement et précisément la force de diélectrophorèse. Une analyse de l'anisotropie des forces de frottement présentes à proximité des électrodes vient compléter la modélisation dynamique du comportement des microparticules, et donne lieu à un modèle compatible avec la commande temps réel, validé expérimentalement sur des objets artificiels. Enfin, un contrôleur basé sur des techniques d’optimisation ainsi qu’un planificateur de trajectoires sont proposés pour le tri de cellules. Un simulateur est développé et met en avant les bonnes performances de tri d’un tel système. L’ensemble de ces méthodes permettront de contrôler la trajectoire de cellules biologiques dans des puces de tri afin d’en améliorer la sélectivité et la rapidité. / This thesis proposes to integrate the principles of micro-robotics in a lab-on-a-chip in order to improve the performance of cell sorting by dielectrophoresis. Controlling the trajectory of cells in a fluidic chip in real time requires redesigning the chip, modeling it and developing control laws dedicated to real-time control. Concerning the design, this thesis is interested in the compromise existing between the speed of sorting and the problems of cell tracking in real time. An original architecture based on two electrode planes, on the upper and lower faces of the channels, is proposed. Manufacturing processes dedicated to this architecture are developed. In particular, the manufacture of transparent electrodes and the assembly of the two parallel electrode arrays are studied. Concerning the modeling, an analytical formulation of the electric field uncoupling control variables, terms depending on the position of the object and terms depending solely on the geometry of the chip is proposed in order to quickly and accurately calculate the dielectrophoresis force. An analysis of the anisotropy of the friction forces present near the electrodes completes the dynamic modeling of the behavior of the microparticles, and gives rise to a model compatible with real-time control, validated experimentally on artificial objects. Finally, a controller based on optimization techniques and a trajectory planner are proposed for cell sorting. A simulator is developed and highlights the good sorting performance of such a system. All of these methods will control the trajectory of biological cells in sorting chips to improve selectivity and speed.

Este trabalho contempla o projeto de um manipulador robótico cilindro atuado por motores de passo com cinco juntas de atuação. As etapas do projeto do robô, que tratam este estudo, foram divididas em: projeto mecânico; modelagem matemática; projeto do controlador; e simulações. O projeto mecânico apresenta uma proposta de configuração e dimensionamento mecânicos que supre a demanda exigida para a operação analisada. O modelo matemático apresenta as características elétricas e mecânicas do atuador e as características mecânicas do robô. O projeto de um controlador linear é realizado por meio da alocação dos polos do sistema em malha fechada através da realimentação dos estados de posição e de velocidade angulares do rotor unidos a um integrador do erro de posição angular. Para o primeiro grau de liberdade, por conta da variação do momento de inércia de massa associado a essa junta, um controlador com ganhos parametrizados foi projetado, no qual os ganhos são calculados baseado no modelo matemático relativo ao momento de inércia de massa associado a essa junta. Por meio de simulações computacionais, avaliou-se o projeto dos controladores no movimento ponto a ponto dos cinco eixos de atuação e a variação do momento de inércia de massa sobre a primeira junta. Os resultados dessas simulações mostraram que os controladores propostos cumprem com a dinâmica desejada nos cinco graus de liberdade do robô. / This work contemplates the design of a robotic manipulator, which is operated by a stepper motor with five actuation joints. The robot design steps were divided into: mechanical design; mathematical modeling; controller design; and simulations. The mechanical design presents a proposal of mechanical configuration and sizing that supplies the required demand for the analyzed operation. The mathematical model presents the electrical and mechanical characteristics of the actuator and the mechanical characteristics of the robot. The design of a linear controller is accomplished by allocating the poles of the closed loop system by states feedback of the position and angular speed of the rotor attached to an angular position error integrator. For the first degree of freedom, due to the variation of mass moment of inertia associated with this joint, a controller with parameterized gains was projected, in which the gains are calculated based on the mathematical model related to the mass moment of inertia associated to this joint. By means of computational simulations, we evaluated the design of the controllers in the point-to-point movement of the five actuation joints and the variation of the mass moment of inertia on the first joint. The results of these simulations showed that the proposed controllers comply with the desired dynamics in the robot’s five degrees of freedom.

Submitted by Ricardo Cedraz Duque Moliterno (ricardo.moliterno@uefs.br) on 2018-01-29T22:11:40Z No. of bitstreams: 1 ALBERTO AMORIM FINAL - DISSERTA??O VERS?O FINAL.pdf: 8568799 bytes, checksum: 532838187e697dfca1fc76718559ba44 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-29T22:11:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALBERTO AMORIM FINAL - DISSERTA??O VERS?O FINAL.pdf: 8568799 bytes, checksum: 532838187e697dfca1fc76718559ba44 (MD5) Previous issue date: 2017-09-29 / The current work is about remote and robotic telescopes as a school activity. In its development, it is based in the consolidated experiences of the Telescopes at School, from Brazil, and MicroObservatory, from United States of America. In order to support the diffusion of remote observation technology in Brazilian education, it recommends the study of the Messier Catalog and the Moon. The research was attended by eleven high school students from the AstroEngenharia Project of the Teot?nio Vilela State School in Feira de Santana, a city of Bahia, Brazil. To this research the author used both qualitative and quantitative approach. As a reference for learning, the postulates of Leon Vygotsky, that emphasizing the role of the school in the formation of scientific concepts and the teacher?s performance in the zone of proximal development (ZPD). The products include tutorials, forms and spreadsheets, as well as activities with image in false color, the calculation of the diameter of the lunar craters and the creation of the images bank. / O presente trabalho aborda o uso de telesc?pios remotos e rob?ticos como atividade escolar. No seu desenvolvimento busca amparo nas experi?ncias consolidadas dos Telesc?pios na Escola no Brasil e do MicroObservatory nos Estados Unidos da Am?rica. Para subsidiar a difus?o da tecnologia de observa??o remota, na educa??o brasileira, recomenda o estudo do Cat?logo Messier e da Lua. A investiga??o contou com a participa??o de onze estudantes do Ensino M?dio do projeto denominado AstroEngenharia do Col?gio Estadual Teot?nio Vilela. A pesquisa fez uso da abordagem qualitativa e quantitativa. Como referencial de aprendizagem foram utilizados os postulados de Leon Vygotsky por enfatizar o papel da escola na forma??o dos conceitos cient?ficos e na atua??o do professor na Zona de Desenvolvimento Proximal (ZDP). Os produtos elaborados consistem em tutoriais, formul?rios e planilhas, assim como em atividades com imagens em falsa cor, o c?lculo do di?metro das crateras lunares e a cria??o do banco de imagens.

Orientador: Jacques Wainer / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:14:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pinheiro_PauloGurgel_M.pdf: 1259816 bytes, checksum: a4783df9aa3755becb68ee233ad43e3c (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Em um problema de localização multirrobô cooperativa, um grupo de robôs encontra-se em um determinado ambiente, cuja localização exata de cada um dos robôs é desconhecida. Neste cenário, uma distribuição de probabilidades aponta as chances de um robô estar em um determinado estado. É necessário então, que os robôs se movimentem pelo ambiente e gerem novas observações que serão compartilhadas, para calcular novas estimativas. Nos últimos anos, muitos trabalhos têm focado no estudo de técnicas probabilísticas, modelos de comunicação e modelos de detecções, para resolver o problema de localização. No entanto, a movimentação dos robôs é, em geral, definida por ações aleatórias. Ações aleatórias geram observações que podem ser inúteis para a melhoria da estimativa. Este trabalho apresenta uma proposta de localização com suporte a planejamento de ações. O objetivo é apresentar um modelo cujas ações realizadas pelos robôs são definidas por políticas. Escolhendo a melhor ação a ser realizada, é possível receber informações mais úteis dos sensores internos e externos e estimar as posturas mais rapidamente. O modelo proposto, denominado Modelo de Localização Planejada - MLP, utiliza POMDPs para modelar os problemas de localização e algoritmos específicos de geração de políticas. Foi utilizada a localização de Markov como técnica probabilística de localização e implementadas versões de modelos de detecção e propagação de informação. Neste trabalho, um simulador de problemas de localização multirrobô foi desenvolvido, no qual foram realizados experimentos em que o modelo proposto foi comparado a um modelo que não faz uso de planejamento de ações. Os resultados obtidos apontam que o modelo proposto é capaz de estimar as posturas dos robôs com uma menor quantidade de passos, sendo significativamente mais e ciente do que o modelo comparado sem planejamento. / Abstract: In a cooperative multi-robot localization problem, a group of robots is in a certain environment, where the exact location of each robot is unknown. In this scenario, there is only a distribution of probabilities indicating the chance of a robot to be in a particular state. It is necessary for the robots to move in the environment generating new observations, which will be shared to calculate new estimates. Currently, many studies have focused on the study of probabilistic techniques, models of communication and models of detection to solve the localization problem. However, the movement of robots is generally defined by random actions. Random actions generate observations that can be useless for improving the estimate. This work describes a proposal for multi-robot localization with support planning of actions. The objective is to describe a model whose actions performed by robots are defined by policies. Choosing the best action to be performed, the robot gets more useful information from internal and external sensors and estimates the posture more quickly. The proposed model, called Model of Planned Localization - MPL, uses POMDPs to model the problems of location and specific algorithms to generate policies. The Markov localization was used as probabilistic technique of localization and implemented versions of detection models and information propagation model. In this work, a simulator to multi-robot localization problems was developed, in which experiments were performed. The proposed model was compared to a model that does not make use of planning actions. The results showed that the proposed model is able to estimate the positions of robots with lower number of steps, being more e-cient than model compared. / Mestrado / Inteligencia Artificial / Mestre em Ciência da Computação

Robôs sociáveis devem ser capazes de interagir, se comunicar, compreender e se relacionar com os seres humanos de uma maneira natural. Embora diversos robôs sociáveis tenham sido desenvolvidos com sucesso, ainda existem muitas limitações a serem superadas. São necessários importantes avanços no desenvolvimento de mecanismos que possibilitem interações mais realísticas, bem como regulem o relacionamento entre robôs e humanos. Um forma de tornar mais realísticas as interações é através de expressões faciais de emoção. Nesse contexto, este trabalho fornece capacidade de imitação de expressão facial de emoções a uma cabeça robótica virtual, com o objetivo de permitir interações mais realísticas e duradouras com o ser humano. Para isso, é incorporado à mesma aprendizado por imitação, no qual a cabeça robótica imita expressões faciais apresentadas por um usuário durante a interação social. O aprendizado por imitação foi realizado atráves de redes neurais artificiais. As expressões faciais consideradas neste trabalho são: neutra, alegria, raiva, surpresa e tristeza. Os resultados experimentais são apresentados, os quais mostram o bom desempenho do sistema de imitação proposto / Sociable robots must be able to interact, communicate, understand and relate to humans in a natural way. Although many social robots have been developed successfully, there are still many limitations to overcome. Important advances are needed in the development of mechanisms that allow more realistic interactions and that regulate the relationship between robots and humans. One way to make more realistic interactions is through facial expressions of emotion. In this context, this project provides ability for imitation of facial expressions of emotion to a virtual robotic head, in order to allow more realistic and lasting interactions with humans. For such, learning by imitation is used, in which the robotic head mimics facial expressions made by a user during social interaction. The imitation learning was performed by artificial neural networks. Facial expressions considered in this work are: neutral, happiness, anger, surprise and sadness. Experimental results are presented which show the good performance of the proposed system imitation

"A number of outstanding problems in robotic motion and manipulation involve tasks where degrees of freedom (DoF), be they part of the robot, an object being manipulated, or the surrounding environment, cannot be accurately controlled by the actuators of the robot alone. Rather, they are also controlled by physical properties or interactions - contact, robot dynamics, actuator behavior - that are influenced by the actuators of the robot. In particular, we focus on two important areas of poorly controlled robotic manipulation: motion planning for deformable objects and in deformable environments; and manipulation with uncertainty. Many everyday tasks we wish robots to perform, such as cooking and cleaning, require the robot to manipulate deformable objects. The limitations of real robotic actuators and sensors result in uncertainty that we must address to reliably perform fine manipulation. Notably, both areas share a common principle: contact, which is usually prohibited in motion planners, is not only sometimes unavoidable, but often necessary to accurately complete the task at hand. We make four contributions that enable robot manipulation in these poorly controlled tasks: First, an efficient discretized representation of elastic deformable objects and cost function that assess a ``cost of deformation' for a specific configuration of a deformable object that enables deformable object manipulation tasks to be performed without physical simulation. Second, a method using active learning and inverse-optimal control to build these discretized representations from expert demonstrations. Third, a motion planner and policy-based execution approach to manipulation with uncertainty which incorporates contact with the environment and compliance of the robot to generate motion policies which are then adapted during execution to reflect actual robot behavior. Fourth, work towards the development of an efficient path quality metric for paths executed with actuation uncertainty that can be used inside a motion planner or trajectory optimizer."

Because of the increasingly demanding tasks that robotic systems are asked to perform, there is a need to make them more reliable, intelligent, versatile and self-sufficient. Furthermore, throughout the robotic system?s operation, changes in its internal and external environments arise, which can distort trajectory tracking, slow down its performance, decrease its capabilities, and even bring it to a total halt. Changes in robotic systems are inevitable. They have diverse characteristics, magnitudes and origins, from the all-familiar viscous friction to Coulomb/Sticktion friction, and from structural vibrations to air/underwater environmental change. This thesis presents an on-line environmental Change, Detection, Isolation and Accommodation (CDIA) scheme that provides a robotic system the capabilities to achieve demanding requirements and manage the ever-emerging changes. The CDIA scheme is structured around a priori known dynamic models of the robotic system and the changes (faults). In this approach, the system monitors its internal and external environments, detects any changes, identifies and learns them, and makes necessary corrections into its behavior in order to minimize or counteract their effects. A comprehensive study is presented that deals with every stage, aspect, and variation of the CDIA process. One of the novelties of the proposed approach is that the profile of the change may be either time or state-dependent. The contribution of the CDIA scheme is twofold as it provides robustness with respect to unmodeled dynamics and with respect to torque-dependent, state-dependent, structural and external environment changes. The effectiveness of the proposed approach is verified by the development of the CDIA scheme for a SCARA robot. Results of this extensive numerical study are included to verify the applicability of the proposed scheme.

[pt] O controle de empuxo vetorial (TVC) é usado para o controle de atitude de foguetes aeroespaciais. No caso de propulsão usando combustível líquido, tradicionalmente o bocal é conectado ao corpo do foguete através de uma junta cardânica. Dois atuadores hidráulicos são colocados ao redor do bocal para controlar sua orientação. Nesta tese, o TVC é tratado como uma plataforma robótica de base fixa. Ao invés de usar servo-válvulas comerciais para controlar os atuadores, uma nova válvula de controle é proposta. Primeiro uma plataforma cardânica é considerada com transdutores de posição angular medindo o deslocamento da cruzeta da junta. Em seguida, uma nova configuração da plataforma é proposta substituindo o cardan por uma junta homocinética. Neste caso, a realimentação da posição da plataforma é feito usando um estimador de atitude em tempo real. Este estimador é um filtro complementar baseado em matrizes de orientação que coleta dados de uma central inercial (IMU). A modelagem do sistema começa com a cinemática. Na sequência, a modelagem dinâmica utiliza a formulação de Newton-Euler para obter a equação de movimento. A modelagem do sistema hidráulico é apresentada com o modelo da nova válvula de controle e do atuador. Inicialmente, um controlador puramente proporcional é proposto. Durante a validação experimental é mostrado que devido as características do sistema de atuação, mesmo este simples controlador é preciso e confiável. Em seguida é demonstrado um método para avaliar outras estratégias de controle. A comparação entre a plataforma cardânica e homocinética mostra que, nas condições analisadas, ambas têm um comportamento dinâmico similar. Nas duas configurações da plataforma o sistema se mostrou preciso e confiável. / [en] Thrust Vector Control (TVC) is used for the attitude control of spacecrafts. In the case of liquid-propellant fuel, the nozzle is traditionally connected to the rocket frame through a gimbal. Two hydraulic actuators are placed around the nozzle to control its orientation. In this Thesis, TVC is treated as a fixed base robotic platform. Instead of using commercial servo-valves to control the actuators, a novel control valve is proposed. First a gimbaled platform is considered with two angular position transducers to measure the angular displacement of the joint crosshead. Then, a homokinetic platform configuration is proposed replacing the gimbal by a constant velocity joint. In this case, the platform position feedback is done using a real-time attitude estimator. The estimator is a complementary filter based on orientation matrices that collects data from an inertial measurement unit (IMU). The modeling of the system begins with kinematics. Then, the dynamic modeling uses the Newton-Euler formulation to obtain the equation of motion. The modeling of the electro-hydraulic system is presented with the model of the novel control valve and the linear actuator. Initially, a full proportional controller is proposed. During the experimental validation it is shown that due to the characteristics of the actuation system, even this simple controller is accurate and reliable. Thereafter, method is demonstrated to evaluate novel control strategies. The comparison between the gimbaled and homokinetic platform shows that, under the analyzed conditions, they have a similar dynamic behavior. In both platform configurations the system is accurate and reliable.

Objetivou-se com este estudo avaliar o impacto da adoção do SOA em uma propriedade leiteira no Município de Castro - Paraná através da identificação e análise das atividades de valor que influenciam os “direcionadores de custos” de Porter (1989) e comparar com duas propriedades leiteiras de perfil semelhante, porém com o Sistema de Ordenha Convencional (SOC). A partir deste contexto, este trabalho busca avaliar como esta opção tecnológica sustenta o desenvolvimento das estratégias competitivas em propriedades leiteiras. Foi utilizado o método de estudo de caso, através de entrevistas semiestruturadas, consulta a dados secundários e observação direta. Analisando as atividades de valor em cada direcionador explorado na propriedade que adotou o SOA, foi possível estabelecer principalmente que: a) ocorreu redução da mão de obra via aumento percentual da sua produtividade; b) redução de gastos com tratamento veterinário do rebanho através de análise automática do leite pelo robô, no momento da ordenha, identificando animais com problemas sanitários e, c) aumentou a produtividade do rebanho através do aumento do número de ordenhas/vaca/dia. Em especial, a adoção do SOA na propriedade leiteira estudada impactou positivamente no controle dos custos, porém, existem fatores não econômicos responsáveis pela aceitação e satisfação na adoção deste sistema, como razões sociais (melhora da qualidade de vida dos funcionários e do proprietário através da liberdade de monitorar a ordenha à distância sempre que oportuno). Complementarmente, observou-se que propriedades com SOA em fase inicial chegam a níveis de produtividade da mão de obra semelhantes à de propriedades com SOC em alta escala. Portanto, à medida que a propriedade com SOA expande as unidades robóticas, a ponto de chegar próximo à escala de animais de propriedades com SOC, o índice de produtividade da mão de obra de propriedades com SOA torna-se superior. É possível concluir que a adoção do SOA causou alterações em algumas atividades de valor no período de adaptação e após este período. Comparando a propriedade com SOA frente as duas propriedades com SOC 1 e 2, observou-se diversas semelhanças nas atividades de valor de alguns direcionadores de custos, demonstrando que a decisão de optar por este sistema de ordenha vai além de questões econômicas e produtivas, mas também engloba questões sociais (qualidade de vida). / The main objective of this study was to evaluate the impact of AMS adopting in a dairy farm in the municipality of Castro - Paraná, through the identification and analysis of value activities that influence the "cost drivers" of Porter (1989) and compare with two dairy farms with similar profile, but with the Conventional Milking System (CMS). From this context, this study aims to assess how this technology option supports the development of competitive strategies in dairy farms. It was used the case study method, through semi-structured interviews, consultation with secondary data and direct observation. Analysing the value activities in each cost driver explored at the dairy farm that adopted AMS, It was possible established mainly that: a) there was a reduction of labour via percentage increase in productivity; b) reduced spending on veterinary care of the herd through automatic analysis of milk by the robot at the time of milking, identifying animals with health problems and, c) increased herd productivity through increasing the number of milking per cow per day. In particular, the adoption of AMS in dairy farm studied impacted positively on cost control. However, there are no-economic factors responsible for acceptance and satisfaction in the adoption of this system, as social reasons (improved the life quality of employees and owner through freedom to monitor the milking at distance, where appropriate). In addition, it was noted that dairy farms with AMS in the initial stage achieve to labour productivity levels similar to the dairy farms with CMS on a large scale. Therefore, as the property with AMS expands the robotic units, to the point to get near of the animal scale in dairy farms with CMS, the labour productivity index with AMS dairy farms become higher. It was concluded that the adoption of the AMS caused changes in some value activities in the adaptation period and thereafter. Comparing the dairy farm with AMS face the two dairy farms with CMS 1 and 2, there are some similarities in the value activities of some cost drivers, demonstrating that the decision to opt for this milking system goes beyond economic and production issues, but also includes social issues (quality of life).

Durante o processo de desenvolvimento de software a atividade de teste pode contribuir com a melhoria de qualidade, produtividade e redução de custos, por meio da aplicação de técnicas e critérios de teste. Esses instrumentos viabilizam a detecção de defeitos, minimizando a quantidade de falhas no produto final. Durante o desenvolvimento de sistemas robóticos móveis, técnicas VST (Virtual Simulation Tools/Technology) são enormemente utilizadas. Apesar dos testes usando simulação serem eficientes em alguns casos, eles não permitem uma sistematização da atividade de teste com relação à cobertura de código. Este projeto de doutorado contribui nessa direção, explorando essa lacuna e propondo uma abordagem de teste de integração híbrida, composta por teste funcional e estrutural, a qual explora defeitos relacionados à comunicação entre os processos do sistema robótico. Este estudo foi conduzido com base em conceitos explorados no teste de programas concorrentes, dado que os sistemas robóticos podem apresentar problemas similares aos encontrados nos programas concorrentes, como não determinismo, diferentes possibilidades de comunicação, entre outros. Durante o trabalho foi definida uma abordagem de teste de integração e critérios de cobertura aplicados a sistemas robóticos. Os estudos exploratórios conduzidos indicaram que a abordagem proposta é aplicável e pode contribuir para revelar defeitos não explorados pela simulação e técnicas de teste utilizadas anteriormente. / During the software development process the test activity contributes in terms of increased software quality, team productivity and cost reduction by application of techniques and test criteria. These mechanisms allow the defects detection, reducing the failures in the final product. In a robotic systems development context, VST techniques (Virtual Simulation Tools/Technology) are widely used. Although these approaches be efficient, in some cases they not allow great systematization of the test activity including code coverage analysis. This project explores this gap and proposes an approach for integration testing applied to robotic embedded systems, composed of functional and structural testing, looking for defects mainly related to the communication among processes of these systems. This study was initially conducted by mapping coverage criteria, defined for concurrent programs testing and exploring problems related to non-determinism, communication, and other undesired situations. During the project we defined an approach of integration testing and coverage criteria for mobile robotic systems. The exploratory case studies indicate that the proposed approach is applicable and can contributes to reveal defects not found using simulations or traditional testing of mobile robotic systems.