Para ter uma aplicação real, um robô móvel deve poder desempenhar sua tarefa em ambientes desconhecidos. Uma arquitetura para robôs móveis que se adapte ao meio em que o robô se encontra é então desejável. Este trabalho apresenta uma arquitetura adaptativa para robôs móveis, de nome AAREACT, que aprende como coordenar comportamentos primitivos codificados por Campos Potenciais através de aprendizado por reforço. Cada comportamento utiliza a informação de apenas um tipo de sensor (visão, sonar ou odometria). O sensor de visão foi desenvolvido neste trabalho, e utiliza os tempos para colisão obtidos através da análise de seqüências de imagens para indicar a disposição dos objetos à frente do robô. A atuação da arquitetura proposta é comparada com a apresentada por uma arquitetura com coordenação fixa dos comportamentos, demonstrando melhor desempenho. Os resultados obtidos neste trabalho também apontam a alta capacidade de adaptação da arquitetura AAREACT. / It is desirable that mobile robots applied to real world applications perform their operations in previously unknown environments. Thus, a mobile robot architecture capable of adaptation is very suitable. This work presents an adaptive architecture for mobile robots called AAREACT, that has the ability of learning how to coordinate primitive behaviors codified by the Potential Fields method through reinforcement learning. Each behavior uses the information of a single sensor (vision, sonar or odometer). This work also brings details about the vision sensor\'s development, which uses time-to-crash information in order to detect distances to frontal obstacles. The proposed architecture\'s actuation is compared to that showed by an architecture that performs a fixed coordination of its behaviors, and shows a better performance. The obtained results also suggest that AAREACT has good adaptation skills.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma estratégia de assistência adaptativa mediante a implementação de um controle de impedância variável para um robô de reabilitação do tornozelo. A estratégia é formulada de tal forma que o dispositivo robótico assiste ao paciente somente quando e quanto for necessário, seguindo o paradigma Assist-As-Needed. Inicialmente, a contribuição dinâmica do paciente durante a realização do movimento é estimada com base nas informações cinemáticas e de torque fornecidas pelo robô. Em seguida, são propostos dois métodos para se obter o parâmetro de rigidez do controlador de impedância, o primeiro deles determina um valor de erro admissível e calcula a rigidez do robô para complementar a atuação do paciente, e o segundo calcula a rigidez mediante a minimização de um funcional que quantifica o processo de reabilitação e a interação entre robô e paciente. Além disso, a quantidade de assistência dada pelo robô também é adaptada conforme o desempenho do paciente ao longo da sessão. A estratégia foi implementada no robô Anklebot e avaliada em três pacientes pós-AVC para movimentos de flexão dorsal/plantar e de inversão/eversão. Os resultados obtidos indicam que o método utilizado para a estimativa da rigidez é válido para determinar a quantidade de assistência. Finalmente, os resultados confirmam que o aumento do desempenho do paciente gera uma diminuição da assistência robótica, e vice-versa. / This work presents the design of an adaptive robotic assistance strategy through a variable impedance control of an ankle rehabilitation robot. This strategy is formulated so that the robotic device assists the patient only as much as needed, following the Assist-As-Needed paradigm. First, the dynamic contribution of the patient during the motion is estimated based on the torque and kinematic information provided by the robot. Then, two methods are proposed to calculate the stiffness parameter of the impedance controller, the first one determines an admisible value of error and computes the robot stiffness to complement the estimated patient stiffness. The second one computes the robot stiffness by minimizing a functional that quantifies both the rehabilitation process and the interaction between robot and patient. In addition, the amount of the robotic assistance is adapted according to the patient\'s performance. The proposed methods were implemented at the Anklebot and evaluated by three post-stroke patients for dorsi/plantarflexion and inversion/eversion movements. Results indicate that the stiffness estimation is a valid method to determine the amount of the assistance. Finally, the results confirm that increasing the performance of the patient generates a decrease in the robotic assistance, and vice versa.

Esta tese propõe um modelo probabilístico geral para a localização cooperativa de multirrobôs. O problema da localização multirrobôs pode ser definido como: dado um modelo do ambiente, estimar a localização de cada robô em um grupo atuando em um mesmo ambiente, com base nas informações sensoriais oferecidas pelas medidas de odometria, medidas do ambiente e detecções. Detecção é a habilidade de um robô identificar outro e determinar a distância relativa entre eles. A idéia principal da localização cooperativa de multirrobôs consiste em integrar medidas coletadas por diferentes robôs, de modo que todos possam se beneficiar dos dados adquiridos pelos outros robôs do grupo. Desta forma, detecções podem ser usadas para refinar a estimativa de postura de cada robô com base nas estimativas dos outros. Comunicação fornece aos robôs a habilidade de compartilhar suas crenças de postura de forma que possam cooperar para melhorar a acurácia da localização. Aqui é explorado o uso de diferentes tipos de informação para comunicar entre os robôs: propagação da detecção positiva, detecção negativa e multidetecção, os quais são integrados em um novo algoritmo, chamado Localização de Markov para Multirrobôs Cooperativos (LMMC). Também é proposto um protocolo de comunicação para a troca de dados entre os robôs e um conjunto de critérios que possibilitam a redução da comunicação por meio da diminuição da quantidade de dados trocados entre robôs, de um modo eficaz e eficiente. Os experimentos realizados em ambientes simulados demonstram que a abordagem proposta pode conduzir a resultados significativamente melhores de localização quando comparada à abordagem com detecção única e ainda com uma menor quantidade de mensagens trocadas entre os robôs. / In this thesis we propose a general probabilistic model to cooperative multirobot localization. The multirobot localization problem can be stated as follows: given a model of the environment, estimate the location of each robot in a group within the same environment based on sensors information that provides odometric measurements, environment measurements, and detections. Detection is the ability of one robot to identify others and to determine the relative location of other robots relative to its own. The key idea behind the multirobot localization approach is to integrate measurements taken by different robots, so that each one can benefit from data gathered by other robots in a group. In this sense, detections can be used to refine the pose estimates of a robot based on the other\'s estimate. Communication provides robots with the ability to exchange their pose beliefs, so that they can cooperate in order to improve their localization accuracy. We explore the use of different types of information to exchange among robots: propagation of positive detection, negative detection, and multidetection, which are integrated in a new algorithm, called Cooperative Multirobot Markov Localization, CMML. We also contribute a communication protocol that deals with the data transmitted among robots, and a set of communication rules that aims at reducing the amount of data exchanged among robots in an effective and efficient way. Experimental results, carried out in simulated environments, demonstrate that our approach can yield better localization results than a single-detection approach, at significantly smaller communication overhead.

Observando-se as diversas aplicações de robôs na área de serviços é possível perceber uma crescente busca por manipulação de ferramentas em lugares elevados utilizando dispositivos robóticos, visto que tais tarefas exigem a utilização de diversos equipamentos de segurança e apresentam um alto risco à presença humana. Os exemplos mais comuns desse tipo de tarefa são: inspeção de: máquinas de grande porte, tanques de armazenamento, silos, postes, linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica, etc. Com o intuito de aplicar robôs a essas tarefas, e consequentemente aumentar a segurança e eficiência dessas operações, foi realizado, primeiramente neste trabalho, um estudo sobre as classes de robôs manipuladores existentes. Para tanto adotou-se uma classificação que separa os robôs de acordo com o número de juntas, o que gera uma divisão em três diferentes grupos, robôs discretos, robôs do tipo serpente e robôs contínuos. Ao analisar as três classes, observa-se que os robôs contínuos possuem mais graus de liberdade que os outros grupos, apresentando como estrutura uma coluna vertebral continuamente deformável, que em oposição aos tradicionais manipuladores robóticos elo/junta/elo, possuem mecanismos mais simplificados, controle menos complexo devido ao menor número de atuadores e podem interagir com obstáculos encontrados em seu ambiente sem criar grandes forças de contato. Ao utilizar configurações extrínsecas, ou seja, posicionando os atuadores fora da estrutura do robô, e transmitindo o movimento utilizando cabos, é possível construir robôs com alta isolação elétrica, o que é de grande utilidade para operações que envolvem tarefas nas proximidades de redes elétricas de alta tensão. Apesar das diversas vantagens, não foram encontradas na literatura aplicações de robôs contínuos na realização de tarefas em alturas elevadas. Levando em consideração as vantagens oferecidas pelos robôs contínuos, este trabalho propõe o estudo e a aplicação de um robô do tipo contínuo que possua uma arquitetura mais adequada para realizar trabalhos a alturas elevadas. Com o intuito de demonstrar as vantagens oferecidas por essa arquitetura, será realizado um estudo de caso no qual o objeto a ser inspecionado são as cruzetas de madeira em postes de distribuição de energia elétrica. Em uma segunda etapa, elabora-se o projeto mecânico do robô contínuo proposto, onde são detalhados os mecanismos propostos e são feitas simulações utilizando o método dos elementos finitos para analisar o comportamento da estrutura quando submetida a carregamentos. Em uma terceira etapa, adotando-se uma estratégia de controle seqüencial é elaborado o projeto de controle. Em uma ultima etapa, com o intuito de analisar o funcionamento do robô é construído um protótipo, com o qual são feitos os testes. / Among several applications of robots in the service field, it is possible to percept an increasing interest in manipulate tools in higher positions using automatic devices, due to the fact that such activities are high risked operations and demands the use of several safety equipments. The most common examples of this kind of activity are the inspection of machines, silos, electrical distribution poles, etc. With the aim of apply robots to these activities and increase the safety and efficiency in these operations, as a first step in this work is done the study of different kinds of manipulators. Adopting a classification based on the number of joints, it is possible to separate robots in three different classes: discrete robots, snake-like robots and continuum robots. By analyzing these classes, it is possible to say that continuum robots have more degrees of freedom than the robots of others groups; Compared with the classic discrete robots, continuum robots have simplified mechanisms, simpler control scheme due to the small number of actuators and, in the case of an obstacle, they can contour the obstacle without generating high contact forces. By positioning the actuators out of the robot structure and transferring the motion using cables, i.e., adopting an extrinsic actuation, it is possible to build continuum robots with high electric insulation that is important in applications in which the robot must work near of an electrical distribution network. Despite these advantages, no previous works concerning the use of continuum robots to work in higher positions were found in the literature. Considering the advantages offered by continuum robots, this work proposes a study and application of a continuum robot that uses a more suitable architecture to work in higher positions. Aiming to demonstrate the advantages provided by this architecture, It will be used a case study, in which, the object to be inspected is the wood cross-arms of an electrical poles used in the electrical distribution networks. In a second step, it is done the mechanical project of the robot, where the proposed mechanisms are explained and structural simulations using the finite element method are performed in order to analyze how the structure would react to loads. In a third step, by adopting a strategy of sequential control, it is done the control project. In the last step, with the aim of analyze the robot in practical situation, a prototype is built, which is used to perform the tests.

De acordo com a Organização Mundial da Saúde,cerca de 1,2milhões de pessoas no mundo morrem em acidentes de trânsito. Sistemas de assistência ao motorista e veículos autônomos podem diminuir o número de acidentes. Dentre as várias demandas existentes para viabilizar essa tecnologia, sistemas computacionais de percepção ainda permanecem sem uma solução definitiva. Dois deles, detecção de obstáculos e de via navegável, normalmente fazem uso de algoritmos sofisticados como técnicas de aprendizado supervisionado, que mostram resultados impressionantes quando treinados com bases de dados bem definidas e diversificadas.Entretanto, construir, manter e atualizar uma base de dados com exemplos de vários lugares do mundo e em diversas situações é trabalhoso e complexo. Assim, métodos adaptativos e auto-supervisionados mostram-se como boas alternativas para sistemas de detecção do futuro próximo. Neste contexto, esta tese apresenta um método para estimar obstáculose via navegável através de sensores de baixo custo (câmeras estereoscópicas), sem o uso de técnicas de aprendizado de máquina e de diversas suposições normalmente utilizadas por trabalhos já disponíveis na literatura. Esses métodos utilizando sensor estereoscópico foram comparados fazendo uso de sensores do tipo 3D-LIDAR e mostraram resultados semelhantes. Este sistema poderá ser usado como uma fase pré-processamento de dados para melhorar ou viabilizar métodos adaptativos de aprendizado. / World wide, an estimated 1.2million lives are lostin road crashes each year and Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) and Self-driving cars promise to reduce this number. Among the various issues to complete this technology, perception systems are still an unsolved issues. Normally two of them, obstacle detection and road detection, make use of sophisticated algorithms such as supervised machine learning methods which can perform with impressive results if it was trained with good data sets. Since it is a complex and an expensive job to create and maintain data bases of scenarios from the entire world, adaptive and/or self-supervised methods are good candidates for detection systems in the near future. Due that, this thesis present a method to estimate obsta- cles and estimate the road terrain using low cost sensors (stereo camera), avoiding supervised machine learning techniques and the most common assumptions used by works presented in literature. These methods were compared with 3D-LIDAR approaches achieving similar results and thus it can be used as a pre-processing step to improve or allow adaptive methods with machine learning systems.

In this work, a unicycle system with reaction wheel is presented, considering the construction, the modeling, the design and test of the controllers. Firstly, a mechanical model considering a tridimensional computer aided design (3D CAD) is built in order to assist the construction and, after that, the modeling using the Lagrange method. In this work, linear controllers are designed and, therefore, the linearization of the system is done by the Jacobian, that is, assuming small variations around the equilibrium point. In this situation, there is no coupling between the pitch and the roll angles, thus resembling two inverted pendulums. The prototype is constructed by attaching the electronic components, the battery, the wheels and the motors to a body, to make it fully autonomous. The positioning of the parts has to balanced in order to maintain the position of the center of mass along the vertical and horizontal axis of symmetry. Then, a linear control project is done to stabilize the plant using two techniques that are validated considering simulations of the nonlinear coupled system. Then, the techniques were tested in the built prototype. The first one consists of the optimal LQR control that, although it worked, presented some problems due to parametric uncertainties. Therefore, the H2 control is used via LMI in such a way that the project becomes similar to the LQR, but in this way it is possible to insert parametric uncertainties and find a controller with some degree of robustness to them. / Neste trabalho, é apresentado um sistema de um monociclo com roda de reação, mostrando desde a construção, passando pela modelagem até o projeto e teste dos controladores. Primeiramente, é feito o projeto mecânico por meio de um desenho assistido por computador tridimensional (3D CAD), para auxiliar a construção e, em seguida, a modelagem por meio do método de Lagrange. Naturalmente, o sistema é não linear e os ângulos de arfagem e rolamento são acoplados. Neste trabalho, controladores lineares são projetados e, portanto, a linearização do sistema é feita pelo Jacobiano, ou seja, assumindo pequenas variações em torno do ponto de equilíbrio. Nesta situação, o modelo desacopla os ângulos de arfagem e rolamento. O protótipo é construído fixando os componentes eletrônicos, a bateria, as rodas e os motores a um corpo, de forma a ser totalmente autônomo. O posicionamento das peças precisa ser equilibrado, de forma a manter a posição do centro de massa ao longo dos eixos de simetria vertical e horizontal. Em seguida, é feito um projeto de controle linear para estabilização da planta usando duas técnicas que são validadas via simulações do sistema não linear acoplado. Depois, as técnicas são testadas no protótipo construído. A primeira consiste do controle ótimo LQR que, apesar de ter funcionado, apresentou alguns problemas devidos a incertezas paramétricas. Logo, é usado o controle H2 via LMI, de tal forma que o projeto equivalha ao LQR, mas desta forma é possível inserir incertezas paramétricas e achar um controlador com algum grau de robustez a elas.

O objetivo deste estudo foi comparar os efeitos de dois protocolos de intervenção para o treino de marcha robótica no Lokomat em indivíduos pós acidente vascular cerebral crônico. O primeiro protocolo foi estabelecido com a diminuição progressiva da velocidade da marcha e da assistência do robô durante o treino de marcha. O outro protocolo foi estabelecido com o aumento progressivo da velocidade da marcha e a diminuição progressiva da assistência do robô durante o treino de marcha. Este é um ensaio clínico duplo cego, controlado e randomizado realizado no Instituto de Reabilitação Lucy Montoro em São Paulo com indivíduos em regime de internação. Participaram deste estudo 18 individuos com apenas um episódio de acidente vascular cerebral crônico acima de 06 meses de lesão, classificados com escore 1-2 pela Escala de Deambulação Funcional EDF. Os participantes foram randomizados no grupo experimental (N= 10): com o protocolo da diminuição progressiva da velocidade da marcha e da assistência do robô e no grupo controle (N=08): com o protocolo do aumento progressivo da velocidade da marcha e a diminuição progressiva da assistência do robô. Cada sujeito realizou 30 sessões de treino de marcha robótica, 5 dias por semana, com duração de 30 minutos cada treino, por 6 semanas. As medidas de avaliação foram: Time Up and Go (TUG), teste de caminhada de 6 minutos (6M), teste de caminhada de 10 metros (10M), escala de equilíbrio de Berg (EEB), Fugl-Meyer de função motora de extremidade de membros inferiores (FMMI), Escala de Deambulação Funcional (EDF) e medida de independência funcional (MIF) com escore total e item locomoção. A análise estatística foi realizada com o teste MANOVA e Wilcoxon por meio da comparação dos dados inicias e finais e as diferenças entre os grupos. Posteriormente foi realizado um pós teste para comparar a diferença entre os grupos com aplicação do teste Anova e Ancova. Foram analisados 18 indivíduos e, ao final deste estudo, houve diferença estatistica do grupo experimental para as - 8 - mensurações EDF (p=0,004), TUG (p=0,03), 6M (p=0,04), EEB(p<0,0001), FMMI(p=0,02), MIF (p=0,01) e MIF item Locomoção (p=0,04). Já no grupo controle observou-se diferenças nas mensurações EEB (p=0,02), MIF (p= 0,0002) e MIF item Locomoção (p=0,04). Os resultados demostram que o grupo experimental pode mostrar maiores benefícios do que o grupo controle, porém estudos com maior número de participantes e diferentes instrumentos de avaliação são necessários para estabelecer evidências conclusivas para o treino de marcha robótica. Este estudo teve suporte de financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES / The aim of this study was to compare the effects of two intervention protocols for robotic gait training in Lokomat with individuals chronic stroke: novel versus conventional protocol. The Novel protocol was established with the progressive decrease in gait velocity and assistance robot for gait training and the Conventional protocol was established with the progressive increase in gait velocity and the progressive decrease of robot assistance during gait training. This is a clinical double-blind, randomized controlled trial conducted at Lucy Montoro Rehabilitation Institute in São Paulo with inpatients. The study included 18 subjects with only one episode of chronic stroke above 06 months of injury, classified by the score 1-2 Functional Ambulation Category FAC. Subjects were randomized in the Novel group (N = 10) and Conventional group ( N = 08). Each subject performed 30 robotic gait training sessions, 5 days a week, lasting 30 minutes each training for 6 weeks. The initial and final evaluation measures were: Time Up and Go (TUG), 6-minute walk test (6MWT), 10 meter walk test (10MWT), Berg Balance Scale (BBS), Fugl-Meyer motor function of the lower limbs (FM), Functional ambulation category (FAC) and Functional Independence Measure (FIM ) with total score and locomotion item. Statistical analysis was performed with the MANOVA and Wilcoxon test comparing the initial and final data and differences between groups, after this was performed a post-test comparing the difference between the groups with application of Anova and ANCOVA test. In all were analysed 18 individuals in this study, there was statistical difference in the Novel group for measurements: FAC (p = 0.004), TUG (p = 0.03) , 6MWT (p = 0.04) , BBS (p < 0.0001), FM (p = 0.02), MIF (p = 0.01) and MIF Locomotion item (p = 0.04). In the conventional group was observed differences in measurements: BBS (p = 0.02), MIF (p = 0.0002) and MIF Locomotion item (p = 0.04). The results show that the Novel group can show greater benefits than the Conventional group, but studies with larger numbers of participants and different - 10 - evaluation tools are needed to establish conclusive evidence for the robotic gait training . This study was funded support by Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

Nesta pesquisa são estudados aspectos relacionados à problemática da localização robótica, e um sistema de localização robótica é construído. Para determinação da localização de um robô móvel em relação a um mapa topológico do ambiente, é proposta uma solução determinística. Esta solução é empregada a fim de prover localização para problemas de rastreamento de posição, embora seja de interesse também a observação da eficácia, do método proposto, frente a problemas de localização global. O sistema proposto baseia-se no uso de vetores de atributos, compostos de medições momentâneas extraídas do ambiente através de sensoriamentos pertencentes à percepção do robô. Estimativas feitas a partir da odometria e leitura de sensores de ultra-som são utilizadas em conjunto nestes vetores de atributos, de forma a caracterizar as observações feitas pelo robô. Uma bússola magnética também é empregada na solução. O problema de localização é então resolvido como um problema de reconhecimento de padrões. A topologia do ambiente é conhecida, e a correlação entre cada local neste ambiente e seus atributos são armazenados através do uso de redes neurais artificiais. O sistema de localização foi avaliado de maneira experimental, em campo, em uma plataforma robótica real, e resultados promissores foram obtidos e são apresentados. / In this research aspects related to the robot localization problem have been studied. In order to determine the localization of a mobile robot in relation to a topological map of its environment, a deterministic solution has been proposed. This solution is applied to provide localization for position tracking problems, although it is also of interest to observe the performance of the proposed method applied to global localization problems. The proposed system is based on feature vectors, which are composed of momentaneous measures extracted from sensory data of the robots perception. Estimative made from odometry, sonars and magnetic compass readings are used together in these feature vectors, in order to characterize observed scenes by the robot. Thus, the localization problem is solved as a pattern recognition problem. The topology of the environment is known, and the correlation between each place of this environment and its features is stored using an artificial neural network. The localization system was experimentally evaluated, in a real robotic platform. The results obtained allow validation of the methodology.

El objetivo de este trabajo es la obtención del modelo dinámico inverso de un simulador de marcha humana basado en la plataforma Stewart-Gough. Para conseguir tal objetivo, se optó por utilizar un planteamiento existente, el cual ha sido analizado y desarrollado con el fin de que el lector pueda entender paso a paso cómo se obtiene la ecuación final de la dinámica inversa. El presente trabajo es uno de los elementos principales para la implementación de la estrategia de control, cuya finalidad es simular con precisión una trayectoria dada. El modelo dinámico es de tipo inverso puesto que se obtienen las fuerzas a partir del conocimiento del movimiento del sistema. Tal modelo se obtuvo mediante la combinación entre los métodos Newton-Euler y la formulación de Lagrange, los que a su vez fueron aplicados sistemáticamente para constituir una forma compacta y cerrada de ecuaciones dinámicas, con la finalidad de desarrollar las ecuaciones de movimiento. La dinámica de tipo directa es también necesaria para plantear la estrategia de control, pero en el presente trabajo tal análisis no ha sido abordado. Considerando las ventajas que ofrece el método Newton-Euler y la formulación de Lagrange se pudo obtener una forma compacta y cerrada de ecuaciones dinámicas en un determinado espacio de trabajo a través de la combinación de ambos métodos de modelación, con la finalidad de obtener el modelo dinámico del sistema. Tal planteamiento ha sido propuesto por Guo y Li, quienes analizan la cinemática y dinámica inversa de un manipulador paralelo de seis grados de libertad, como el que se ha diseñado en la PUCP. En este sentido, la deducción del modelo dinámico se dividió en dos partes, el movimiento de los seis actuadores unidos a la base fija y el de la plataforma móvil. Las fuerzas restrictivas en la unión superior de cada actuador fueron obtenidas a través de la formulación de Lagrange. La concepción de la dinámica de la plataforma fue obtenida mediante el método Newton-Euler, incorporando fuerzas restrictivas en la forma compacta. Los efectos de la fricción no fueron evaluados, lo cual permite que el modelo dinámico planteado sea mejorado. Finalmente, el modelo dinámico fue implementado y simulado en computadora utilizando el software Mathcad, con la finalidad corroborar y validar el procedimiento analítico realizado para la obtención de la ecuación dinámica inversa de la plataforma Stewart-Gough. / Tesis

En este proyecto, un brazo robot permitirá seleccionar objetos (tornillos, tuercas, llaveros, etc) que se encuentran en una mesa, independiente de la posición y orientación. El problema se aborda mediante un esquema de Visión Artificial consistente en 6 etapas: obtención de la imagen, preprocesamiento, segmentación, extracción de características, clasificación y manipulación con el brazo robot. / Tesis