O presente trabalho trata da implementação de um sistema de visão robótica para reconhecimento de formas bidimensionais e transformação do contorno em trajetória para um manipulador industrial. A aquisição da imagem ocorre através de uma câmera CCD sobre a área específica de captura. O uso de uma webcam também é testado. A imagem captada é enviada para o computador com processamento realizado em MATLAB, através de rotina de software de controle, escrita em VB.NET. São analisadas variações de contraste e resolução com objetos distintos, onde o sistema identifica os pixels que delimitam o contorno do objeto utilizando limiarização pelo Método de Otsu e algoritmos morfológicos. A posição de cada pixel é processada, transformada em coordenadas cartesianas e enviada para o controle do manipulador robótico, que efetua a trajetória, simulando um processo industrial. A transmissão ao controle do manipulador é realizada em protocolo especial, via porta paralela de um microcomputador à placa de aquisição de sinais digitais do controle do manipulador. Um processo de simulação em uma célula de manufatura proposto para validar o sistema, identifica objetos distintos que chegam de forma desordenada através de uma esteira transportadora. / This work approaches the implementation of a robotics vision system to recognize 2D forms and contour transformation in trajectory to an industrial manipulator. The image acquisition occur by CCD video camera on the specific capture area. A webcam system is also tested. The captured image is sent to a MATLAB computer processing, through a control software routine, written in VB. NET. The contrast and resolution changes are analyzed with different objects where the system identifies the pixels of object contour using Otsu’s Thresholding Method and morphological algorithms. The position of each pixel is processed, transformed in cartesian coordinates and sent to the robotic manipulator control, which executes the trajectory simulating an industrial process. The transmission to the manipulator control is realized in a special protocol, using the parallel port of computer and a digital signal acquisition card of the manipulator control. A simulation process in a manufacturing cell is aimed to validate the system, identifying distinct objects that coming in a disorientated form from a belt conveyor.

Made available in DSpace on 2016-04-27T16:58:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese de Mestrado.pdf: 28924266 bytes, checksum: 44eee75aee9a7145518a0c8395c5e997 (MD5) Previous issue date: 2005-05-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este estudo teve por finalidade investigar as funcionalidades e as potencialidades do ambiente robotizado ROBOLAB funcionar como um micromundo, no sentido de possibilitar a construção de novos significados para a Simetria. Para alcançarmos este objetivo, foi desenvolvido um design experiment divido em duas fases de investigação, denominadas Estudos Preliminares e Experimentação . A partir das observações de três oficinas de robótica na primeira fase, surgiu a hipótese que o ambiente robótico poderia ser explorado em atividades que focalizassem a Reflexão e a Simetria. Na fase de Experimentação foram coletados dados durante duas oficinas extracurriculares de robótica, uma destinada a crianças da 3a e 4a séries e outra a crianças da 5a e 7a séries, ambas do Ensino Fundamental, envolvendo atividades que exploravam os movimentos dos robôs como se fosse uma dança. Estes dados foram complementados com uma series de atividades na mídia papel e lápis, com enfoque explicito na Reflexão. As análises indicaram diferentes significados matemáticos, expressados pelos participantes, relacionados à mídia disponível para a resolução das atividades. Na mídia papel e lápis, congruência era a propriedade da reflexão mais destacada pelos alunos, privilegiando as propriedades internas de objetos (intrafigural). No contexto da dança de robôs, os alunos expressaram também, através da linguagem de programação, propriedades associadas à orientação e com evidencias que consideraram as relações entre os objetos (interfigural). As estratégias de resolução possíveis no ROBOLAB, em particular, a necessidade de se expressar usando uma linguagem formal, parecer ter contribuindo ou para a construção ou para a percepção do conhecimento sobre Simetria, porém este conhecimento nem sempre foi utilizando além do contexto no qual surgiu. Estes resultados confirmam que as mídias presentes nas situações de aprendizagem têm um papel central na organização e exposição do pensamento do aluno.

Como a complexidade das tarefas realizadas por robôs móveis vêm aumentando a cada dia, a percepção do robô deve ser capaz de capturar informações mais ricas do ambiente, que permitam a tomada de decisões complexas. Entre os possíveis tipos de informação que podem ser obtidos do ambiente, as informações geométricas e semânticas têm papéis importantes na maioria das tarefas designadas a robôs. Enquanto as informações geométricas revelam como os objetos e obstáculos estão distribuídos no espaço, as informações semânticas capturam a presença de estruturas complexas e eventos em andamento no ambiente, e os condensam em descrições abstratas. Esta tese propõe uma nova técnica probabilística para construir uma representação do ambiente baseada em objetos a partir de imagens capturadas por um robô navegando com uma câmera de vídeo solidária a ele. Esta representação, que fornece descrições geométricas e semânticas de objetos, é chamada O-Map, e é a primeira do gênero no contexto de navegação de robôs. A técnica de mapeamento proposta é também nova, e resolve concomitantemente os problemas de localização, mapeamento e classificação de objetos, que surgem quando da construção de O-Maps usando imagens processadas por detectores imperfeitos de objetos e sem um sensor de localização global. Por este motivo, a técnica proposta é chamada O-SLAM, e é o primeiro algoritmo que soluciona simultaneamente os problemas de localização e mapeamento usando somente odometria e o resultado de algoritmos de reconhecimento de objetos. Os resultados obtidos através da aplicação de O-SLAM em imagens processadas por uma técnica simples de detecção de objetos mostra que o algoritmo proposto é capaz de construir mapas que descrevem consistentemente os objetos do ambiente, dado que o sistema de visão computacional seja capaz de detectá-los regularmente. Em particular, O-SLAM é eficaz em fechar voltas grandes na trajetória do robô, e obtém sucesso mesmo se o sistema de detecção de objetos posuir falhas, relatando falsos positivos e errando a classe do objeto algumas vezes, consertando estes erros. Dessa forma, O-SLAM é um passo em direção à solução integrada do problema de localização, mapeamento e reconhecimento de objetos, a qual deve prescindir de um sistema pronto de reconhecimento de objetos e gerar O-Maps somente pela fusão de informações geométricas e visuais obtidas pelo robô. / As tasks performed by mobile robots are increasing in complexity, robot perception must be able to capture richer information from the environment in order to allow complex decision making. Among the possible types of information that can be retrieved from the environment, geometric and semantic information play important roles in most of the tasks assigned to robots. While geometric information reveals how objects and obstacles are distributed in space, semantic information captures the presence of complex structures and ongoing events from the environment and summarize them in abstract descriptions. This thesis proposes a new probabilistic technique to build an object-based representation of the robot surrounding environment using images captured by an attached video camera. This representation, which provides geometric and semantic descriptions of the objects, is called O-Map, and is the first of its kind in the robot navigation context. The proposed mapping technique is also new, and concurrently solves the localization, mapping and object classification problems arisen from building O-Maps using images processed by imperfect object detectors and no global localization sensor. Thus, the proposed technique is called O-SLAM, and is the first algorithm to solve the simultaneous localization and mapping problem using solely odometers and the output from object recognition algorithms. The results obtained by applying O-SLAM to images processed by simple a object detection technique show that the proposed algorithm is able to build consistent maps describing the objects in the environment, provided that the computer vision system is able to detect them on a regular basis. In particular, O-SLAM is effective in closing large loops in the trajectory, and is able to perform well even if the object detection system makes spurious detections and reports wrong object classes, fixing these errors. Thus, O-SLAM is a step towards the solution of the simultaneous localization, mapping and object recognition problem, which must drop the need for an off-the-shelf object recognition system and generate O-Maps only by fusing geometric and appearance information gathered by the robot.

A crescente demanda por analises rápidas, simples e eco-fiendly tem feito da busca pela miniaturização e automatização dos procedimentos de preparo de amostra uma necessidade permanente na academia e na indústria. Atualmente, embora existam diversas técnicas miniaturizadas de preparo de amostra, estas ainda são utilizadas de forma manual na maioria das situações, pois o acesso às possibilidades de automatização em muitos laboratórios de química é ainda bastante limitado. Afortunadamente, as plataformas de robótica Open-Source estão se tornado uma alternativa interessante no desenvolvimento lab made de todo tipo de instrumentos e sistemas automatizados. Esta tese apresenta três exemplos de desenvolvimento no laboratóriode sistemas robotizados para a automatização de técnicas miniaturizadas de preparo de amostras. Num primeiro estudo, foi projetado, construído e programado um robô cartesiano capaz de operar simultaneamente seis microsseringas de extração. Este sistema foi posto à prova na automatização da microextração por sorvente empacotado (MEPS) e validado na extração de HPAs em amostras de esgoto sanitário, demostrando alta precisão, exatidão e frequência de análise. Um segundo robô cartesiano, equipado com uma única unidade de extração, foi projetado, construído e programado para conseguir pela primeira vez a integração on-line da microextração em fase liquida (LPME) com a análise mediante cromatografia líquida. Este sistema possibilitou o desenvolvimento de um método para determinação de triazinas, com tempo de total de análise de 10 minutos, incluindo o preparo da amostra e a separação/detecção dos analitos. Finalmente, por integração de técnicas em fluxo, ferramentas de robótica Open-Source e impressão 3D, a microextração líquido-líquido dispersiva baseada na solidificação da fase orgânica (DLLME-SFO) foi completamente automatizada pela primeira vez. O sistema assim desenvolvido foi validado no desenvolvimento de um método para a determinação de parabenos em produtos de cuidado pessoal, águas, urina e saliva, demostrando de esta forma, o grande potencial das tecnologias modernas no desenvolvimento de novos, versáteis e eficientes sistemas automatizados nos laboratórios de química. / The growing demand for rapid, simple and eco-friendly analyzes has made the search for miniaturization and automation of sample preparation procedures a permanent necessity. Although, nowadays there are a number of miniaturized sample preparation techniques, they are used manually in most situations. The access to automation tools is limited yet, in many chemistry laboratories. Fortunately, Open-Source robotics platforms have become an interesting alternative in the lab-made development lab made instruments and automated systems. This thesis presents three examples of laboratory development of robotic systems for the automation of miniaturized sample preparation techniques. In a first study, a cartesian robot capable of simultaneously operating six extraction microsystems was designed, constructed and programmed. This system was tested in the automation of microextraction by packaged sorbent (MEPS) and validated in the extraction of HPAs in sanitary sewage samples, demonstrating high accuracy and throughput analysis. A second cartesian robot, equipped with a single extraction unit, was designed, constructed and programmed to accomplish for the first time the online integration of the liquid phase microextraction (LPME) and the liquid chromatography analysis. This system allowed the development of a method for the determination of triazines, with an analysis time of 10 minutes, including sample preparation and separation / detection of the analytes. Finally, by integrating flow techniques, Open-Source robotics tools and 3D printing, dispersive liquid-liquid microextraction based on solidification of floating organic drop (DLLME-SFO) was completely automated for the first time. The developed system was validated in the development of a method for the determination of parabens in personal care products, water, urine and saliva, thus demonstrating the great potential of modern technologies in the development of new, versatile and efficient automated systems in chemistry laboratories.

A agricultura nacional, buscando uma maior integração e participação no mercado global, tende a investir cada vez mais na automação de máquinas e implementos agrícolas, visando maior eficiência e qualidade em seus produtos. Para responder rapidamente às mudanças impostas pelo mercado, o emprego do conceito de Agricultura de Precisão (AP), têm mostrado bons resultados, tais como uma melhor utilização das máquinas, melhor aproveitamento na área de plantio entre outros benefícios. Para tal, pesquisas voltadas ao desenvolvimento de máquinas, com nível elevado de automação, capazes de operar de forma autônoma, estão ganhando cada vez mais espaço no setor agrícola. Considerando esse cenário, no presente trabalho são apresentadas uma revisão sobre Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA), no contexto da Agricultura de Precisão, e a proposta de um modelo supervisório, aplicável na robótica móvel utilizando, como plataforma experimental o veículo Agribot. / National agriculture, seeking greater integration and participation in the global market tends to increasingly invest in the automation of agricultural machinery and implements, aiming at greater efficiency and quality in their products. To respond quickly to changes driven by the market, the use of the concept Precision Farming (PF) have shown good results, such as better machine utilization, better utilization in the planting area among others benefits. To this end, research aimed at developing machines with high level of automation, able to operate autonomous, are gaining more and more space in the agricultural sector. Considering this factor, this work is a review on the Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) in the Precision Farming context and the proposal of a supervisory model applicable in mobile agricultural robotics using as platform the vehicle Agribot.

Neste trabalho foi desenvolvido um estudo comparativo entre duas estratégias básicas para a combinação de mapas parciais baseados em marcos para sistemas multirobô: a estratégia por associação de marcos e a estratégia por distância relativa entre os robôs (também conhecida por rendez-vous). O ambiente simulado corresponde a um entorno plano povoado de árvores que são mapeadas por uma equipe de dois robôs móveis equipados com sensores laser para medir a largura e localização de cada _arvore (marco). Os mapas parciais são estimados usando o algoritmo FastSLAM. Além do estudo comparativo propõe-se também um algoritmo alternativo de localização e mapeamento simultâneos para multirrobôs cooperativos, utilizando as observações entre os robôs não só para o cálculo da transformação de coordenadas, mas também no desenvolvimento de um processo seqüencial para atualizar o alinhamento entre os mapas, explorando de forma mais eficiente as observações entre robôs. Os experimentos realizados demonstraram que o algoritmo proposto pode conduzir a resultados significativamente melhores em termos de precisão quando comparado com a abordagem de combinação de mapas tradicional (usando distância relativa entre os robôs). / In this text a comparative survey between the two basic strategies used to combine partial landmark based maps in multi-robot systems, data association and inter-robot observations (known as rendezvous), is presented. The simulated environment is a at place populated by trees, which are going to be mapped by a two-mobile robot team equipped with laser range finders in order to measure every tree (landmark) location and width. Partial maps are estimated using the algorithm FastSLAM. Besides the comparative study it is also proposed an alternative algorithm for Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) in multi-robot cooperative systems. It uses observations between robots (detections) not only for calculating the coordinate transformation but also in the development of a sequential process for updating the alignment between maps, exploiting in a more efficient way the inter-robot observations. The experiments showed that the algorithm can lead to significantly better results in terms of accuracy when compared with the traditional approach of combining maps (using the relative distance between robots).

Manipuladores paralelos apresentam inércia reduzida, o que lhes permite alcançar altas acelerações e melhor eficiência energética. Porém, frequentemente seu espaço de trabalho possui desempenho pouco uniforme. De fato, a presença de singularidades paralelas é um forte limitante para essa arquitetura robótica. A redundância de atuação já é conhecida como uma alternativa para essa questão. Enquanto que a redundância cinemática ainda não possui consequências claras. Um manipulador com esse tipo de redundância apresenta um número de graus de liberdade do end-effector menor que o número de graus de liberdade do mecanismo como um todo. Considerando essa lacuna, o objetivo desse mestrado é analisar a influência da redundância cinemática no desempenho de manipuladores paralelos através de simulações e testes experimentais. Tal estudo não é trivial, uma vez que com o maior número de atuadores e graus de liberdade, é adicionada também inércia ao sistema. Foram definidas métricas para avaliar o quão favorável é uma dada posição e, com elas, estratégias de resolução de redundância foram analisadas. A estratégia principal proposta se compõe por duas etapas. No primeiro passo, é definida uma movimentação na qual a posição a cada instante é ótima segundo uma dada métrica de desempenho multiobjetivo. Isso resulta em um movimento de referência que em geral possui altas acelerações. Na segunda etapa, aplica-se uma otimização global, procurando manter um compromisso de proximidade com o movimento de referência e com os níveis de aceleração. Além deste, foram aplicados diversos métodos de otimização local (onde a cinemática inversa é resolvida para cada instante isoladamente) e uma estratégia global truncada. Essas opções foram comparadas numericamente e experimentalmente, trazendo uma resposta objetiva da influência da redundância cinemática no manipulador paralelo. A campanha experimental foi realizada em uma protótipo construído no Laboratório de Dinâmica da Escola de Engenharia de São Carlos. Esse protótipo consiste em um manipulador paralelo planar com 6 graus de liberdade, tendo assim, até 3 graus de redundância para a movimentação no plano. Têm-se 6 motores rotativos para atuá-los, sendo 3 deles acoplados a guias lineares com fusos para obtenção de atuação linear. O acionamento ou não destas guias define o grau de redundância do sistema, garantindo a versatilidade do protótipo. / As a consequence of their reduced inertia, parallel manipulators present superior energetic efficiency and they are able to reach high accelerations. Nevertheless, their workspace has a poorly uniform performance. Indeed, the presence of parallel singularities is a strong limitant for this kind of robots. On the one hand, actuation redundancy is well-known as a good choice in an effort to solve this issue. On the other hand, kinematic redundancy still have unclear consequences on this matter. A kinematically redundant manipulator presents an end-effector with fewer degrees of freedom than the mechanism as a whole. Considering this gap, the objective of this research is to analyze the influence of kinematic redundancy on the performance of parallel manipulators through simulations and experimental tests. This issue turns out to be complex, once traveling actuators sum additional inertia to the system. Metrics are defined in order to evaluate how favourable is a given position, and redundancy resolution strategies are analyzed using them. The main proposed strategy is composed of two steps. In the first one, a movement is defined so that the position for each instant is optimum for a given multiobjective performance metric. This procedure delivers a refererence movement which generally presents high accelerations. On the second step, a global optimization is applied, seeking for a trade-off between the proximity to the reference and the acceleration levels. In addition, several local methods (which resolve the inverse kinematics for each instant independently) and one truncated global strategy were addressed. These configurations were compared numerically and experimentally, delivering a objective analysis of the influence of kinematic redundancy on the performance of the parallel manipulator. The experimental campaign was executed with a physical prototype built at the São Carlos School of Engineering. This is a planar manipulator with 6 degrees of freedom, consequently presenting up to 3 degrees of redundancy. The mechanism is actuated by 6 rotating motors, of which 3 are coupled to leadscrews, resulting in linear actuators. These leadscrews can be locked, defining different degrees of redundancy and granting the versatility of the prototype.

A medição de superfícies através de sistemas óticos de precisão é aplicável em diversas áreas da engenharia naval e oceânica: levantamento de geometria de casco para a determinação da estabilidade estática de embarcações in loco, verificação de processos construtivos, recuperação de planos de linha originais perdidos, arqueologia naval, inspeção de cabos e estruturas submersas, planejamento de rota de mergulho, entre outras. Os dispositivos óticos de precisão disponíveis são de alto custo, e a necessidade de se desenvolver um dispositivo de baixo custo se faz presente. O propósito deste trabalho é a criação de metodologia de obtenção de superfície através de procedimento prático experimental. A varredura tridimensional de superfície é feita experimentalmente através da utilização de leitor tridimensional a laser. A contribuição deste trabalho é de promover um conceito teórico a uma prova experimental do conceito, utilizando-se de recursos da automação e robótica, e programação com linguagem e software aplicativo de baixo custo e largamente disponível. / The surface measurement using precision optics is applicable in many areas of naval engineering: survey of hull geometry to determine the static stability of vessels on the spot, verification of construction processes, recovery of lost original hull plans, naval archeology, inspection of underwater structures and cables, route planning diving, among others. The precision optical devices available are expensive, and the need to develop a low-cost device is present. The purpose of this work is to create a methodology for obtaining surfaces through practical experimental procedure. The three-dimensional scan surface is made experimentally by using three-dimensional laser reader. The contribution of this work is to promote a theoretical concept to an experimental proof of concept, using the resources of automation and robotics, and software programming language and application of lowcost and widely available.

A área de robótica móvel se encontra numa fase de grande expansão, mas um dos obstáculos a ser vencido é o desenvolvimento de sistemas computacionais embarcados que combinem baixo consumo de energia com alta capacidade de processamento. A computação reconfigurável tem o potencial para atender esta demanda. Este trabalho visa avaliar as dificuldades no aproveitamento desta tecnologia através da implementação em hardware de um sistema de desvio de obstáculos para robôs móveis usando uma única câmera de baixo custo como sensor. Normalmente os algorítmos de fluxo óptico usados neste projeto são implementados inteiramente em software e sofrem várias restrições para poderem operar nos computadores embarcados nos robôs. O projeto descrito neste trabalho não tem estas restrições mas exige um esforço maior de desenvolvimento / The area of mobile robotics is undergoing a tremendous expansion, but one of the obstacles to be dealt with is the development of embedded computational systems that combine low power consumption and high performance. Reconfigurable computing has the potential to meet these requirements. This project is an evaluation of the complexities of fully exploiting this technology through the hardware implementation of an obstacle avoidance system for mobile robots using a single, low cost camera as its sensor. Normally, the optic flow algorithms used in this project are implemented entirely in software and so suffer several limitations in order to run on computers embedded in the robots. The hardware described here does not have the same limitations but requires more development effort

Localização e Mapeamento são problemas fundamentais da robótica que vêm sendo estudados exaustivamente pela comunidade científica para a navegação de robôs móveis. A maior parte das pesquisas estão concentradas em implementações para computadores pessoais, mas pouco se tem feito na área de computação embarcada. Este trabalho mostra a análise e implementação em FPGA de um algoritmo de localização para ambientes dinâmicos composto por um filtro de partículas, e também de um algoritmo de mapeamento baseado na técnica de scan matching. Os algoritmos originais desenvolvidos em linguagem de programação C foram analisados e modificados para uma abordagem embarcada (embedded) em robôs reconfiguráveis utilizando-se o processador Nios II da Altera. Os algoritmos são comparados quanto ao desempenho, no intuito de servir como referência no futuro desenvolvimento da ferramenta de codesign autom´atico ARCHITECT+ / Localization and Mapping are fundamental robot navigation problems wich currently has been exaustily studied by scientific comunity. Most of research is concentrated on implementation for personal computers, and the robot navigation is done on static environment. But, these algorithms can not be directly applied for embedded solutions on dynamic environments. This work shows an analysis and implementation on FPGA of a localization algorithm for dynamic environments composed of a particle filter, and by an mapping algorthm known as scan matching. The original algorithm devoloped on C programming language for PCs are analised and modified for an embedded approach to mobile robots using Altera Nios II processor. Both C and embedded algorithms are compared within performance, to serve as reference on a future developement of automatic codesign tool ARCHITECT+