Este trabalho apresenta um método de estimativa de torque do joelho baseado em sinais eletromiográficos (EMG) durante terapia de reabilitação robótica. Os EMGs, adquiridos de cinco músculos envolvidos no movimento de flexão e extensão do joelho, são processados para encontrar as ativações musculares. Em seguida, mediante um modelo simples de contração muscular, são calculadas as forças e, usando a geometria da articulação, o torque do joelho. As funções de ativação e contração musculares possuem parâmetros limitados que devem ser calibrados para cada usuário, sendo o ajuste feito mediante a minimização do erro entre o torque estimado e o torque medido na articulação usando a dinâmica inversa. São comparados dois métodos iterativos para funções não-lineares como técnicas de otimização restrita para a calibração dos parâmetros: Gradiente Descendente e Quasi-Newton. O processamento de sinais, calibração de parâmetros e cálculo de torque estimado foram desenvolvidos no software MATLAB®; o cálculo de torque medido foi feito no software OpenSim com sua ferramenta de dinâmica inversa. / This work presents a method for knee torque estimation based on electromyographic signals (EMG) during robotic rehabilitation therapy. EMG, taken from five muscles acting during flexion and extension movements of the knee joint, are processed to get the muscle activations. Then, through a simple model of muscle contraction, the forces are computed and knee torque estimated using the joint geometry. Muscle activation and muscle contraction functions have bounded parameters to be adjusted for each user. This adjustment is made by minimizing the error between the estimated torque and the measured torque in the joint computed via inverse dynamics. Two iterative methods for constrained nonlinear optimization are compared, escending Gradient and Quasi-Newton. Signal processing, parameters calibration and estimated torque calculation are developed in the MATLAB® software. Measured torque calculation is performed on OpenSim software using the dynamic inverse tool.

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La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo general el empleo de sistemas sensoriales de visión y fuerza conjuntamente para realizar el guiado de robots en aquellas tareas en las que no solo se requiere controlar la trayectoria del robot sino también su interacción con el entorno. Para ello, en primer lugar se describe un nuevo método para el seguimiento de trayectorias empleando visión artificial denominado control visual basado en flujo de movimiento . Este sistema salva las limitaciones de los métodos existentes hasta la actualidad para el seguimiento de trayectorias basados en control visual, permitiendo realizar un seguimiento independientemente del tiempo, ajustable en precisión y velocidad, y garantizando un correcto comportamiento tanto en la imagen como en el espacio 3-D. Seguidamente se extiende este método al caso en el que el objeto del cual se extrae la información visual se encuentre en movimiento, mostrando una metodología para la estimación de dicho movimiento y su inclusión en la estrategia de seguimiento de trayectorias . Asimismo, se introducen las consideraciones necesarias para permitir el seguimiento ante oclusiones temporales. A continuación se describe una nueva estrategia para la combinación de la información procedente de los sensores visual y de fuerza. Para ello, se combina la información procedente de un sistema de control visual basado en flujo de movimiento con la de uno de control de fuerza permitiendo controlar conjuntamente el seguimiento de la trayectoria y su interacción con el entorno. Se aplica esta estrategia a entornos no estructurados, por lo tanto, se requiere un reconocimiento previo del objeto con el que interactúa el robot para garantizar la coherencia entre las informaciones obtenidas de ambos sistemas sensoriales. Asimismo, se muestra que resulta fundamental el presentar un comportamiento intemporal para garantizar un correcto seguimiento. A lo largo de la Tesis Doctoral se muestran distintos casos prácticos con los que se avalan las aportaciones realizadas. / This PhD Thesis focuses on the joint use of visual and force systems to guide robots in tasks which require not only a control of the trajectory but also of robot's interaction with its setting. First, a new trajectory tracking method which employs computer vision, called movement flow-based visual servoing, is described. This system avoids the limitations of other existing methods in tracking trajectories based on visual servoing, allowing a non-time-dependent tracking whose precision and velocity can be adjusted, and which guarantees the correct behaviour of both the image and the 3-D space. The method is then extended to the case where the object from which visual information is taken, is in movement . To do so, a methodology for estimatiog such movement and including this estimation in the tracking strategy, is shown. Likewise, the necessary considerations for tracking in the face of temporary occlusions, are also explained. A new strategy for combining the information taken from the visual and force sensors is then described. To do so, the information from a movement flow-based visual servoing system is combined with that from a force control system, which allows the joint control of the tracking and the robot's interaction with its surroundings . This strategy is applied here to non-structured settings and, therefore, requires previous knowledge about the object with which the robot interacts, in order to guarantee the coherence between the two sets of information obtained from both sensorial systems. It is also shown that non-time-dependent behaviour is indispensable in order to guarantee a correct tracking. Throughout this Doctoral Thesis, different practical cases are presented, which support the contributions.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

Tese de mestr.. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1999

Estágio realizado no INESC-Porto e orientado pelo Prof. Doutor Fabien Gouyon / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Telecomunicações. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob orientação do Prof. Dr. F. Gomes de Almeida

Orientador: Angel Fidel Vilche Peña / Resumo: Em meados de 2015, chegou às escolas do Programa de Ensino Integral (PEI) da rede pública estadual, o Kit Robótica Arduino, composto por um conjunto de componentes de eletrônica, sendo uma placa Arduino e dois pequenos livros. Para utilizar esses materiais, a Diretoria de Ensino assumiu a tarefa de capacitar os professores da Área de Ciências da Natureza e suas Tecnologias e contou com o apoio da FCT/UNESP – Campus de Presidente Prudente. Durante as capacitações compostas por Orientações Técnicas – OT – e por Curso, foram verificadas in loco as dificuldades dos professores no manejo com os projetos de Robótica, surgidos principalmente pela carência de conteúdos de eletrônica. Ao término das capacitações e da análise de seus resultados, surgiu a ideia de criar um Manual Simplificado de Eletrônica (Apêndice) com os elementos básicos da Eletrônica e de elaborar Propostas de Atividades Experimentais – PAE – (Apêndice). Foi criada uma metodologia, a fim de tornar mais eficazes as atividades de treinamento de professores focadas no Kit Robótica Arduino. Para avaliar a metodologia, foram realizados experimentos usando a metodologia proposta em uma escola pública de Presidente Prudente, os quais, tendo obtido bons resultados, são discutidos neste trabalho. Espera-se que sua divulgação em outras Diretorias de Ensino da região possa reduzir o tempo utilizado em treinamento de professores, bem como melhorar a competência na implantação da Robótica. Embora a maioria das escolas da rede p... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In the middle of 2015, schools included in the Integral Education Program of São Paulo State public school system were contemplated with the Arduino Robotics Kit: a set of electronic components, an Arduino Board and two booklets. The Education Department in Presidente Prudente, counting on the support of FCT/UNESP – Presidente Prudente Campus, took on the task of training teachers in the field of Nature Science and its Technologies to improve the use of that material. During training activities – Technical Guidance and Coursework – teachers’ difficulties in developing robotics projects were evidenced, mainly due to their lack of knowledge in electronics. At the end of the developed activities, after having the participants acquired some practice in the subject, came up the ideas of writing a Simplified Manual of Electronics (Appendix) which would contemplate the necessary basic elements for working in this area, as well as elaborating Proposals for Experimental Activities (PAE - Appendix). A methodology was created in order to make teachers’ training focused on Arduino Robotics Kit more effective. To evaluate the methodology, experiments were performed in a public school in Presidente Prudente, which, having obtained good results, are discussed in this paper. It is expected that the dissemination of this work in other regional Education Departments might contribute not only to reduce teachers' training time, but also to achieve better proficiency in implementing Robotics. Alt... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre