One of the biggest challenges of putting a robot on an extraterrestrial surface is the entry, descent and landing. By making the robot impact resistant, the need for landing thrusters and parachutes is reduced, lowering the weight and cost of an interplanetary robotic mission. The Dynamic Tensegrity Research Lab at the NASA Ames Research Center in Mountain View, California, is currently doing research in tensegrity robots, consisting of bars and cables creating a complex dynamic system. With motors on the cables, the system can shift its center of mass to create a ”rolling” locomotion and explore remote and dangerous areas. For octahedron tensegrities with 12 bars, intuitive locomotion patterns have been explored previously. The findings included difficulties in keeping the momentum, resulting in the robot getting stuck. In this thesis, over 7.000 configurations of a central pattern generator were tested. The parameters were generated with the Monte Carlo method, with the aim to allow the robot of keeping its momentum in the motion. The resulting locomotion behavior was simulated in NASA Tensegrity Robotic Toolkit. With the method described above, a central pattern generator for a 0.5 m in diameter 12 bar tensegrity of octahedron shape was found, capable of moving 10 m during the course of a 60 s simulation. This is about four times faster than traditional rovers such as NASA’s Curiosity, indicating the need of smaller, faster robots in addition to traditional types. This, together with the impact resistance resulting in a capability of moving in difficult terrain, makes this type of robot an integral part in any future space exploration mission.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:16:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AngelicaVCS_DISSERT.pdf: 2105616 bytes, checksum: b2b0f7446903336c6b6bfed546f45efd (MD5) Previous issue date: 2012-12-19 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Background: The gait automaticity loss difficults realization of concurrent activities - Dual Task (DT). In these situations, individuals with Parkinson`s disease (PD) show a significant reduction in gait velocity and stride length, as strides variability and asymmetry increased, factors predisposing to falls. However, recent studies have shown that training involving DT may cause subsequent improvements in gait variables with DT in individuals with PD. The treadmill use was adopted by this study, by promoting greater regularity in step and enhance training. Objective:To investigate immediate effects of gait training associated with cognitive tasks on gait in individuals with PD. Methods: Twenty-two volunteers were randomly divided into two groups: control group (n = 11), who performed gait training on a treadmill for 20 minutes, and the experimental group (n = 11), who performed treadmill gait training for 20 minutes associated with cognitive tasks of verbal fluency, memory, and spatial planning. Participants were evaluated in phase on of antiparkinsonian medication as the demographic, clinical and anthropometric (identification form), cognitive status (Montreal Cognitive Assessment - MoCA), executive function (Frontal Assessment Battery), level of physical disability (Hoehn and Yahr Modified), motor and functional status (Unified Rating Scale for Parkinson`s Disease - UPDRS), and kinematics (Qualisys Motion Capture System). Results: There were not differences between groups, but both showed improvement after the intervention. The control group had an increase in velocity (p = 0.008), stride length (p = 0.04), step length (p = 0.02) and decreased double support time(p = 0.03). The experimental group showed an increase in speed (p = 0.002), stride length (p = 0.008), step length (p = 0.02) and cadence (p = 0.01), as well as a decrease in the width stride (p = 0.001) and total support time (p = 0.02). As the angular variables, the experimental group had a significant increase in the initial contact angle of ankle (p = 0.01). Conclusion: The gait training combined with cognitive activities didn`t provide significant improvements in gait variables with DT, but this study was the first to demonstrate that gait training on treadmill as simple task minimized the negative interference of DT in PD / Introdu??o: A perda na automaticidade da marcha dificulta a realiza??o de atividades concorrentes - Dupla Tarefa (DT). Nessas situa??es, indiv?duos com Doen?a de Parkinson (DP) apresentam significativa redu??o na velocidade da marcha e no comprimento do passo, assim como aumento na variabilidade entre as passadas e na assimetria, fatores predisponentes a quedas. No entanto, estudos recentes t?m demonstrado que o treinamento envolvendo DT pode ocasionar posteriores melhoras nas vari?veis da marcha com DT em indiv?duos com DP. O uso da esteira foi adotado por este estudo, por promover maior regularidade no passo e potencializar o treino. Objetivo: Investigar os efeitos imediatos do treino de marcha em esteira associado a tarefas cognitivas na marcha com DT de indiv?duos com DP. Materiais e m?todos: Vinte e dois volunt?rios foram divididos aleatoriamente em dois grupos: Grupo Controle (n=11), que realizou treino de marcha em esteira durante 20 minutos; e Grupo Experimental (n=11), que realizou treino de marcha em esteira durante 20 minutos associado a tarefas cognitivas de flu?ncia verbal, mem?ria e planejamento espacial. Os participantes foram avaliados na fase on do medicamento antiparkinsoniano quanto a dados demogr?ficos, cl?nicos e antropom?tricos (formul?rio de identifica??o), condi??o cognitiva (Montreal Cognitive Assessment - MoCA), fun??es executivas (Bateria de Avalia??o Frontal), n?vel de incapacidade f?sica (Escala de Hoehn e Yahr Modificada), estado motor e funcional (Escala Unificada de Avalia??o para a Doen?a de Parkinson UPDRS), e cinemetria (Qualisys Motion Capture System). Resultados: N?o houve diferen?as entre os grupos, mas ambos apresentaram melhoras ap?s a interven??o. O grupo controle obteve aumento na velocidade (p=0,008), no comprimento da passada (p=0,04), no comprimento do passo (p=0,02) e diminui??o no tempo de duplo suporte (p=0,03). O grupo experimental apresentou aumento na velocidade (p=0,002), no comprimento da passada (p=0,008), no comprimento do passo (p=0,02) e na cad?ncia (p=0,01), assim como diminui??o na largura da passada (p=0,001) e no tempo total de apoio (p=0,02). Quanto ?s vari?veis angulares, o grupo experimental teve um aumento significativo no ?ngulo do contato inicial do tornozelo (p=0,01). Conclus?o: O treino de marcha associado a atividades cognitivas n?o proporcionou melhoras significativas nas vari?veis da marcha com DT, mas este estudo foi o primeiro a demonstrar que o treino de marcha como tarefa simples na esteira minimizou a interfer?ncia negativa da DT na DP

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Este trabalho apresenta a concepção, o projeto, o desenvolvimento e a validação experimental de uma plataforma robótica bioinspirada o robô KA\'I yxo com a habilidade de escalar árvores para aplicação em monitoramento ambiental. Tal motivação surgiu da necessidade crescente do estudo e do entendimento de ocorrências naturais pelas consequências envolvidas, muitas vezes trágicas. O monitoramento ambiental em larga escala e a dificuldade de acesso e cobertura de áreas significativas são fatores que indicam a importância e a utilidade de robôs nessas tarefas. O robô KA\'I yxo possui como aplicação primeira uma solução para aquisição de dados de radiação solar, temperatura, umidade e altitude, de maneira que a mesma seja uma ferramenta útil para pesquisadores, aplicação esta identificada como relevante para a pesquisa na área ambiental após visitas ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA. O desenvolvimento da plataforma robótica bioinspirada exposto nesta tese apresenta a sua evolução, desde a versão inicial do robô Kamanbaré (seis versões), até a versão atual da plataforma KAI yxo (terceira versão). Para esta última, são expostos em detalhes os modelos mecânico e matemático. No modelo mecânico, a importante questão da mobilidade é considerada. O modelo matemático construído compreende a cinemática direta, a cinemática inversa, a definição da andadura e a dinâmica do robô. O texto contém também uma apresentação detalhada das arquiteturas de controle, de software e de hardware. A utilização de Geradores Centrais de Padrões (CPGs) é justificada e discutida em detalhes. O ajuste dos parâmetros da CPG é realizado por meio de um processo de otimização baseado na técnica de Times Assíncronos (A-Teams). Resultados experimentais obtidos com a plataforma robótica são apresentados e discutidos. / This work presents the conception, design, development and experimental validation of a bioinspired robotics platform the robot KA\'I yxo with the ability to climb trees for use in environmental monitoring. Such motivation arose from the growing need of studying and understanding the consequences of natural occurrences involved, often tragic. Environmental monitoring in large scale and the difficulty of access and coverage areas are significant factors that indicate the importance and the usefulness of robots in these tasks. As a first application, the robot KA\'I yxo represents a solution for data acquisition from solar radiation, temperature, humidity and altitude, so that it may be a useful tool for researchers. This application was identified as relevant to environmental research after visits to the National Institute of Amazonian Research INPA. The development of the bio-inspired robotics platform exposed in this thesis presents its evolution starting from the initial version of the robot Kamanbaré (six versions) and ending with the current version of KA\'I yxo platform (third version). For the latter, the mechanical and mathematical models are exposed in details. In the mechanical model, the important issue of mobility is considered. The mathematical model constructed comprises the forward kinematics, the inverse kinematics, the definition of the gait and the dynamics of the robot. The text also contains a detailed presentation of the control, software and hardware architectures. The use of Central Pattern Generators (CPGs) is justified and discussed. The tuning of the CPG parameters is performed by an optimization process based on the Asynchronous Teams (ATeams) technique. Experimental results obtained with the robotic platform are presented and discussed.

Este trabalho apresenta a concepção, o projeto, o desenvolvimento e a validação experimental de uma plataforma robótica bioinspirada o robô KA\'I yxo com a habilidade de escalar árvores para aplicação em monitoramento ambiental. Tal motivação surgiu da necessidade crescente do estudo e do entendimento de ocorrências naturais pelas consequências envolvidas, muitas vezes trágicas. O monitoramento ambiental em larga escala e a dificuldade de acesso e cobertura de áreas significativas são fatores que indicam a importância e a utilidade de robôs nessas tarefas. O robô KA\'I yxo possui como aplicação primeira uma solução para aquisição de dados de radiação solar, temperatura, umidade e altitude, de maneira que a mesma seja uma ferramenta útil para pesquisadores, aplicação esta identificada como relevante para a pesquisa na área ambiental após visitas ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA. O desenvolvimento da plataforma robótica bioinspirada exposto nesta tese apresenta a sua evolução, desde a versão inicial do robô Kamanbaré (seis versões), até a versão atual da plataforma KAI yxo (terceira versão). Para esta última, são expostos em detalhes os modelos mecânico e matemático. No modelo mecânico, a importante questão da mobilidade é considerada. O modelo matemático construído compreende a cinemática direta, a cinemática inversa, a definição da andadura e a dinâmica do robô. O texto contém também uma apresentação detalhada das arquiteturas de controle, de software e de hardware. A utilização de Geradores Centrais de Padrões (CPGs) é justificada e discutida em detalhes. O ajuste dos parâmetros da CPG é realizado por meio de um processo de otimização baseado na técnica de Times Assíncronos (A-Teams). Resultados experimentais obtidos com a plataforma robótica são apresentados e discutidos. / This work presents the conception, design, development and experimental validation of a bioinspired robotics platform the robot KA\'I yxo with the ability to climb trees for use in environmental monitoring. Such motivation arose from the growing need of studying and understanding the consequences of natural occurrences involved, often tragic. Environmental monitoring in large scale and the difficulty of access and coverage areas are significant factors that indicate the importance and the usefulness of robots in these tasks. As a first application, the robot KA\'I yxo represents a solution for data acquisition from solar radiation, temperature, humidity and altitude, so that it may be a useful tool for researchers. This application was identified as relevant to environmental research after visits to the National Institute of Amazonian Research INPA. The development of the bio-inspired robotics platform exposed in this thesis presents its evolution starting from the initial version of the robot Kamanbaré (six versions) and ending with the current version of KA\'I yxo platform (third version). For the latter, the mechanical and mathematical models are exposed in details. In the mechanical model, the important issue of mobility is considered. The mathematical model constructed comprises the forward kinematics, the inverse kinematics, the definition of the gait and the dynamics of the robot. The text also contains a detailed presentation of the control, software and hardware architectures. The use of Central Pattern Generators (CPGs) is justified and discussed. The tuning of the CPG parameters is performed by an optimization process based on the Asynchronous Teams (ATeams) technique. Experimental results obtained with the robotic platform are presented and discussed.

Realizamos simulações computacionais de modelos da atividade elétrica de centros geradores de padrões para investigar o fato experimental de organismos vivos utilizarem neurônios caóticos para produzir padrões periódicos. Centros geradores de padrões biológicos produzem atividades motoras periódicas que devem ser robustas a pequenas flutuações das propriedades dos neurônios e sinapses, mas também flexíveis para permitir a neuromodulação do ritmo. Utilizamos principalmente dois modelos de atividade neural, um modelo fenomenológico do tipo Hindmarsh-Rose e um modelo baseado em condutâncias do tipo Hodgking-Huxley. Realizamos também experimentos com redes híbridas, conectando dois tipos de neurônios do gânglio estomatogástrico de crustáceos aos neurônios modelo, que confirmaram os resultados obtidos nas simulações. Observamos o comportamento das redes principalmente em função de dois parâmetros: um que controla a atividade intrínseca dos neurônios e outro que representa a condutância máxima das sinapses químicas usadas para formar a rede. As redes apresentam atividade robusta e flexível quando os neurônios que as compõem apresentam comportamento intrínseco entre rajadas e tônico. Esta é a região onde os neurônios modelo apresentam comportamento caótico, o que é uma evidência do motivo de se observar este tipo de comportamento em neurônios isolados do gânglio estomatogástrico dos crustáceos. Mostramos que o modelo tipo Hodgkin-Huxley, apesar de mais realista do ponto de vista eletrofisiológico, não apresenta um comportamento coletivo satisfatório em termos de flexibilidade e robustez. Os experimentos com redes híbridas evidenciaram como deveria ser modificado o modelo para que o comportamento coletivo fosse restaurado. Investigamos também outros aspectos da atividade neural: a obtenção de padrões oscilatórios com neurônios que não apresentam comportamento intrinsecamente oscilatório e a influência de perturbações causada por ruídos na atividade neural. / Realizamos simulações computacionais de modelos da atividade elétrica de centros geradores de padrões para investigar o fato experimental de organismos vivos utilizarem neurônios caóticos para produzir padrões periódicos. Centros geradores de padrões biológicos produzem atividades motoras periódicas que devem ser robustas a pequenas flutuações das propriedades dos neurônios e sinapses, mas também flexíveis para permitir a neuromodulação do ritmo. Utilizamos principalmente dois modelos de atividade neural, um modelo fenomenológico do tipo Hindmarsh-Rose e um modelo baseado em condutâncias do tipo Hodgking-Huxley. Realizamos também experimentos com redes híbridas, conectando dois tipos de neurônios do gânglio estomatogástrico de crustáceos aos neurônios modelo, que confirmaram os resultados obtidos nas simulações. Observamos o comportamento das redes principalmente em função de dois parâmetros: um que controla a atividade intrínseca dos neurônios e outro que representa a condutância máxima das sinapses químicas usadas para formar a rede. As redes apresentam atividade robusta e flexível quando os neurônios que as compõem apresentam comportamento intrínseco entre rajadas e tônico. Esta é a região onde os neurônios modelo apresentam comportamento caótico, o que é uma evidência do motivo de se observar este tipo de comportamento em neurônios isolados do gânglio estomatogástrico dos crustáceos. Mostramos que o modelo tipo Hodgkin-Huxley, apesar de mais realista do ponto de vista eletrofisiológico, não apresenta um comportamento coletivo satisfatório em termos de flexibilidade e robustez. Os experimentos com redes híbridas evidenciaram como deveria ser modificado o modelo para que o comportamento coletivo fosse restaurado. Investigamos também outros aspectos da atividade neural: a obtenção de padrões oscilatórios com neurônios que não apresentam comportamento intrinsecamente oscilatório e a influência de perturbações causada por ruídos na atividade neural. We have performed computational simulations of models of the neural electrical activity of central pattern generators in order to investigate the experimental fact that living organisms use chaotic neurons to produce periodic patterns. Biological central pattern generators produce periodic motor activity that must be robust to small fluctuacions in the neural and synaptic properties, but they must also be flexible to alow rhythm neuromodulation. We have used mainly two different models of neural activity, one phenomenological Hindmarsh-Rose type and another conductance based Hodgking-Huxley type. We have also performed experiments with hybrid networks, connecting two types crustacean stomatogastric ganglion neurons with the model neurons, which confirmed the results obtained with the simulations. We have simulated the network behavior as a function of two parameters: the maximal conductance of the chemical synapses by which neurons are connected and a parameter that controls the intrinsic behavior of the neurons. The networks present robust and flexible activity when the neurons have intrinsic beharior between bursting and tonic. This is the region in which model neurons present chaotic behavior, what is an evidence of why chaotic behavior takes place in isolated neurons from the stomatogastric ganglion (STG) of crustaceans. We have shown that the Hodgking-Huxley type model does not perform a satisfactory collective behavior in terms of flexibility and robustness, in spite of its electrophysiological realism. Experiments with hybrid networks showed how the model should be modified in order to restore the proper collective behavior. We have also investigated other aspects of the neural activity: the observation of oscillatory patterns in networks composed by neurons that are not endogenous bursters and the influence of perturbations in the neural activity caused by noize.

Realizamos simulações computacionais de modelos da atividade elétrica de centros geradores de padrões para investigar o fato experimental de organismos vivos utilizarem neurônios caóticos para produzir padrões periódicos. Centros geradores de padrões biológicos produzem atividades motoras periódicas que devem ser robustas a pequenas flutuações das propriedades dos neurônios e sinapses, mas também flexíveis para permitir a neuromodulação do ritmo. Utilizamos principalmente dois modelos de atividade neural, um modelo fenomenológico do tipo Hindmarsh-Rose e um modelo baseado em condutâncias do tipo Hodgking-Huxley. Realizamos também experimentos com redes híbridas, conectando dois tipos de neurônios do gânglio estomatogástrico de crustáceos aos neurônios modelo, que confirmaram os resultados obtidos nas simulações. Observamos o comportamento das redes principalmente em função de dois parâmetros: um que controla a atividade intrínseca dos neurônios e outro que representa a condutância máxima das sinapses químicas usadas para formar a rede. As redes apresentam atividade robusta e flexível quando os neurônios que as compõem apresentam comportamento intrínseco entre rajadas e tônico. Esta é a região onde os neurônios modelo apresentam comportamento caótico, o que é uma evidência do motivo de se observar este tipo de comportamento em neurônios isolados do gânglio estomatogástrico dos crustáceos. Mostramos que o modelo tipo Hodgkin-Huxley, apesar de mais realista do ponto de vista eletrofisiológico, não apresenta um comportamento coletivo satisfatório em termos de flexibilidade e robustez. Os experimentos com redes híbridas evidenciaram como deveria ser modificado o modelo para que o comportamento coletivo fosse restaurado. Investigamos também outros aspectos da atividade neural: a obtenção de padrões oscilatórios com neurônios que não apresentam comportamento intrinsecamente oscilatório e a influência de perturbações causada por ruídos na atividade neural. / Realizamos simulações computacionais de modelos da atividade elétrica de centros geradores de padrões para investigar o fato experimental de organismos vivos utilizarem neurônios caóticos para produzir padrões periódicos. Centros geradores de padrões biológicos produzem atividades motoras periódicas que devem ser robustas a pequenas flutuações das propriedades dos neurônios e sinapses, mas também flexíveis para permitir a neuromodulação do ritmo. Utilizamos principalmente dois modelos de atividade neural, um modelo fenomenológico do tipo Hindmarsh-Rose e um modelo baseado em condutâncias do tipo Hodgking-Huxley. Realizamos também experimentos com redes híbridas, conectando dois tipos de neurônios do gânglio estomatogástrico de crustáceos aos neurônios modelo, que confirmaram os resultados obtidos nas simulações. Observamos o comportamento das redes principalmente em função de dois parâmetros: um que controla a atividade intrínseca dos neurônios e outro que representa a condutância máxima das sinapses químicas usadas para formar a rede. As redes apresentam atividade robusta e flexível quando os neurônios que as compõem apresentam comportamento intrínseco entre rajadas e tônico. Esta é a região onde os neurônios modelo apresentam comportamento caótico, o que é uma evidência do motivo de se observar este tipo de comportamento em neurônios isolados do gânglio estomatogástrico dos crustáceos. Mostramos que o modelo tipo Hodgkin-Huxley, apesar de mais realista do ponto de vista eletrofisiológico, não apresenta um comportamento coletivo satisfatório em termos de flexibilidade e robustez. Os experimentos com redes híbridas evidenciaram como deveria ser modificado o modelo para que o comportamento coletivo fosse restaurado. Investigamos também outros aspectos da atividade neural: a obtenção de padrões oscilatórios com neurônios que não apresentam comportamento intrinsecamente oscilatório e a influência de perturbações causada por ruídos na atividade neural. We have performed computational simulations of models of the neural electrical activity of central pattern generators in order to investigate the experimental fact that living organisms use chaotic neurons to produce periodic patterns. Biological central pattern generators produce periodic motor activity that must be robust to small fluctuacions in the neural and synaptic properties, but they must also be flexible to alow rhythm neuromodulation. We have used mainly two different models of neural activity, one phenomenological Hindmarsh-Rose type and another conductance based Hodgking-Huxley type. We have also performed experiments with hybrid networks, connecting two types crustacean stomatogastric ganglion neurons with the model neurons, which confirmed the results obtained with the simulations. We have simulated the network behavior as a function of two parameters: the maximal conductance of the chemical synapses by which neurons are connected and a parameter that controls the intrinsic behavior of the neurons. The networks present robust and flexible activity when the neurons have intrinsic beharior between bursting and tonic. This is the region in which model neurons present chaotic behavior, what is an evidence of why chaotic behavior takes place in isolated neurons from the stomatogastric ganglion (STG) of crustaceans. We have shown that the Hodgking-Huxley type model does not perform a satisfactory collective behavior in terms of flexibility and robustness, in spite of its electrophysiological realism. Experiments with hybrid networks showed how the model should be modified in order to restore the proper collective behavior. We have also investigated other aspects of the neural activity: the observation of oscillatory patterns in networks composed by neurons that are not endogenous bursters and the influence of perturbations in the neural activity caused by noize.