Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores - Major Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Cada vez mais empilhadeiras robóticas são utilizadas para a tarefa de transporte em indústrias e armazéns. O gerenciamento dessas empilhadeiras é a chave para um sistema de transporte eficiente visando maximizar sua taxa de transferência. Um dos principais problemas na operação desses sistemas é a decisão de roteamento das empilhadeiras dentro dos depósitos. Este trabalho propõe um algoritmo de roteamento com a capacidade de realizar a otimização das rotas em tempo-real. Na computação da rota são considerados o desvio de obstáculos, as dimensões e as propriedades físicas das empilhadeiras, pois uma trajetória calculada deste ponto de referência está livre de colisões durante a execução do roteamento. Para realizar os testes foram utilizados os softwares Player/Stage, os quais permitem que simulações do funcionamento do sistema de roteamento sejam realizadas antes que os algoritmos sejam testados em robôs reais. Através dos testes simulados, analisou-se a capacidade de locomoção das empilhadeiras referente ao calculo da melhor rota no ambiente proposto, com o intuito de melhorar o ganho de performance no planejamento de trajetória. / Forklift robots have been increasingly used in transport tasks in industries and warehouses. The key to an efficient transport system is held by a sound management of these forklifts that aim to maximize the transference rate. One of the main problems faced by the transportation systems is routing decision for forklifts within warehouse. The present paper proposes a routing algorithm to calculate optimal routes in real time. Therefore, its computation takes into account obstacle avoidance, the dimension and physical properties of the forklifts, since the calculated path regarding the routing is conflict-free. Simulations were carried out using the software Player/Stage before the algorithms were tested in a real robot. Simulated tests were analyzed in order to observe the locomotion ability of forklifts regarding calculation of the best route in the environment proposed to improve the trajectory planning performance will be assessed.

Cada vez mais empilhadeiras robóticas são utilizadas para a tarefa de transporte em indústrias e armazéns. O gerenciamento dessas empilhadeiras é a chave para um sistema de transporte eficiente visando maximizar sua taxa de transferência. Um dos principais problemas na operação desses sistemas é a decisão de roteamento das empilhadeiras dentro dos depósitos. Este trabalho propõe um algoritmo de roteamento com a capacidade de realizar a otimização das rotas em tempo-real. Na computação da rota são considerados o desvio de obstáculos, as dimensões e as propriedades físicas das empilhadeiras, pois uma trajetória calculada deste ponto de referência está livre de colisões durante a execução do roteamento. Para realizar os testes foram utilizados os softwares Player/Stage, os quais permitem que simulações do funcionamento do sistema de roteamento sejam realizadas antes que os algoritmos sejam testados em robôs reais. Através dos testes simulados, analisou-se a capacidade de locomoção das empilhadeiras referente ao calculo da melhor rota no ambiente proposto, com o intuito de melhorar o ganho de performance no planejamento de trajetória. / Forklift robots have been increasingly used in transport tasks in industries and warehouses. The key to an efficient transport system is held by a sound management of these forklifts that aim to maximize the transference rate. One of the main problems faced by the transportation systems is routing decision for forklifts within warehouse. The present paper proposes a routing algorithm to calculate optimal routes in real time. Therefore, its computation takes into account obstacle avoidance, the dimension and physical properties of the forklifts, since the calculated path regarding the routing is conflict-free. Simulations were carried out using the software Player/Stage before the algorithms were tested in a real robot. Simulated tests were analyzed in order to observe the locomotion ability of forklifts regarding calculation of the best route in the environment proposed to improve the trajectory planning performance will be assessed.

O aumento no número de dispositivos móveis com crescente capacidade de processamento traz como incentivo o desenvolvimento de sistemas distribuídos que possam explorar estas novas tecnologias. Dentro dos sistemas distribuídos, os mecanismos que permitem a troca de dados entre os processos que o constituem, possuem um papel importante para o desempenho da aplicação. Uma abordagem interessante para implementar estes mecanismos é por meio do uso de middlewares. O middleware abstrai as funcionalidades básicas oferecidas pelo sistema operacional e hardware para oferecer serviços de alto nível aos desenvolvedores. Estes serviços permitem aos desenvolvedores se concentrarem somente na lógica interna de suas aplicações, reduzindo também seu custo de manutenção. Incentivado pela necessidade de um mecanismo que garantisse a troca de informações entre as unidades de um sistema autônomo para o gerenciamento de AGVs (Automated Guided Vehicle), desenvolvido pelo grupo de mecatrônica da Universidade de São Paulo, este trabalho propõe uma arquitetura de comunicação baseada em middlewares que é inspirada no paradigma de comunicação RMI (Remote Method Invocation) para suprir a troca de dados necessária por meio do conceito de objetos distribuídos. Para apresentar o uso da IDL (Interface Definition Language) disponibilizada pela arquitetura proposta, uma demonstração de como acrescentar novos serviços à arquitetura é descrita. Para avaliar o desempenho da arquitetura e analisar o comportamento dos serviços oferecidos, testes de tempo de resposta, throughput e disponibilidade foram realizados. Pode-se verificar que a arquitetura proposta, além de apresentar um desempenho satisfatório para a operação do sistema de AGVs, proporcionou uma estrutura que pode ser facilmente adaptada para futuras alterações no projeto sem modificar diretamente as definições da arquitetura de comunicação. / The increase in the process capacity of mobile devices has motivated the development of distributed applications that exploit new technologies. In distributed applications, the mechanisms that enable the exchange of data among the application processes play an important role in their performance. An interesting way to deal with such an exchange is to adopt middleware to handle communication. The middleware abstracts the functionalities provided by the underlying operational system and hardware and offers a set of high-level services, which assist developers in working directly with the logic of the application and reducing its maintenance costs. Motivated by the necessity of a mechanism that ensures the exchange of information among the units of an AGV (Automated Guided Vehicle) system designed by the University of São Paulo, this dissertation develops a communication architecture based on middleware. The architecture is inspired in the RMI (Remote Method Invocation) paradigm to enable the data exchange based on the concept of distributed objects. An IDL (Interface Definition Language) was conceived for the architecture and a demonstration of how new services can be added to the structure was conducted. To validate the performance of the proposed middleware and its services, tests of network response time, throughput and availability were carried out. The architecture showed a satisfactory performance for the operation of the AGV system and provided a structure that can be easily adapted for future changes in the project.

La prensión y manipulación de objetos se ha convertido en un área de gran interés en robótica, especialmente debido al desarrollo de dispositivos de prensión diestra como las manos antropomórficas, que incrementan la flexibilidad y verstilidad de los brazos robóticos, permitiendo así la prensión y manipulación de una gran variedad de objetos con un solo efector final. Esta tesis aborda varios problemas de planificación asociados a la prensión y manipulación de objetos discretos arbitrarios, esto es, objetos de forma arbitraria descritos mediante nubes de puntos o mallas poligonales. La obtención de una prensión con clausura de fuerza (force-closure) y de una prensión localmente óptima se realiza mediante procedimientos de búsqueda orientada basados en razonamientos geométricos en el espacio de prensiones. La medida de calidad de prensión utilizada es la mayor fuerza generalizada de perturbación que la prensión puede resistir, independientemente de la dirección de la perturbación. Sin embargo, las manos mecánicas y dispositivos de prensión reales difícilmente pueden asegurar que los dedos toquen el objeto justamente en los puntos de contacto calculados. Las regiones de contacto independiente (ICRs) se definen de forma tal que un dedo colocado en cada ICR asegura una prensión con clausura de fuerza; estas regiones otorgan robustez frente a errores en el posicionamiento de los dedos. Esta tesis presenta un algoritmo para obtener las ICRs con cualquier número de contactos con o sin fricción sobre la superficie de cualquier objeto tridimensional, asegurando también una calidad mínima controlada. La aproximación planteada genera las ICRs creciéndolas alrededor de los puntos de contacto de una prensión inicial apropiada, por ejemplo una prensión localmente óptima. Este método se extiende también para el cálculo de ICRs cuando varios contactos están fijados de antemano. El concepto de regiones de no prensión (NGRs) se introduce en este trabajo. Las NGRs se definen de forma tal que un dedo colocado en cada NGR siempre produce una prensión sin clausura de fuerza, independientemente de la posición exacta de cada dedo. Las ICRs y NGRs se utilizan para explorar de forma eficiente el espacio de prensiones. Este espacio es construido mediante un método de muestreo que provee muestras de prensiones con o sin clausura de fuerza, que luego se utilizan para calcular ICRs o NGRs respectivamente, y que luego sirven para etiquetar las configuraciones del espacio de prensiones. Se presenta también una secuencia de muestreo determinístico que permite una exploración incremental y uniforme del espacio de prensiones. La generación del espacio de prensiones se utiliza posteriormente para resolver el problema de reprensión (regrasping), esto es, la obtención de trayectorias de las puntas de los dedos sobre la superficie del objeto para cambiar de una prensión inicial a una final sin perder la condición de la clausura de fuerza. La tesis incluye ejemplos de aplicación para ilustrar el desempeño y la relevancia de los algoritmos planteados. / Object grasping and manipulation has become an area of great interest in robotics, specially due to the development of dexterous grasping devices like anthropomorphic hands that increase the flexibility and versatility of the robot arms, allowing the grasping and manipulation of a large variety of objects with a single end effector. This thesis tackles several planning problems associated with grasping and manipulation of arbitrary discrete objects, i.e. objects described with a cloud of points or a polygonal mesh. The computation of a force closure grasp and a locally optimal grasp is tackled using oriented search procedures based on geometric reasoning in the wrench space. The grasp quality measure considered is the largest perturbation wrench that the grasp can resist independently of the perturbation direction. However, real mechanical hands and grasping devices can hardly assure that the fingers will precisely touch the object at the computed contact points. Independent contact regions (ICRs) such that a finger contact in each ICR ensures a force closure grasp, provide robustness in front of finger positioning errors. This thesis presents an approach to compute ICRs with any number of frictionless or frictional contacts on the surface of any 3D object, assuring a controlled minimum grasp quality. The approach generates the ICRs by growing them around the contact points of a given appropriated starting grasp, like for instance a locally optimal grasp. The approach is also extended to compute the ICRs when several contacts are fixed beforehand. The notion of Non-Graspable Regions (NGRs) is introduced in this work, such that a finger contact in each NGR always produces a non-force closure grasp independently of the exact position of each finger. The ICRs and NGRs are used to efficiently explore the grasp space. The grasp space is constructed using a sampling method that provides samples of force closure or non force closure grasps used to compute ICRs or NGRs, respectively, which are used to label the configurations of the grasp space. An efficient deterministic sampling sequence is provided to allow a good incremental and uniform exploration of the grasp space. The generation of the grasp space is then applied to solve the regrasping problem, i.e. to obtain trajectories of the fingertips on the object surface in order to change from an initial to a final grasp without losing the force closure condition. Application examples are included to illustrate the relevance and performance of the proposed approaches.

O aumento no número de dispositivos móveis com crescente capacidade de processamento traz como incentivo o desenvolvimento de sistemas distribuídos que possam explorar estas novas tecnologias. Dentro dos sistemas distribuídos, os mecanismos que permitem a troca de dados entre os processos que o constituem, possuem um papel importante para o desempenho da aplicação. Uma abordagem interessante para implementar estes mecanismos é por meio do uso de middlewares. O middleware abstrai as funcionalidades básicas oferecidas pelo sistema operacional e hardware para oferecer serviços de alto nível aos desenvolvedores. Estes serviços permitem aos desenvolvedores se concentrarem somente na lógica interna de suas aplicações, reduzindo também seu custo de manutenção. Incentivado pela necessidade de um mecanismo que garantisse a troca de informações entre as unidades de um sistema autônomo para o gerenciamento de AGVs (Automated Guided Vehicle), desenvolvido pelo grupo de mecatrônica da Universidade de São Paulo, este trabalho propõe uma arquitetura de comunicação baseada em middlewares que é inspirada no paradigma de comunicação RMI (Remote Method Invocation) para suprir a troca de dados necessária por meio do conceito de objetos distribuídos. Para apresentar o uso da IDL (Interface Definition Language) disponibilizada pela arquitetura proposta, uma demonstração de como acrescentar novos serviços à arquitetura é descrita. Para avaliar o desempenho da arquitetura e analisar o comportamento dos serviços oferecidos, testes de tempo de resposta, throughput e disponibilidade foram realizados. Pode-se verificar que a arquitetura proposta, além de apresentar um desempenho satisfatório para a operação do sistema de AGVs, proporcionou uma estrutura que pode ser facilmente adaptada para futuras alterações no projeto sem modificar diretamente as definições da arquitetura de comunicação. / The increase in the process capacity of mobile devices has motivated the development of distributed applications that exploit new technologies. In distributed applications, the mechanisms that enable the exchange of data among the application processes play an important role in their performance. An interesting way to deal with such an exchange is to adopt middleware to handle communication. The middleware abstracts the functionalities provided by the underlying operational system and hardware and offers a set of high-level services, which assist developers in working directly with the logic of the application and reducing its maintenance costs. Motivated by the necessity of a mechanism that ensures the exchange of information among the units of an AGV (Automated Guided Vehicle) system designed by the University of São Paulo, this dissertation develops a communication architecture based on middleware. The architecture is inspired in the RMI (Remote Method Invocation) paradigm to enable the data exchange based on the concept of distributed objects. An IDL (Interface Definition Language) was conceived for the architecture and a demonstration of how new services can be added to the structure was conducted. To validate the performance of the proposed middleware and its services, tests of network response time, throughput and availability were carried out. The architecture showed a satisfactory performance for the operation of the AGV system and provided a structure that can be easily adapted for future changes in the project.

O monitoramento de grandes estruturas está diretamente ligado à segurança das mesmas, pois sendo elas naturais ou artificiais, estão sempre sujeitas a variações em suas dimensões e posições, no espaço e no tempo, o que pode representar riscos sociais, ambientais e econômicos. Dessa maneira, a presente pesquisa apresenta um estudo sobre métodos de determinação de coordenadas espaciais, disponíveis na literatura e empregados atualmente nos trabalhos práticos de engenharia, quanto aos aspectos de monitoração estrutural, tendo por finalidade simular e determinar deslocamentos controlados de alvos. A dissertação tem como principal objetivo testar as vantagens dos procedimentos automáticos realizados por meio de estações totais robóticas a partir do uso de métodos de medição em estudo no Laboratório de Mensuração do Departamento de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos (STT/EESC/USP), em comparação com o método polar, convencionalmente utilizado na maioria dos projetos de monitoração estrutural. O principal método aplicado nesta dissertação é denominado Método das Distâncias Mínimas, o qual se fundamenta no princípio da minimização de funções matemáticas definidas pelo somatório das distâncias entre os pontos de medição e os alvos definidos para o monitoramento. As distâncias, neste caso, são determinadas a partir das medições de ângulos zenitais e azimutais medidos com estações totais robóticas e automáticas. Com isso, pretende-se mostrar que o uso de equipamentos topográficos modernos com capacidade para desenvolver rotinas de automação de busca e medição de alvos permite realizar medidas com alto nível de automação, controle e qualidade. Mostra-se nesta dissertação que a tecnologia de busca automática de prismas permite automatizar os procedimentos de mensuração aplicados ao monitoramento de estruturas, possibilitando auscultar estruturas de maneira contínua sem a interferência do operador, o que aumenta sensivelmente a qualidade dos resultados. / The monitoring of large structures is directly linked to their safety, because they are always subject to variations in their dimensions and positions in space and time, which can pose social, environmental and economic risks, being the structures natural or artificial. Thus, the following research presents a study about the methods to determine spatial coordinates, available in the literature and currently employed in practical engineering, and also includes the structural issues of monitoring, aiming to simulate and determine controlled displacements of targets. This paper has as main objective to test the advantages of automatic procedures performed using robotic total stations using measurement methods in a study at the Measurement Transport Department Laboratory of the São Carlos School of Engineering (STT/EESC/USP), in comparison to the polar method, conventionally used in most structural monitoring projects. The main method applied in this thesis is called Minimum Distances Method, which is based on the principle of mathematical functions minimization defined by the sum of the distances between the measurement points and the targets set for the monitoring. The distances, in this case, are determined from the measurements of azimuth and zenithal angles measured with automatic and total robotic stations. The main purpose is to show that the use of modern surveying equipment with capacity to develop automation routines of search and targets measurement allows performing measurements with high level of automation, control and quality. It is shown in this paper that the technology of prisms automatic search permit to automate the measurement procedures applied to the monitoring of structures, enabling to continuously auscultate the structures without the operator interference, which significantly improves the quality of results.

O monitoramento de grandes estruturas está diretamente ligado à segurança das mesmas, pois sendo elas naturais ou artificiais, estão sempre sujeitas a variações em suas dimensões e posições, no espaço e no tempo, o que pode representar riscos sociais, ambientais e econômicos. Dessa maneira, a presente pesquisa apresenta um estudo sobre métodos de determinação de coordenadas espaciais, disponíveis na literatura e empregados atualmente nos trabalhos práticos de engenharia, quanto aos aspectos de monitoração estrutural, tendo por finalidade simular e determinar deslocamentos controlados de alvos. A dissertação tem como principal objetivo testar as vantagens dos procedimentos automáticos realizados por meio de estações totais robóticas a partir do uso de métodos de medição em estudo no Laboratório de Mensuração do Departamento de Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos (STT/EESC/USP), em comparação com o método polar, convencionalmente utilizado na maioria dos projetos de monitoração estrutural. O principal método aplicado nesta dissertação é denominado Método das Distâncias Mínimas, o qual se fundamenta no princípio da minimização de funções matemáticas definidas pelo somatório das distâncias entre os pontos de medição e os alvos definidos para o monitoramento. As distâncias, neste caso, são determinadas a partir das medições de ângulos zenitais e azimutais medidos com estações totais robóticas e automáticas. Com isso, pretende-se mostrar que o uso de equipamentos topográficos modernos com capacidade para desenvolver rotinas de automação de busca e medição de alvos permite realizar medidas com alto nível de automação, controle e qualidade. Mostra-se nesta dissertação que a tecnologia de busca automática de prismas permite automatizar os procedimentos de mensuração aplicados ao monitoramento de estruturas, possibilitando auscultar estruturas de maneira contínua sem a interferência do operador, o que aumenta sensivelmente a qualidade dos resultados. / The monitoring of large structures is directly linked to their safety, because they are always subject to variations in their dimensions and positions in space and time, which can pose social, environmental and economic risks, being the structures natural or artificial. Thus, the following research presents a study about the methods to determine spatial coordinates, available in the literature and currently employed in practical engineering, and also includes the structural issues of monitoring, aiming to simulate and determine controlled displacements of targets. This paper has as main objective to test the advantages of automatic procedures performed using robotic total stations using measurement methods in a study at the Measurement Transport Department Laboratory of the São Carlos School of Engineering (STT/EESC/USP), in comparison to the polar method, conventionally used in most structural monitoring projects. The main method applied in this thesis is called Minimum Distances Method, which is based on the principle of mathematical functions minimization defined by the sum of the distances between the measurement points and the targets set for the monitoring. The distances, in this case, are determined from the measurements of azimuth and zenithal angles measured with automatic and total robotic stations. The main purpose is to show that the use of modern surveying equipment with capacity to develop automation routines of search and targets measurement allows performing measurements with high level of automation, control and quality. It is shown in this paper that the technology of prisms automatic search permit to automate the measurement procedures applied to the monitoring of structures, enabling to continuously auscultate the structures without the operator interference, which significantly improves the quality of results.