[pt] A inspeção interna de tanques de armazenamento pode ser uma tarefa longa, custosa e até nociva à saúde do inspetor. Uma alternativa à inspeção humana é a utilização de sistemas robóticos. Esses sistemas podem ser teleoperados de fora dos tanques, permitindo realizar a inspeção de maneira mais segura, rápida, e em alguns casos, sem que seja necessário esvaziá-lo. Para poder fornecer a localização de eventuais defeitos no tanque, o robô móvel precisa ser capaz de conhecer sua posição relativa dentro dele. Auto-localização é de grande importância para a navegação de robôs móveis. Robôs de inspeção são, na sua maioria, veículos de rodas ou esteiras magnéticas fixas. Esta configuração adiciona duas dificuldades que precisam ser abordadas na tarefa de localização. Devido à sua configuração, neste tipo de veículo, deslizamento das rodas é intrínseco ao seu funcionamento, sendo essencial levar em conta seu efeito para modelar seu comportamento adequadamente. Outra dificuldade está no uso de rodas magnéticas, devido ao forte campo magnético gerado por estes elementos, que interferem nas medições de sensores magnéticos, como por exemplo bússolas. Neste trabalho, um filtro de Kalman foi desenvolvido e implementado para a localização de um robô de quatro rodas magnéticas fixas, a partir da fusão de sensores inerciais e odometria. Na modelagem do veículo, foi utilizado um modelo cinemático como base para um modelo dinâmico, o que permitiu considerar o deslizamento intrínseco do sistema. Na fusão de sensores, foram dispensadas as medições do magnetômetro embarcado, devido à grande interferência produzida pelas rodas e à grande distância que seria necessária entre eles para não ser afetado pelo ruído. Simulações e experimentos comprovaram a eficiência do filtro implementado. / [en] Internal inspection of storage tanks can be long, costly and even detrimental to the health of the inspector. An alternative to human inspection is the use of robotic systems. These systems can be teleoperated from outside the tanks, making it possible to carry out the inspection more safely, quickly and in some cases without having to empty it. In order to provide the location of any defects in the tank, the mobile robot must be able to know its relative position within it. Self-localization is of great importance for mobile robot navigation. Inspection robots are, for the most part, vehicles with wheels or tracks. This configuration adds two difficulties that need to be addressed in the localization task. Due to its configuration, in this type of vehicle, wheel slip is intrinsic to its operation, being essential to take into account its effect to model its behavior properly. Another difficulty is the use of magnetic wheels, due to the strong magnetic field generated by these elements, which interfere with the measurements of magnetic sensors, such as compasses. In this work, a Kalman filter was developed and implemented for the localization of a four-wheel fixed magnetic robot, from the fusion of inertial sensors and odometry. In the modeling of the vehicle, a kinematic model was used as the basis for a dynamic model, which allowed to consider the intrinsic slippage of the system. In the sensor fusion, measurements of the magnetometer on board were discarded, due to the great interference produced by the wheels and the great distance that would be necessary between them to be unaffected by noise. Simulations and experiments have proven the efficiency of the implemented filter.

[pt] Robôs móveis têm uma grande gama de aplicações, incluindo veículos autônomos, robôs industriais e veículos aéreos não tripulados. Navegação móvel autônoma é um assunto desafiador devido à alta incerteza e nãolinearidade inerente a ambientes não estruturados, locomoção e medições de sensores. Para executar navegação autônoma, um robô precisa de um mapa do ambiente e de uma estimativa de sua própria localização e orientação em relação ao sistema de referência global. No entando, geralmente o robô não possui informações prévias sobre o ambiente e deve criar o mapa usando informações de sensores e se localizar ao mesmo tempo, um problema chamado Mapeamento e Localização Simultâneos (SLAM). As formulações de SLAM usam algoritmos probabilísticos para lidar com as incertezas do problema, e a abordagem baseada em grafos é uma das soluções estado-da-arte para SLAM. Por muitos anos os sensores LRF (laser range finders) eram as escolhas mais populares de sensores para SLAM. No entanto, sensores RGB-D são uma alternativa interessante, devido ao baixo custo. Este trabalho apresenta uma implementação de RGB-D SLAM com uma abordagem baseada em grafos. A metodologia proposta usa o Sistema Operacional de Robôs (ROS) como middleware do sistema. A implementação é testada num robô de baixo custo e com um conjunto de dados reais obtidos na literatura. Também é apresentada a implementação de uma ferramenta de otimização de grafos para MATLAB. / [en] Mobile robots have a wide range of applications, including autonomous vehicles, industrial robots and unmanned aerial vehicles. Autonomous mobile navigation is a challenging subject due to the high uncertainty and nonlinearity inherent to unstructured environments, robot motion and sensor measurements. To perform autonomous navigation, a robot need a map of the environment and an estimation of its own pose with respect to the global coordinate system. However, usually the robot has no prior knowledge about the environment, and has to create a map using sensor information and localize itself at the same time, a problem called Simultaneous Localization and Mapping (SLAM). The SLAM formulations use probabilistic algorithms to handle the uncertainties of the problem, and the graph-based approach is one of the state-of-the-art solutions for SLAM. For many years, the LRF (laser range finders) were the most popular sensor choice for SLAM. However, RGB-D sensors are an interesting alternative, due to their low cost. This work presents an RGB-D SLAM implementation with a graph-based probabilistic approach. The proposed methodology uses the Robot Operating System (ROS) as middleware. The implementation is tested in a low cost robot and with real-world datasets from literature. Also, it is presented the implementation of a pose-graph optimization tool for MATLAB.

[pt] Quality by Design (QbD) tem sido utilizado na indústria farmacêutica e biotecnológica desde 2004, contribuindo para o atendimento a aspectos pre-definidos de segurança e eficácia do medicamento. Nesta dissertação são apresentados esforços preliminares para adaptar e implementar a abordagem do QbD para a garantia da confiabilidade de tecnologias biomédicas, particularmente na fase de desenvolvimento de um dispositivo robótico assistivo destinado a auxiliar a locomoção de idosos. Para a configuração do Target Product Profile (TPP) associado às funcionalidades do dispositivo, elaborou-se um questionário que foi aplicado a uma equipe multidisciplinar de atendimento ao idoso. Com a análise estatística dos resultados e literatura, identificaram-se as dificuldades clínicas a serem satisfeitas pelas funcionalidades do dispositivo. Com o TPP, literatura e técnicas de análise de risco, foram definidos os Critical Quality Atributes (CQA), características da tecnologia que precisam ser controladas ao longo do desenvolvimento. CQAs e análise de riscos foram utilizados para determinar os Critical Process Parameters (CPP), incluindo-se aspectos metrológicos, não mencionados no QbD. Sendo inviável a utilização dos métodos estatísticos convencionais na indústria de medicamentos, o Design Space foi configurado por meio de adaptação da lógica fuzzy, estabelecendo os CPP associados ao desempenho ótimo do dispositivo; propondo-se, para redução da complexidade, um modelo aplicando um sistema fuzzy hierárquico. / [en] Quality by Design (QbD) has been used in the pharmaceutical and biotechnology industry since 2004, contributing to meet the pre-defined aspects of safety and efficacy. In this work are presented the preliminary efforts to adapt and implement the QbD approach to guarantee the reliability of biomedical technologies, particularly in the development phase of an assistive robotic device for elderly locomotion. For setting the Target Product Profile (TPP) associated with the device features, questionnaire was elaborated and applied to a multidisciplinary team for elderly care. Through statistical analysis of the results and literature data, clinical difficulties to be met by the device features have been identified. With this information, literature data and risk analysis techniques, the Critical Quality Atributes were specified (CQA), characteristics of technology that need to be tracked throughout the development. The CQA data and risk analysis through brainstorming were used to determine the Critical Process Parameters (CPP), including metrological aspects, which are not considered in the conventional application of QbD . Being not feasible the use of conventional QbD statistical methods applied in pharmaceutical industry, Design Space has been configured by means of adaptation of fuzzy logic, establishing the CPP associated with the optimum performance of the device; and, for reduction of system complexity, was proposed a model by applying a hierarchical fuzzy system.

[pt] As tecnologias de manufatura para desenvolvimento de produtos evoluíram exponencialmente com o contínuo avanço dos algoritmos matemáticos e das interfaces de softwares cada vez mais intuitivos. Esse binômio potencializou a atual revolução digital, na qual se destaca a tecnologia de impressão 3D. Essa tecnologia cada vez mais acessível possibilita que usuários possam desenvolver protótipos físicos e até mesmo produzir por conta própria produtos para o mercado consumidor, atividade até então exclusiva das indústrias de manufatura. Uma das principais barreiras do processo ainda é o desenvolvimento de arquivos tridimensionais digitais, tornando-se necessário um entendimento específico na combinação do meio virtual com o meio físico. A compreensão do processo fomenta as diversas possibilidades que a impressão 3D pode oferecer no desenvolvimento de produtos inovadores. Essa tecnologia revoluciona a forma como projetamos, produzimos e consumimos. Para essa dissertação, estudos de casos focados em combate de robôs, uma área específica da robótica, foram desenvolvidos de forma inovadora, com comprovada eficácia em atuação. / [en] Manufacturing technologies for product development have evolved exponentially with the continued advancement of mathematical algorithms and increasingly intuitive software interfaces. This binomial has potentiated the current digital revolution, in which 3D printing technology stands out. This increasingly accessible technology enables users to develop physical prototypes and even produce products for the consumer market, a previously unique activity in the manufacturing industries. One of the main barriers of the process is still the development of three-dimensional digital files, making it necessary a specific understanding in the combination of the virtual environment with the physical environment. Understanding the process fosters the many possibilities that 3D printing can offer in the development of innovative products. This technology revolutionizes the way we design, produce and consume. In this dissertation, case studies focused on robot combat, a specific area of robotics, were developed in an innovative way, with proven effectiveness in action.

[pt] Neste trabalho, apresenta-se diferentes esquemas de controle servovisuais para tarefas robóticas de colheita de fruta, na presença de incertezas paramétricas nos modelos do sistema. O primeiro esquema combina as abordagens de servovisão baseada em posição (PBVS) e servovisão baseada em imagem (IBVS) para realizar, respectivamente, a aproximação até a fruta e, em seguida, um ajuste fino para a colheita. O segundo esquema usa uma abordagem de servovisão híbrida (HVS) para realizar a tarefa de colheita completa, projetando uma lei de controle adequada que combina vetores de erro definidos no espaço operacional e no espaço da imagem. A fase de detecção utiliza um algoritmo baseado no espaço de cores OTHA e limiar da imagem Otsu para um rápido reconhecimento de frutos maduros em cenários complexos. Além disso, um método de detecção mais preciso emprega uma Rede Neural Convolucional Profunda (DCNN) pré-treinada baseada em uma versão Segnet minimizada para uma inferência rápida durante a execução da tarefa. A localização do objeto é realizada empregando uma técnica de triangulação de imagem, que combina os algoritmos SURF e RANSAC ou ORB e BF-Matcher para extrair a característica da imagem da fruta e associa-lo com o seu ponto correspondente na outra visualização. No entanto, como esses algoritmos exigem um elevado custo computacional para os requisitos da tarefa, um método de estimativa mais rápido utiliza o centróide da fruta e transformação homogênea para descobrir os pontos correspondentes. Finalmente, um esquema de controle em modos deslizantes (SMC) baseado em visão e uma função de monitoramento de comutação são empregados para lidar com incertezas nos parâmetros de calibração do sistema de câmera-robô. Nesse sentido, é possível garantir a estabilidade assintótica e a convergência do erro da característica da imagem, mesmo que o ângulo de desalinhamento, em torno do eixo z, entre os sistemas de coordenadas da câmera e do efetuador seja incerto. / [en] In this work, we present different eye-in-hand visual servoing control schemes applied to a robotic harvesting task of soft fruits in the presence of parametric uncertainties in the system models. The first scheme combines position-based visual servoing (PBVS) and image-based visual servoing (IBVS) approaches in order to perform respectively an approach phase to the fruit and then a fine tuning of the end-effector to harvest. The second scheme uses a hybrid visual servoing (HVS) approach to fulfill the complete harvesting task, by designing a suitable control law which combines error vectors defined in both the image and operational spaces. For detecting the fruits, an algorithm based on the combination of the OHTA color space and Otsu’s threshold method for a fast recognition of mature fruits in complex scenarios. In addition, a more accurate detection method employs a pre-trained deep encoder-decoder algorithm based on a minimized Segnet version for a fast and cheap inference during the task execution. The object localization is accomplished by employing an image triangulation technique, which combines the speeded-up-robust-features (SURF) and the-randomsample-consensus (RANSAC) or the Oriented FAST and Rotated BRIEF and the Brute-Force Matcher (BF-Matcher) algorithms to extract the fruit image feature and match it to its correspondent feature-point into the other view of the stereo camera. However, since these algorithms are computationally expensive for the task requirements, a faster estimation method uses the fruit centroid and a homogeneous transformation for discovering matching points. Finally, a vision-based sliding-mode-control scheme and a switching monitoring function are employed to cope with uncertainties in the calibration parameters of the camera-robot system. In this context, it is possible to guarantee the asymptotic stability and convergence of the image feature error, even if the misalignment angle, around the z-axis, between the camera and end-effector frames is uncertain. 3D computer simulations and preliminary experimental results, obtained with a Mitsubishi robot arm RV-2AJ carrying out a simple strawberry picking task, are included to illustrate the performance and effectiveness of the proposed control scheme.

Aquesta tesi tracta sobre la combinació del control visual i la llum estructurada. El control visual clàssic assumeix que elements visuals poden ser fàcilment extrets de les imatges. Això fa que objectes d'aspecte uniforme o poc texturats no es puguin tenir en compte. En aquesta tesi proposem l'ús de la llum estructurada per dotar d'elements visuals als objectes independentment de la seva aparença.En primer lloc, es presenta un ampli estudi de la llum estructurada, el qual ens permet proposar un nou patró codificat que millora els existents. La resta de la tesi es concentra en el posicionament d'un robot dotat d'una càmara respecte diferentsobjectes, utilitzant la informació proveïda per la projecció de diferents patrons de llum. Dos configuracions han estat estudiades: quan el projector de llum es troba separat del robot,i quan el projector està embarcat en el robot juntament amb la càmara. Les tècniques proposades en la tesi estan avalades per un ampli estudi analític i validades per resultats experimentals. / This thesis treats about the combination of visual servoing and structured light. Classic visual servoing assumes that visual features can be extracted from the images. However, uniform ornon-textured objects, or objects for which extracting features is too complex or too time consuming cannot be taken into account.This thesis proposes the use of structured light patterns for providing suitable visual features independently of the object appearance.Firstly, a comprehensive survey on coded structured light patterns is presented. Then, a new pattern improving the existing ones isproposed. The remaining of the thesis is devoted to position an eye-in-hand robot with respect to objects by using features provided by light patterns. Two configurations are tested. In thefirst one, an off-board video-projector is used while in the second, an onboard structured light emitter is exploited. The techniques proposed in the thesis are supported by theoreticalanalysis and they are validated by experimental results.

Large scale image mosaicing methods are in great demand among scientists who study different aspects of the seabed, and have been fostered by impressive advances in the capabilities of underwater robots in gathering optical data from the seafloor. Cost and weight constraints mean that lowcost Remotely operated vehicles (ROVs) usually have a very limited number of sensors. When a low-cost robot carries out a seafloor survey using a down-looking camera, it usually follows a predetermined trajectory that provides several non time-consecutive overlapping image pairs. Finding these pairs (a process known as topology estimation) is indispensable to obtaining globally consistent mosaics and accurate trajectory estimates, which are necessary for a global view of the surveyed area, especially when optical sensors are the only data source. This thesis presents a set of consistent methods aimed at creating large area image mosaics from optical data obtained during surveys with low-cost underwater vehicles. First, a global alignment method developed within a Feature-based image mosaicing (FIM) framework, where nonlinear minimisation is substituted by two linear steps, is discussed. Then, a simple four-point mosaic rectifying method is proposed to reduce distortions that might occur due to lens distortions, error accumulation and the difficulties of optical imaging in an underwater medium. The topology estimation problem is addressed by means of an augmented state and extended Kalman filter combined framework, aimed at minimising the total number of matching attempts and simultaneously obtaining the best possible trajectory. Potential image pairs are predicted by taking into account the uncertainty in the trajectory. The contribution of matching an image pair is investigated using information theory principles. Lastly, a different solution to the topology estimation problem is proposed in a bundle adjustment framework. Innovative aspects include the use of fast image similarity criterion combined with a Minimum spanning tree (MST) solution, to obtain a tentative topology. This topology is improved by attempting image matching with the pairs for which there is the most overlap evidence. Unlike previous approaches for large-area mosaicing, our framework is able to deal naturally with cases where time-consecutive images cannot be matched successfully, such as completely unordered sets. Finally, the efficiency of the proposed methods is discussed and a comparison made with other state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets in underwater scenarios / Els mètodes de generació de mosaics de gran escala gaudeixen d’una gran demanda entre els científcs que estudien els diferents aspectes del fons submarí, afavorida pels impressionants avenços en les capacitats dels robots submarins per a l’obtenció de dades ptiques del fons. El cost i el pes constitueixen restriccions que impliquen que els vehicles operats remotament disposin habitualment d’un nombre limitat de sensors. Quan un robot de baix cost duu a terme una exploració del fons submarí utilitzant una càmera apuntant cap al terreny, aquest segueix habitualment una trajectòria que dóna com a resultat diverses parelles d’imatges amb superposició de manera sequencial. Trobar aquestes parelles (estimació de la topologia) és una tasca indispensable per a l’obtenció de mosaics globalment consistents així com una estimació de trajectòria precisa, necessària per disposar d’una visió global de la regió explorada, especialment en el cas en què els sensors òptics constitueixen la única font de dades. Aquesta tesi presenta un conjunt de mètodes robustos destinats a la creació de mosaics d’àrees de grans dimensions a partir de dades òptiques (imatges) obtingudes durant exploracions realitzades amb vehicles submarins de baix cost. En primer lloc, es presenta un mètode d’alineament global desenvolupat en el context de la generació de mosaics basat en característiques 2D, substituint una minimització no lineal per dues etapes lineals. Així mateix, es proposa un mètode simple de rectificació de mosaics basat en quatre punts per tal de reduir les distorsions que poden aparèixer a causa de la distorsió de les lents, l’acumulació d’errors i les dificultats d’adquisició d’imatges en el medi submarí. El problema de l’estimació de la topologia s’aborda mitjanant la combinació d’un estat augmentat amb un altre de Kalman estès, amb l’objectiu de minimitzar el nombre total d’intents de cerca de correspondències i obtenir simultàniament la millor trajectòria possible. La predicció de les parelles d’imatges potencials té en compte la incertesa de la trajectòria, i la contribució de l’obtenció de correspondències per a un parell d’imatges s’estudia d’acord amb principis de la teoria de la informació. Així mateix, el problema de l’estimació de la topologia és abordat en el context d’un alineament global. Les innovacions inclouen l’ús d’un criteri ràpid per a determinació de la similitud entre imatges combinat amb una solució basada en arbres d’expansió mínima, per tal d’obtenir una topologia provisional. Aquesta topologia és millorada mitjançant l’intent de cerca de correspondències entre parelles d’imatges amb major probabilitat de superposició. Contràriament al que succeïa en solucions prèvies per a la construcció de mosaics de grans àrees, el nostre entorn de treball és capaç de tractar amb casos en què imatges consecutives en el temps no han pogut ser relacionades satisfactòriament, com és el cas de conjunts d’imatges totalment desordenats. Finalment, es discuteix l’eficiència del mètode proposat i es compara amb altres solucions de l’estat de l’art, utilitzant una sèrie de conjunts de dades complexos en escenaris subaquàtics.

[pt] Hoje, os constantes avanços tecnológicos em interfaces digitais, e por consequência as interfaces gráficas do usuário, se fazem cada vez mais presentes na interação humano-máquina. Porém, num contexto em que sistemas inteligentes, a exemplo dos sistemas robóticos, já são uma realidade, ainda restam lacunas a serem preenchidas quando se pensa em integrar, com fluidez, robôs a trabalhos customizados e complexos. Esta pesquisa tem como foco a análise da usabilidade de interfaces de usuário específicas para a interação com robôs remotos também conhecidas como Robot User Interfaces (RUIs). Quando bem executadas, tais interfaces permitem aos operadores realizar remotamente tarefas em ambientes complexos. Para tanto, trabalha-se com a hipótese de que, se RUIs forem concebidas considerando as especificidades desses modelos de interação, as falhas operacionais serão reduzidas. O objetivo desta pesquisa foi avaliar diretrizes específicas para sistemas robóticos, compreendendo a relevância destas na usabilidade de interfaces. Para uma base teórica, foram levantados os modelos já existentes de interação com robôs e sistemas automatizados; e os princípios de design que se aplicam a estes modelos. Após a revisão bibliográfica, foram realizadas entrevistas contextuais com usuários de sistemas robóticos e testes de usabilidade, a fim de reproduzir, em interfaces com e sem diretrizes de RUIs, os processos de interação na realização de tarefas. Os resultados finais das técnicas aplicadas apontaram para a validade da hipótese - se interfaces específicas para sistemas robóticos forem concebidas considerando as especificidades dos modelos de interação humano-robô, as falhas operacionais na interação serão reduzidas - à medida que os sistemas desenvolvidos com interfaces específicas ao contexto de interação com robôs proporcionaram uma melhor usabilidade e mitigaram a ocorrência de uma série de possíveis falhas humanas. / [en] Nowadays, the constant technological advances, and consequently the graphical user interfaces, have become more and more present in the humanmachine interaction. However, in a context where intelligent systems, such as robotic systems, are already a reality, there are still gaps to be filled when we think about integrating robots with custom and complex activities. This research aims on the analysis of Robot User Interfaces (RUIs) usability. When well executed, such interfaces allow operators to remotely perform tasks in complex environments. To that intent, our hypothesis is that, if RUIs are conceived considering the specificities of these interaction models, operational failures will be reduced. The main goal of this research was to evaluate specific guidelines for robotic systems, understanding their relevance in usability. For a theoretical basis, the existing models of interaction with robots and autonomous systems were raised; as well as the design principles that apply to these models. After a bibliographic review, we conducted contextual interviews with users of robotic systems, and usability tests to reproduce, in interfaces with and without RUI guidelines, the interaction processes in the task completion. The final results of the applied techniques proved the validity of the hypothesis, as the systems developed with interfaces specific to the interaction with robots provided better usability and mitigated the occurrence of array of human faults.

[pt] SLAM (Mapeamento e Localização Simultânea) é uma das áreas mais pesquisadas na Robótica móvel. Trata-se do problema, num robô móvel, de construir um mapa sem conhecimento prévio do ambiente e ao mesmo tempo manter a sua localização nele. Embora a tecnologia ofereça sensores cada vez mais precisos, pequenos erros na medição são acumulados comprometendo a precisão na localização, sendo estes evidentes quando o robô retorna a uma posição inicial depois de percorrer um longo caminho. Assim, para melhoria do desempenho do SLAM é necessário representar a sua formulação usando teoria das probabilidades. O SLAM com Filtro Extendido de Kalman (EKF-SLAM) é uma solução básica, e apesar de suas limitações é a técnica mais popular. O Fast SLAM, por outro lado, resolve algumas limitações do EKF-SLAM usando uma instância do filtro de partículas conhecida como Rao-Blackwellized. Outra solução bem sucedida é o DP-SLAM, o qual usa uma representação do mapa em forma de grade de ocupação, com um algoritmo hierárquico que constrói mapas 2D bastante precisos. Todos estes algoritmos usam informação de dois tipos de sensores: odômetros e sensores de distância. O Laser Range Finder (LRF) é um medidor laser de distância por varredura, e pela sua precisão é bastante usado na correção do erro em odômetros. Este trabalho apresenta uma detalhada implementação destas três soluções para o SLAM, focalizado em ambientes fechados e estruturados. Apresenta-se a construção de mapas 2D e 3D em terrenos planos tais como em aplicações típicas de ambientes fechados. A representação dos mapas 2D é feita na forma de grade de ocupação. Por outro lado, a representação dos mapas 3D é feita na forma de nuvem de pontos ao invés de grade, para reduzir o custo computacional. É considerado um robô móvel equipado com apenas um LRF, sem nenhuma informação de odometria. O alinhamento entre varreduras laser é otimizado fazendo o uso de Algoritmos Genéticos. Assim, podem-se construir mapas e ao mesmo tempo localizar o robô sem necessidade de odômetros ou outros sensores. Um simulador em Matlab é implementado para a geração de varreduras virtuais de um LRF em um ambiente 3D (virtual). A metodologia proposta é validada com os dados simulados, assim como com dados experimentais obtidos da literatura, demonstrando a possibilidade de construção de mapas 3D com apenas um sensor LRF. / [en] Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is one of the most widely researched areas of Robotics. It addresses the mobile robot problem of generating a map without prior knowledge of the environment, while keeping track of its position. Although technology offers increasingly accurate position sensors, even small measurement errors can accumulate and compromise the localization accuracy. This becomes evident when programming a robot to return to its original position after traveling a long distance, based only on its sensor readings. Thus, to improve SLAM s performance it is necessary to represent its formulation using probability theory. The Extended Kalman Filter SLAM (EKF-SLAM) is a basic solution and, despite its shortcomings, it is by far the most popular technique. Fast SLAM, on the other hand, solves some limitations of the EKFSLAM using an instance of the Rao-Blackwellized particle filter. Another successful solution is to use the DP-SLAM approach, which uses a grid representation and a hierarchical algorithm to build accurate 2D maps. All SLAM solutions require two types of sensor information: odometry and range measurement. Laser Range Finders (LRF) are popular range measurement sensors and, because of their accuracy, are well suited for odometry error correction. Furthermore, the odometer may even be eliminated from the system if multiple consecutive LRF scans are matched. This works presents a detailed implementation of these three SLAM solutions, focused on structured indoor environments. The implementation is able to map 2D environments, as well as 3D environments with planar terrain, such as in a typical indoor application. The 2D application is able to automatically generate a stochastic grid map. On the other hand, the 3D problem uses a point cloud representation of the map, instead of a 3D grid, to reduce the SLAM computational effort. The considered mobile robot only uses a single LRF, without any odometry information. A Genetic Algorithm is presented to optimize the matching of LRF scans taken at different instants. Such matching is able not only to map the environment but also localize the robot, without the need for odometers or other sensors. A simulation program is implemented in Matlab to generate virtual LRF readings of a mobile robot in a 3D environment. Both simulated readings and experimental data from the literature are independently used to validate the proposed methodology, automatically generating 3D maps using just a single LRF.

[pt] Com o aumento da expectativa, de vida o envelhecimento da população vem se tornando uma realidade cada vez mais presente no Brasil e no mundo. Esse novo panorama demográfico já é vivenciado por países ricos, que vêm cada vez mais investindo para se enquadrar nessa nova realidade, seja por meio da adaptação de suas cidades ou pelo desenvolvimento de novas tecnologias para melhora da qualidade de vida. Na área da robótica, diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o intuito de reabilitação e melhora da qualidade de vida da população idosa. Nesses trabalhos são desenvolvidos, por exemplo, dispositivos que buscam auxiliar o idoso na realização de suas atividades diárias, provendo, principalmente, suporte e prevenção de quedas. Essa dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento do protótipo de um dispositivo para assistência a locomoção de pessoas idosas que possuam alguma deficiência visual, motora e/ou cognitiva. O dispositivo tem como objetivo guiar o usuário em ambientes urbanos de maneira autônoma. O protótipo deve ser capaz de desviar de qualquer obstáculo que possa levar o idoso à queda, além de ter uma estrutura que ofereça apoio para o seu deslocamento. O dispositivo proposto possui uma estrutura semelhante a um andador, cuja base é um robô móvel diferencial. Para que possa obter informações do ambiente, o dispositivo está equipado com sensores de distância, uma central inercial e encoders nas rodas. Todo o processamento ocorre em uma CPU de baixo custo, Raspberry Pi 1 versão 2, embarcada no próprio dispositivo e o controle de navegação ocorre por meio de um algoritmo baseado em lógica Fuzzy. Os acessos ao hardware e software de controle do dispositivo são gerenciados pelo framework de robótica Player (Gerkey e contribuidores, 2010). Para que o dispositivo receba a rota de navegação ele está conectado a um celular, com sistema operacional Android, via protocolo TCP/IP. Esse celular está executando uma API (Application Programming Interface) do Google Maps que fornece direção e distância ao objetivo a cada passo da interação, além da localização global do dispositivo, por meio do sensor GPS do celular. O objetivo deve ser inicialmente estabelecido pelo usuário por meio da API desenvolvida, para que a navegação autônoma ocorra. Além da navegação autônoma, o dispositivo permite que usuário envie comandos diretamente para os motores por meio de sensores de força instalados próximos aos pontos de apoio do usuário. / [en] With the increase in life expectation, the ageing population has become more present in Brazil and the world. This new demographic scenery has been already framed by rich countries, which are increasingly investing to fit this new reality, either through the adaptation of their cities or the development of new technologies to improve the quality of life. In the area of robotics, several researches have been developed with the aim of rehabilitation and improvement of the quality of life of the elderly population. These researches are developing, for example, devices to assist the elderly in carrying out their daily activities, providing support and prevention of falls. This work presents the development of the prototype of a device to assist elderly person with any visual, cognitive and/or motor impairment to locomotion by itself. The device aims to guide the user autonomously in urban environments. The prototype should be able to avoid any obstacle that can cause the elderly to fall, besides having a structure that offers support for his balance. The proposed device has a structure similar to a walker whose base is a differential mobile robot. For the device be able to get information from the environment, it is embedded with range sensors, a measurement central unit and encoders at the wheels. All processing occurs in a low-cost CPU, Raspberry Pi 1 B version 2, which is embedded in the mobile device, and the navigation control algorithm is based on fuzzy logic. The robotic framework Player (Gerkey and contributors, 2010) provides the access to the hardware and software of the device. For the device to receive the navigation route, it is connected to an Android operating system phone, by TCP/IP protocol. This phone runs an API (Application Programming Interface) from Google Maps that provides the direction and the distance to the goal in every step of its interaction, besides the global location of the robot, provided by the GPS sensor of the phone. The user should firstly set the goal with the API developed, so that the autonomous navigation will occur. In addition to the autonomous navigation, the device allows the user to send commands directly to the motors by means of the force sensors installed at the robot cane.