published_or_final_version / Electrical and Electronic Engineering / Master / Master of Philosophy

El procesamiento de imágenes aplicado al campo de control y automatización de sistemas industriales ha tenido una gran influencia en la tecnología de los robots móviles; así se han venido desarrollando diversas técnicas de visión para poder obtener nuevos parámetros cada vez más precisos sobre el entorno de trabajo del robot móvil. Las técnicas de reconocimiento de objetos y visión estereoscópica han demostrado ser una herramienta muy útil, ya que gracias a esto, los vehículos no tripulados pueden llegar a tener una mejor interacción con su entorno, lo cual resulta en un mejor desenvolvimiento en las diferentes tareas que realizan El presente trabajo de tesis describe la implementación de un sistema de visión estéreo aplicado al campo de los robots móviles para la localización de objetos, el cual tiene como principal características encontrar la distancia en coordenadas XYZ de un objeto en particular; para que luego esta información sea llevada al robot. Tanto para la tarea de segmentación como del cálculo de coordenadas se utilizará a la librería OpenCV la cual nos permite el uso de los diferentes algoritmos de procesamiento de imágenes. La etapa de visión estéreo propiamente dicha se llevará a cabo mediante la implementación de las siguientes etapas: cálculo de los parámetros de las cámaras, calibración, rectificación de imágenes y finalmente la triangulación, método por el cual se obtienen las coordenadas deseadas. El sistema de visión estéreo desarrollado será implementado en un computador embebido y se va comunicar con el robot móvil mediante protocolo TCP/IP para el envió de las diferentes coordenadas. / Tesis

En los últimos años se han ido diseñando robots anfitriones y robots guías capaces de brindar todo tipo de información, dependiendo del ambiente de trabajo de este. Sin embargo, ninguno de los robots desarrollados en otros países (Anexo 4, 5 y 6) posee las funcionalidades del robot anfitrión planteado en el presente trabajo de tesis. Adicionalmente, al desarrollar este prototipo en la Pontificia Universidad Católica del Perú se busca contribuir a mejorar los siguientes aspectos: un mayor incentivo para desarrollar proyectos de investigación tecnológica y colaborar a reducir el atraso tecnológico del país. En el presente trabajo se muestra el desarrollo de un robot anfitrión cuya principal función es la de brindar información y, además, servirá de guía para los visitantes que acudan al 3er Piso del CETAM (Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura). Con este robot anfitrión, las personas podrán interactuar y hacer preguntas relacionadas a las actividades que se realizan en este ambiente. Asimismo, el robot anfitrión tendrá la capacidad de reconocer el rostro de las personas, ya sea un alumno o un profesor de la especialidad, y reconocer e interpretar las frases dichas por los visitantes. Cada uno de los subsistemas que se encargan de realizar el movimiento del prototipo, la interacción humano - robot y el sistema de reconocimiento de rostros son claramente detallados a lo largo del trabajo. / Tesis

Esta tesis presenta una propuesta para el desarrollo de un móvil con un sistema electrónico modular que permita el acoplamiento de otros sub-sistemas y la ejecución de diferentes funciones y que además será controlado remotamente por un usuario, quien obtendrá información del medio a través del robot. El diseño de este móvil es requerido por el grupo de investigación de Ingeniería Civil, quiénes necesitan de un intermediario, en este caso, el robot, para acceder a los túneles subterráneos de la Huaca de la Luna y recolectar bloques de adobe. En este documento, se detalla el problema existente en la recolección de los bloques de adobe de la Huaca de la Luna debido a las zonas inseguras de difícil acceso y el inconveniente por el constante rediseño de los robots de exploración debido a su inadaptabilidad al terreno al que se enfrentan. Además, se analizan los principales robots de exploración, cuyas funciones varían entre la toma de fotografías y video para zonas como túneles angostos, de estructuras inestables o de ambientes tóxicos no aptos para el ser humano. Sin embargo, todos tienen como común denominador el brindar seguridad a las personas y servir como intermediarios entre el medio y el usuario. Para el diseño del móvil, se han tenido en cuenta los requerimientos físico-mecánicos limitados por las dimensiones del túnel y las características de los bloques de adobe; y los requerimientos electrónicos y de control que permita una comunicación estándar entre el móvil y el usuario que lo controla. Por su parte, el sistema electrónico modular le otorga la posibilidad de realizar diferentes funciones de acuerdo a los mecanismos que se acoplen. Además, se definieron las principales funciones del robot: movilidad en el terreno, control remoto del móvil, observación del medio mediante una cámara de video, recopilación de información a través de los sensores, recolección de muestras mediante los mecanismos a implementar y comunicación entre el móvil y el usuario. Asimismo, este trabajo detalla la estructuración e integración de los subsistemas involucrados (mecánico, electrónico, control, comunicación) y de los componentes seleccionados. Todos necesarios para lograr el diseño de un robot móvil de 60kg que puede movilizarse a una distancia máxima de 300 metros a una velocidad entre 13cm/s y 15cm/s capaz de cargar los bloques de adobe de 16kg y acoplar un mecanismo auxiliar de 10kg. / Tesis

El mundo de la automatización y la robótica va avanzando con el paso del tiempo a un ritmo acelerado en países desarrollados donde desde hace muchos años ya se vienen usando robots en la industria, pero en últimos años los robots han dejado las fábricas para pasar al ámbito social. El objetivo de los robots sociales es que puedan ayudar a los personas de forma eficaz en diversas actividades y a su vez puedan tener la capacidad de comportarse como las personas y reaccionar ante sus acciones. Para lograr este objetivo es necesario que los robots tengan capacidad de percepción del ambiente y las personas que los rodean. Una de las formas de percepción más comunes es la visión por medio de cámaras que proveen información en 2D y 3D. Aunque diversos investigadores han utilizado cámaras con robots humanoides, todavía existen diversas limitaciones que impiden al robot tener movilidad y evaluar los aspectos sociales de una forma autónoma. La presente tesis plantea la creación de un dispositivo que permita al robot tener la percepción visual necesaria para que pueda entender y evaluar las conductas sociales de las personas que viven en su entorno. Este sensor puede rastrear la posición de las articulaciones de una persona, con esta información se puede implementar un algoritmo dentro del robot para que pueda aprender las costumbres sociales, estas son diferentes dependiendo en que parte del mundo se ubique. Una vez que el robot ha aprendido de estas conductas sociales, este puede replicar algunas de las acciones como respuesta ante conductas sociales; por ejemplo: saludar con una reverencia, moviendo la mano para saludar o dando la mano a alguien que se acerque con la mano extendida. / Tesis

Los guardias de seguridad en un centro comercial requieren cumplir dos tareas principales: ser un agente de seguridad y un anfitrión. Las tareas relacionadas con temas de seguridad incluyen cuidar de la propiedad del centro comercial y velar por el bienestar de las personas presentes; mientras que su rol de anfitrión, requiere que interactúen con los clientes y puedan absolver dudas. Debido a estos requisitos, se les exige que realicen patrullas y que permanezcan de pie por largos períodos en lugares de fácil accesibilidad. El desgaste físico involucrado, agregado al riesgo laboral intrínseco a la profesión, genera un elevado índice de rotación en la industria de la seguridad. Por ello, en el presente trabajo se plantea el diseño de un sistema mecatrónico, capaz de poder desplazarse de forma autónoma dentro de un centro comercial y realizar las labores rutinarias de un guardia de seguridad. Además, puede servir como una herramienta para aumentar el rendimiento de los agentes. Con la finalidad de fomentar confianza, el sistema diseñado es un robot con apariencia humanoide el cual incluye un par de brazos de un grado de libertad y una cabeza de tres grados de libertad. El robot se posiciona sobre una plataforma de dos ruedas generando una configuración de péndulo invertido. El sistema total tiene un peso de 70 kg y un tamaño de 70 x 50 cm con una altura de 1.6 m. Tiene la capacidad de capturar video de su entorno y enviarlo inalámbricamente a un centro de seguridad. Además, puede navegar de forma segura y confiable en un ambiente dinámico e interactuar con las personas para resolver dudas como ubicación de locales y servicios. El sistema elaborado es capaz de satisfacer necesidades presentes en la industria de seguridad privada representando un beneficio para agentes, empresas y centros comerciales. / Tesis

by Wong Hon-chuen. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1999. / Includes bibliographical references (leaves 83-87). / Abstracts in English and Chinese. / Acknowledgements --- p.i / List of Figures --- p.v / List of Table --- p.viii / Abstract --- p.ix / Contents / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 2 --- Algorithm Outline --- p.7 / Chapter 2.1 --- Assumptions --- p.7 / Chapter 2.2 --- Algorithm Outline --- p.8 / Chapter 3 --- Obstacle Detection --- p.11 / Chapter 3.1 --- Introduction --- p.11 / Chapter 3.2 --- Image Processing --- p.14 / Chapter 3.3 --- Coordinate Transformation --- p.14 / Chapter 3.4 --- Example --- p.20 / Chapter 4 --- Real-time Construction of Configuration Space --- p.22 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.22 / Chapter 4.2 --- Configuration Space --- p.23 / Chapter 4.3 --- Type-A Contact --- p.26 / Chapter 4.4 --- Type-B Contact --- p.27 / Chapter 4.5 --- Inverse Mapping Method --- p.29 / Chapter 4.6 --- Simulation --- p.31 / Chapter 5 --- Motion Planning and Re-Construction of C-space --- p.34 / Chapter 5.1 --- Introduction --- p.34 / Chapter 5.2 --- Path Planning --- p.36 / Chapter 5.3 --- Update of C-space --- p.41 / Chapter 5.4 --- Re-planning of Robot Path --- p.44 / Chapter 6 --- Implementation and Experiments --- p.55 / Chapter 6.1 --- Introduction --- p.55 / Chapter 6.2 --- Architecture of the Mobile Robot System --- p.55 / Chapter 6.3 --- Algorithm Implementation --- p.56 / Chapter 6.4 --- Experiment --- p.58 / Chapter 6.4.1 --- Experiment on a Fixed Unknown Environment --- p.58 / Chapter 6.4.2 --- Experiment on a Dynamic Unknown Environment --- p.70 / Chapter 7 --- Conclusions --- p.81 / References --- p.83

by Joseph Chun-kong Chan. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1998. / Includes bibliographical references (leaves 117-124). / Abstract also in Chinese. / Abstract --- p.i / Acknowledgments --- p.iv / List of Figures --- p.xi / List of Tables --- p.xii / List of Algorithms --- p.xiii / Chapter 1 --- Introduction --- p.1 / Chapter 1.1 --- Motivation --- p.1 / Chapter 1.2 --- Related Work --- p.5 / Chapter 1.3 --- Contributions --- p.7 / Chapter 1.4 --- Organization of the Thesis --- p.9 / Chapter 2 --- Contact Modeling: Kinematics --- p.11 / Chapter 2.1 --- Introduction --- p.11 / Chapter 2.2 --- Contact Kinematics between Two Rigid Bodies --- p.14 / Chapter 2.2.1 --- Contact Modes --- p.14 / Chapter 2.2.2 --- Montana's Contact Equations --- p.15 / Chapter 2.3 --- Finger Kinematics --- p.18 / Chapter 2.3.1 --- Finger Forward Kinematics --- p.19 / Chapter 2.3.2 --- Finger Jacobian --- p.21 / Chapter 2.4 --- Grasp Kinematics between a Finger and an Object --- p.21 / Chapter 2.4.1 --- Velocity Transformation between Different Coordinate Frames --- p.22 / Chapter 2.4.2 --- Grasp Kinematics for the zth Contact --- p.23 / Chapter 2.4.3 --- Different Fingertip Models and Different Contact Modes --- p.25 / Chapter 2.5 --- Velocity Constraints of the Entire System --- p.28 / Chapter 2.6 --- Summary --- p.29 / Chapter 3 --- Contact Modeling: Dynamics --- p.31 / Chapter 3.1 --- Introduction --- p.31 / Chapter 3.2 --- Multi-fingered Robot Hand Dynamics --- p.33 / Chapter 3.3 --- Object Dynamics --- p.35 / Chapter 3.4 --- Constrained System Dynamics --- p.37 / Chapter 3.5 --- Summary --- p.39 / Chapter 4 --- Collision Modeling --- p.40 / Chapter 4.1 --- Introduction --- p.40 / Chapter 4.2 --- Assumptions of Collision --- p.42 / Chapter 4.3 --- Collision Point Velocities --- p.43 / Chapter 4.3.1 --- Collision Point Velocity of the ith. Finger --- p.43 / Chapter 4.3.2 --- Collision Point Velocity of the Object --- p.46 / Chapter 4.3.3 --- Relative Collision Point Velocity --- p.47 / Chapter 4.4 --- Equations of Collision --- p.47 / Chapter 4.4.1 --- Sliding Mode Collision --- p.48 / Chapter 4.4.2 --- Sticking Mode Collision --- p.49 / Chapter 4.5 --- Summary --- p.51 / Chapter 5 --- Dynamic Simulation --- p.53 / Chapter 5.1 --- Introduction --- p.53 / Chapter 5.2 --- Architecture of the Dynamic Simulation System --- p.54 / Chapter 5.2.1 --- Input Devices --- p.54 / Chapter 5.2.2 --- Dynamic Simulator --- p.58 / Chapter 5.2.3 --- Virtual Environment --- p.60 / Chapter 5.3 --- Methodologies and Program Flow of the Dynamic Simulator --- p.60 / Chapter 5.3.1 --- Interference Detection --- p.61 / Chapter 5.3.2 --- Constraint-based Simulation --- p.63 / Chapter 5.3.3 --- Impulse-based Simulation --- p.66 / Chapter 5.4 --- Summary --- p.69 / Chapter 6 --- Simulation Results --- p.71 / Chapter 6.1 --- Introduction --- p.71 / Chapter 6.2 --- Change of Grasping Configurations --- p.71 / Chapter 6.3 --- Rolling Contact --- p.76 / Chapter 6.4 --- Sliding Contact --- p.76 / Chapter 6.5 --- Collisions --- p.85 / Chapter 6.6 --- Dextrous Manipulation Motions --- p.93 / Chapter 6.7 --- Summary --- p.94 / Chapter 7 --- Conclusions --- p.99 / Chapter 7.1 --- Summary of Contributions --- p.99 / Chapter 7.2 --- Future Work --- p.100 / Chapter 7.2.1 --- Improvement of Current System --- p.100 / Chapter 7.2.2 --- Applications --- p.101 / Chapter A --- Montana's Contact Equations for Finger-object Contact --- p.103 / Chapter A.1 --- Local Coordinates Charts --- p.103 / Chapter A.2 --- "Curvature, Torsion and Metric Tensors" --- p.104 / Chapter A.3 --- Montana's Contact Equations --- p.106 / Chapter B --- Finger Dynamics --- p.108 / Chapter B.1 --- Forward Kinematics of a Robot Finger --- p.108 / Chapter B.1.1 --- Link-coordinate Transformation --- p.109 / Chapter B.1.2 --- Forward Kinematics --- p.109 / Chapter B.2 --- Dynamic Equation of a Robot Finger --- p.110 / Chapter B.2.1 --- Kinetic and Potential Energy --- p.110 / Chapter B.2.2 --- Lagrange's Equation --- p.111 / Chapter C --- Simulation Configurations --- p.113 / Chapter C.1 --- Geometric models --- p.113 / Chapter C.2 --- Physical Parameters --- p.113 / Chapter C.3 --- Simulation Parameters --- p.116 / Bibliography --- p.124

A comparative study of three six-axis force sensors selected after an extensive literature survey is presented. A sensor to measure ground contact force at each foot of a walking machine is recommended. Principles of force sensing are reviewed and characteristics of sensing elements are discussed. Results of simulation of three six-axis force sensors are presented as behavior curves, sensitivity plots and compliance matrices. These simulations use finite element techniques. Condition numbers of compliance matrices are presented as a measure of overall sensor performance. Estimates of manufacturing costs are included as a final selection criterion. / Graduation date: 1994

The development of modern industries calls for the robotic manipulators with high speed and accurate tracking performance. Many authors have paid attention to robust control of robotic manipulators; however, only few authors have also considered the control problem of manipulators with power limitation. In this dissertation, the robotic manipulator is modeled as an uncertain system, with such uncertainties as varying moments of inertia, damping and payloads during tracking. The resulting uncertain part of the system is norm-bounded by a known constant. The total control consists of a linear part with gain matrix K, and a nonlinear part Δv, typically used for control of uncertain dynamical systems. Saturation of the resulting controller is assumed, with bounds imposed by the power limitation of actuators. It is proved at the dissertation that such a system is globally uniformly practically stable. The distribution of the control power between two controllers is discussed. It is found that when small gain matrix K is used and Δv dominates the controller, the solution to the system can approach a smaller region with faster response; that is, higher tracking accuracy is obtained. Theoretical analysis is provided to support the proposed control scheme. A two-link robotic manipulator is simulated with the results confirming the prediction. / Graduation date: 1992