Dissertationen zum Thema „Collaborative mobile robot“

Cette thèse présente un nouveau concept de robots parallèles à câble mobile (RPCM) comme un nouveau système robotique. RPCM est composé d'un robot parallèle à câble (RPC) classique monté sur plusieurs bases mobiles. Les RPCMs combinent l'autonomie des robots mobiles avec les avantages des RPCs, à savoir un grand espace de travail, un rapport charge utile/poids élevé, une faible inertie de l'effecteur final, une capacité de déploiement et une reconfigurabilité. De plus, les RPCMs présentent une nouvelle innovation technique qui pourrait contribuer à apporter plus de flexibilité et de polyvalence par rapport aux solutions robotiques industrielles existantes. Deux prototypes de RPCMs appelés FASTKIT et MoPICK ont été développés au cours de cette thèse. FASTKIT est composé de deux bases mobiles portant une plate-forme mobile à six degrés de liberté, tirée par huit câbles, dans le but de fournir une solution robotique économique et polyvalente pour la logistique. MoPICK est composé d'une plate-forme mobile à trois degrés de liberté tirée par quatre câbles montés sur quatre bases mobiles. Les applications ciblées de MoPICK sont des tâches mobiles dans un environnement contraint, par exemple un atelier ou des opérations logistiques dans un entrepôt. Les contributions de cette thèse sont les suivantes. Tout d'abord, toutes les conditions nécessaires à l'atteinte de l'équilibre statique d'un RPCM sont étudiées. Ces conditions sont utilisées pour développer un algorithme de distribution de tension pour le contrôle en temps réel des câbles RPCM. Les conditions d'équilibre sont également utilisées pour étudier l'espace de travail clé en main des RPCMs. Ensuite, les performances cinématiques et les capacités de torsion des RPCMs sont étudiées. Enfin, la dernière partie de la thèse présente des stratégies de planification de trajectoires multiples pour les RPCMs afin de reconfigurer l'architecture géométrique du RPC pour réaliser la tâche souhaitée
This thesis presents a novel concept of Mobile Cable - Driven Parallel Robots (MCDPRs) as a new robotic system. MCDPR is composed of a classical C able - D riven P a rallel R obot (CDPR) mounted on multiple mobile bases. MCDPRs combines the autonomy of mobile robots with the advantages of CDPRs, namely, large workspace, high payload - to - weight ratio, low end - effector inertia, deployability and reconfigurability. Moreover , MCDPRs presents a new technical innovation that could help to bring more flexibility and versatility with respect to existing industrial robotic solutions. Two MCDPRs prototypes named FASTKIT and MoPICK have been developed during the course of this the sis. FASTKIT is composed of two mobile bases carrying a six degrees - of - freedom moving - platform, pulled by eight cables , with a goal to provide a low cost and versatile robotic solution for logistics. MoPICK is composed of a three degrees - of - freedom movi ng - platform pulled by four cables mounted on four mobile bases. The targeted applications of MoPICK are mobile tasks in a constrained environment, for example, a workshop or logistic operations in a warehouse. The contributions of this thesis are as follow s. Firstly, all the necessary conditions are studied that required to achieve the static equilibrium of a MCDPR . These conditions are used to develop a Tension Distribution Algorithm for the real time control of the MCDRP cables. The equilibrium conditions are also used to investigate the Wrench - Feasible - Workspace of MCDPRs. Afterwards, the kinematic performance and twist capabilities of the MCDPRs are investigated. Finally, the last part of the thesis presents multiple path planning strategies for MCDPRs i n order to reconfigure the CDPR’s geometric architecture for performing the desired task

The subject of this diploma thesis is the design of a conveyor superstructure of a collaborative mobile robot MiR. The first part is a theoretical research basis focused on mobile collaborative technologies and information related to Mobile industrial Robots. The following is a practical part built on previous acquired knowledge. The key issue of the solution is the logistics transport of the PCB magazine in the field of SMT industry. There are created two structural design variants of the superstructure arrangement for the transport of two binders and the most suitable variant is selected on the basis of the multicriteria basic method. The selected alternative of the conveyor top module is then subjected to design calculations. In order to obtain a comprehensive overview of the prototype production, the following section contains drawing documentation, including relevant comments, an economic cost estimate and a risk analysis.

Ces dernières années, la tendance des robots capables de partager des espaces domestiques ou de travail avec des personnes a connu une croissance importante. Du robot guide à l’aspirateur autonome, ces robots dits "de service" sont de plus en plus intégrés dans la vie quotidienne des profanes.Bien que les progrès des logiciels et du matériel aient permis un comportement plus intelligent et plus autonome des robots, la présence plus répandue des robots parmi les gens pose un nouvel ensemble de défis pour la communauté scientifique. Même si les gens ne sont pas que des obstacles ordinaires, les approches classiques de navigation se sont concentrées sur la garantie d’un mouvement sans collision en supposant que les gens sont soit des obstacles statiques, soit des obstacles en mouvement. Traiter les gens comme des obstacles ordinaires signifie qu’un robot est incapable de tenir compte de la réaction d’une personne au mouvement du robot. Pour cette raison, un mouvement donné d’un robot peut être perçu comme dangereux ou inhabituel, ce qui incite les gens à adopter un mouvement plus prudent pendant qu’ils réfléchissent activement aux intentions du robot. Dans ce contexte, notre travail se concentre sur la manière dont un robot doit se déplacer au milieu des gens, ce qu’on appelle un problème de Mouvement homme-robot. Plus précisément, nous nous concentrons sur la reproduction d’une caractéristique de l’interaction homme-homme lors de la prévention des collisions, à savoir le partage mutuel des adaptations effectuées pour résoudre une collision.Etant donné que les situations d’évitement des collisions entre les personnes sont résolues en coopération, cette thèse modélise la manière dont cette coopération se fait afin qu’un robot puisse reproduire leur comportement. Pour ce faire, des centaines de situations où deux personnes ont des trajectoires de croisement ont été analysées. À partir de ces trajectoires humaines impliquant une tâche d’évitement des collisions, nous avons déterminé comment l’effort total est partagé entre chaque agent en fonction de plusieurs facteurs de l’interaction tels que l’angle de croisement, le temps avant collision ainsi que la vitesse. Pour valider notre approche, une preuve de concept est intégrée dans le framework Robot Operating System (ROS) utilisant une version modifiée de Reciprocal Velocity Objects (RVO) afin de répartir l’effort d’évitement des collisions de façon humanoïde.Bien que la modélisation de la manière dont un robot devrait collaborer avec des personnes ait fourni une base de référence importante pour le comportement d’évitement des collisions, la collaboration pendant une collision pourrait éventuellement engendrer de conséquences négatives. En particulier, pour assurer une collaboration efficace lors de la prévention des collisions, il est nécessaire de prévoir si la personne tentera d’éviter la collision en passant du côté gauche ou du côté droit, c’est-à-dire en prenant une décision de classe homotopie. Cependant, à situation ou cette décision de classe d’homotopie n’est pas cohérente pour les gens, le robot est obligé de tenir compte de la possibilité que les deux agents tentent de se croiser d’un côté ou de l’autre et prennent une décision nuisible à la prévention des collisions.Ainsi, dans cette thèse, nous évaluons également ce qui détermine la frontière qui sépare la décision d’éviter la collision d’un côté ou de l’autre. En faisant une approximation de l’incertitude entourant cette limite, nous avons élaboré une stratégie d’évitement des collisions qui tente de résoudre ce problème. Notre approche est basée sur l’idée que le robot doit planifier son mouvement d’évitement des collisions de telle sorte que, même si les agents, dans un premier temps, choisissent à tort de se croiser sur des côtés différents, le robot et la personne soient capables de percevoir
Classical approaches for robot navigation among people have focused on guaranteed collision-free motion with the assumption that people are either static or moving obstacles. However, people are not ordinary obstacles. People react to the presence and the motion of a robot. In this context, a robot that behaves in human-like manner has been shown to reduce overall cognitive effort for nearby people as they do not have to actively think about a robot's intentions while moving on its proximity.Our work is focused on replicating a characteristic of human-human interaction during collision avoidance that is the mutual sharing of effort to avoid a collision. Based on hundreds of situations where two people have crossing trajectories, we determined how total effort is shared between agents depending on several factors of the interaction such as crossing angle and time to collision. As a proof of concept our generated model is integrated into gls{rvo}. For validation, the trajectories generated by our approach are compared to the standard gls{rvo} and to our dataset of people with crossing trajectories.Collaboration during collision avoidance is not without its potential negative consequences. For effective collaboration both agents have to pass each other on the same side. However, whenever the decision of which side collision should be avoided from is not consistent for people, the robot should also account for the risk that both agents will attempt to incorrectly cross each other on different sides. Our work first determines the uncertainty around this decision for people. Based on this, a collision avoidance approach is proposed so that, even if agents initially choose to incorrectly attempt to cross each other on different sides, the robot and the person would be able to perceive the side from which collision should be avoided in their following collision avoidance action. To validate our approach, several distinct scenarios where the crossing side decision is ambiguous are presented alongside collision avoidance trajectories generated by our approach in such scenarios

This thesis presents a possible inexpensive and simple solution for humanitarian demining in developing countries. It consists of a group of mobile robots that can advance and interact collaboratively with each other in a mine field. A base station controls the group and can map their position with the aid of a long range positioning system, thus, identify the landmine position when one is detected by a robot. A short range positioning system is used within the group to measure the distance separating them from one another and the geometry of the formation. A prototype battery powered mobile robot platform has been developed and tested. Electronic hardware and software was designed and built to allow for low level control of the movements of the vehicle and for wireless communications with a base station. The base station exercises high level control over the mobile robot. A positioning system consisting of a long and a short range positioning system has been designed. The short range positioning system, which uses sonic waves within the audible frequency range, has been implemented and tested. Operating within the audible frequency range reduces the sensory system cost and results in an omni-directional range measuring system. The system provides sub-wavelength precision with an absolute error less than 2 cm for distances from 1 m to 4 m at a 5 KHz frequency.

Dans un contexte d’Industrie 4.0, on perçoit de nouveaux usages possibles des manipulateurs mobiles (MMs), des robots généralement obtenus par l’association d’un bras manipulateur et d’une plate-forme mobile. Ce travail de thèse se focalise sur la synthèse et la commande de nouveaux MMs coopératifs en définissant trois défis à relever. Le premier défi concerne l’élargissement des domaines d’utilisation des robots par la possibilité de leur utilisation coopérative. Nous définissons ainsi un système robotique modulaire basé sur l’utilisation d’entités robotiques appelés mono-robots (m-bots). Ceux-ci sont des MMs qui peuvent se réarranger sous forme de poly-robot (p-bot) pour réaliser une tâche en collaboration. Le deuxième défi se focalise sur la définition de l’architecture cinématique élémentaire de ces robots. Ainsi, nous proposons une démarche générique de synthèse structurale qui permet l’obtention de plusieurs architectures de m-bots respectant les cahiers des charges relatifs à la tâche en tant que m-bot, mais aussi en tant que p-bot pour un environnement considéré. Cette démarche est basée sur l’analyse structurale des MMs à l’aide des paramètres structuraux des mécanismes (connectivité, mobilité, redondance et hyperstatisme). Le troisième défi proposé est d’arriver à modéliser et contrôler les architectures de MMs synthétisées pour la tâche. Deux lois de commande (PID et hybride force-position) sont proposées pour la réalisation de la tâche considérée. Leur validation a été réalisée grâce à des simulations avancées
In recent years, the concept of Industry 4.0 has led to new possibilities of use for mobile manipulators (MMs) that are generally made of a manipulator arm mounted on a mobile base. The current Ph.D. is focused on the synthesis and control of new cooperative MMs by defining three challenges. The first challenge concerns the widening of the fields of application of robots. Therefore, we define a modular robotic system based on the use of multiple MMs (mono robots or m-bots) that can be used as a global system (poly-robot or p-bot) for collaborative tasks. The second challenge concerns the definition of the kinematic structure of the MMs. We propose a new generic method of structural synthesis that allows to obtain multiple kinematic architectures for m-bots that respect the constraints imposed by the task and the workspace. This method is based on structural analysis of MMs by the evaluation of the structural parameters (connectivity, mobility, redundancy and overconstraint). The last challenge concerns the modelling and control of the new architectures for the new fields of application. Two control laws (PID control and hybrid force-position control) are proposed in order to realise the considered task. Their validation is done with advanced simulations

L'objectif du travail proposé est de concevoir et commander un groupe des robots mobiles similaires et d'architecture simple appelés m-bots (mono-robots). Plusieurs m-bots ont la capacité de saisir ensemble un objet afin d'assurer sa co-manipulation et son transport quelle que soit sa forme et sa masse. Le robot résultant est appelé p-bot (poly-robot) et est capable d'effectuer des tâches de déménageur pour le transport d'objets génériques. La reconfigurabilité du p-bot par l'ajustement du nombre des m-bots utilisés permet de manipuler des objets lourds et des objets de formes quelconques (particulièrement s'ils sont plus larges qu'un seul m-bot). Sont considérés dans ce travail l'évitement d'obstacle ainsi que la stabilité du p-bot incluant la charge à transporter. Une cinématique pour un mécanisme de manipulation a été proposée et étudiée. Ce dernier assure le levage de la charge et son dépôt sur le corps des robots pour la transporter. Plusieurs variantes d'actionnement ont été étudiées : passif, avec compliance et actionné. Un algorithme de positionnement optimal des m-bots autour de l'objet à manipuler a été proposé afin d'assurer la réussite de la tâche à effectuer par les robots. Cet algorithme respecte le critère de "Force Closure Grasping" qui assure la stabilité de la charge durant la phase de manipulation. Il maintient aussi une marge de stabilité statique qui assure la stabilité de l'objet durant la phase de transport. Enfin, l'algorithme respecte le critère des zones inaccessibles qui ne peuvent pas être atteintes par les m-bots. Une loi de commande a été utilisée afin d'atteindre les positions désirées pour les m-bots et d'assurer la navigation en formation, durant la phase du transport, durant laquelle chaque robot élémentaire doit maintenir une position désirée par rapport à l'objet transporté. Des résultats de simulation pour un objet de forme quelconque, décrite par une courbe paramétrique, sont présentés. Des simulations 3D en dynamique multi-corps ainsi que des expériences menées sur les prototypes réalisés ont permis de valider nos propositions
Our goal in the proposed work is to design and control a group of similar mobile robots with a simple architecture, called m-bot. Several m-bots can grip a payload, in order to co-manipulate and transport it, whatever its shape and mass. The resulting robot is called a p-bot andis capable to solve the so-called "removal-man task" to transport a payload. Reconfiguring the p-bot by adjusting the number of m-bots allows to manipulate heavy objects and to manage objects with anyshape, particularly if they are larger than a single m-bot. Obstacle avoidance is addressed and mechanical stability of the p-bot and its payload is permanently guaranteed. A proposed kinematic architecture for a manipulation mechanism is studied. This mechanism allows to lift a payload and put it on them-bot body in order to be transported. The mobile platform has a free steering motion allowing the system maneuver in any direction. An optimal positioning of the m-bots around the payload ensures a successful task achievement without loss of stability for the overall system. The positioning algorithm respects the Force Closure Grasping (FCG) criterion which ensures the payload stability during the manipulation phase. It respects also the Static Stability Margin (SSM) criterion which guarantees the payload stability during the transport. Finally, it considers also the Restricted Areas (RA) that could not be reached by the robots to grab the payload. A predefined control law is then used to ensure the Target Reaching (TR) phase of each m-bot to its desired position around the payload and to track a Virtual Structure (VS), during the transportation phase, in which each elementary robot has to keep the desired position relative to the payload. Simulation results for an object of any shape, described by aparametric curve, are presented. Additional 3D simulation results with a multi-body dynamic software and experiments by manufactured prototypes validate our proposal

Orientadores: João Maurício Rosário, Humberto Ferasoli Filho
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Made available in DSpace on 2018-08-19T15:08:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alves_SilasFrancodosReis_M.pdf: 3766365 bytes, checksum: dbbe1298b44cd06d13a9d2e56dfe873e (MD5) Previous issue date: 2011
Resumo: A navegação e a colaboração são aspectos importantes da robótica móvel. A navegação confere aos robôs móveis as habilidades básicas de interação com o ambiente, os obstáculos e agentes nele situado. Já a colaboração permite que os robôs coordenem sua navegação e interação com o ambiente de forma que os permita realizar tarefas complexas de forma rápida e eficiente. Neste trabalho de pesquisa foi desenvolvida uma plataforma de software que oferece suporte a algumas técnicas tradicionais de navegação e colaboração de robôs móveis. Com esta plataforma, é possível programar diferentes robôs com os mesmos componentes de software, o que reduz o tempo de desenvolvimento do aplicativo ao incentivar o reuso de software. Além disso, as técnicas de navegação e colaboração fornecidas pela plataforma amenizam o esforço em desenvolver o software de controle para robôs móveis colaborativos, pois a plataforma permite que o usuário concentre seus esforços na solução dos problemas pertinentes a aplicação do robô, uma vez que as técnicas de navegação e colaboração são fornecidas pela plataforma
Abstract: The navigation and collaboration are important aspects of mobile robotics. The navigation provides to mobile robots the basic skills of interaction with the environment, and the obstacles and agents located therein. The collaboration allows the robots to coordinate their navigation and interaction with the environment in a way that enables them to per-form complex tasks quickly and efficiently. This research project developed a software plat-form that supports some traditional navigation techniques and collaboration of mobile robots. With this platform, different robots can be programmed with the same software components, reducing the application's development time by encourage software reuse. Furthermore, the techniques of navigation and collaboration provided by the platform alleviate the effort to develop the control software for collaborative mobile robots, because the plat-form allows the user to focus their efforts on solving the problems relevant to the robot's application, since the navigation techniques and collaboration are provided by the platform
Mestrado
Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico
Mestre em Engenharia Mecânica

Évaluer un comportement humain c’est évaluer tous les marqueurs traduisant ce comportement (gestes, paroles interactions, etc.). L’observation par un humain de certains marqueurs tels que les expressions faciales, la prosodie ou encore la linguistique, nécessite une formation spécialisée. Pour faciliter l’évaluation du comportement, des échelles indiquant les observations à mener et les conclusions à faire sont employées. Ainsi, automatiser l’évaluation du comportement revient à automatiser l’analyse d’un environnement par le biais de plusieurs capteurs, puis analyser les signaux obtenus afin d’en extraire les marqueurs permettant la déduction du comportement observé. Suite à la variabilité des observations de l’humain lors d’analyses trop spécifiques, de plus en plus d’études emploient ces systèmes automatiques d’observation et d’évaluation du comportement. L’objectif est d’assister l’analyse et l’évaluation humaine en exploitant des systèmes automatiques capables d’extraire des informations difficilement observables pour l’humain. En conséquence, la collaboration entre l’humain et les systèmes informatiques permet d’analyser plus d’éléments du comportement de manière fiable et objective. Cette thèse propose une approche de l’analyse du comportement s’appuyant sur la collaboration entre l’humain et un système automatique. Nous avons mis en place une plate-forme électronique et informatique composée d’un robot mobile et d’un système ambiant afin d’évaluer le comportement humain. Cette plate-forme se définie comme étant : — Modulaire à l’ajout ou le retrait de capteurs : L’ajout et la suppression de capteurs est faisable sans qu’un système ne soit impacté autrement que sur ses performances à reconnaître précisément les comportements; — Accessible à la lecture des données enregistrées : L’utilisation d’ontologies, en tant que base de données sémantiques et logiques, rend la plate-forme utilisable et accessible aux personnes non familiarisées aux systèmes informatiques complexes; — Robuste aux ambiguïtés : Chaque système de la plate-forme (ambiant ou robot) est indépendant et a sa propre représentation de l’environnement. Cependant, ils collaborent entre eux pour répondre aux incohérences ou aux manques d’informations durant l’accomplissement d’une tâche. A partir de la plate-forme présentée précédemment, nous analysons et mesurons la qualité de l’interaction entre un patient et un soignant lors d’une prise de sang réalisée en conditions habituelles. Pour cela, nous utilisons deux méthodes de renseignement des échelles : par un observateur présent lors du soin et par une étude de l’enregistrement vidéo réalisé durant le soin par la plate-forme. Nous émettons l’hypothèse que la présence d’un système automatique d’aide au diagnostic lors de l’analyse des vidéos enregistrées limite la complexité de l’évaluation du comportement et améliore l’objectivité de l’analyse
To evaluate a human behavior is equivalent to evaluate all the markers translating this behavior (gestures, lyrics interactions, etc.). The observation by a human of certain markers such as facial expressions, prosody or linguistics, requires specialized training. To facilitate the assessment of behavior, scales indicating the observations to be made and the conclusions to be made are used. Thus, automating the evaluation of the behavior amounts to automate the analysis of an environment by means of several sensors, then analyzing the signals obtained in order to extract the markers allowing the deduction of the observed behavior. Due to the variability of human observations in overly specific analyzes, more and more studies are using thes automatic observation and behavioral evaluation systems. The objective is to assist human analysis and evaluation by exploiting automatic systems capable of extracting information that is difficult to observe for humans. As a result, the collaboration between the human and the computer systems makes it possible to analyze more elements of the behavior in a reliable and objective way. This thesis proposes an approach of behavior analysis based on the collaboration between humans and an automatic system. We set up an electronic and computer platform consisting of a mobile robot and an ambient system to evaluate human behavior. This platform is defined as: — Modular to the addition or removal of sensors: The addition and removal of sensors is feasible without a system is impacted otherwise than its performance to accurately recognize behaviors; — Accessible to Reading Recorded Data: The use of ontologies, as a semantic and logical database, makes the platform usable and accessible to people unfamiliar With complex computer systems; — Robust to ambiguities: every platform system (ambient or robot) is independent and has its own representation of the environment. However, they collaborate With each Other to respond to inconsistencies or lack of information during the performance of a task

Ce manuscrit expose notre travail dans le cadre du projet IWARD et détaille la couche de gestion et de décision du groupement de robots. Ce projet avait comme objectif d’assister le personnel médical dans leur travail, ceci est réalisé en utilisant des robots mobiles, reconfigurables, et rechargeables. Ces robots sont conçus pour effectuer des taches logistiques comme : Le transport de médicaments, le nettoyage, le guidage des patients, la surveillance et la téléconsultation. Dans la première partie de la thèse nous présenterons le problème stratégique qui consiste à déterminer les plannings de rechargement des robots, la configuration des robots opérationnels ainsi que la localisation des stations d’attentes des robots lorsqu’ils sont en état de veille. Différentes hiérarchies à plusieurs niveaux de décisions, sont formulées comme des programmes linéaires en nombres entiers. Des formulations utilisant l’approche de génération de colonnes sont aussi développées pour résoudre ces problèmes. Dans la deuxième partie, le problème tactique est exposé, ceci consiste à affecter les taches arrivantes aux différents robots et d’ordonnancer dynamiquement l’exécution ces missions. Deux approches sont inspectées une version centralisée utilisant les algorithmes évolutionnaires et une autre version distribuée utilisant les algorithmes d’enchères inversées. Afin de mettre à l épreuve ces deux approches, une simulation a événements discrets a été conçue et développée spécifiquement pour le projet, permettant ainsi d’évaluer ces deux approches
Due to the expansion of the life duration and the shortage of medical personal in hospitals the EU funded IWARD project as part of the IFP6 program. The aims of this project were to assist the medical personnel in logistic and non medical tasks (transport, cleaning, environmental monitoring, guidance and tele-monitoring) through the usage of mobile, reconfigurable, rechargeable robots, thus letting the Medical staff to concentrate on medical aspects of their work.This thesis was part of this project, and our work consisted on developing a decision making framework for the team of robots.In the first part of the thesis, we address the strategic decisions essentially the: (i) the robots’ home station location problem, (ii) Robot‘s reconfiguration problems and (iii) Robots recharging scheduling. We formulate those problems as a linear problems and we propose to solve them using Mixed Integer Programming (MIP). We also present a formulation using a column generation approach to solve those problems.In the later part we address the tactical problems, mainly the mission assignment, the mission scheduling and rescheduling. We present two different approaches; a centralized decision finder implemented using genetic algorithms. And a decentralized approach using auction like and market based algorithms in order to provided collaborative decision making framework.Finally we compare those two approaches using a custom made discrete event simulation (DES)

We examined the design, development and implementation of a modular system of multiple, wheeled mobile manipulators that can team up to cooperatively transport a large common object. Each individually autonomous mobile manipulator consists of a differentially driven wheeled mobile robot (WMR) with a passive, two-degree-of-freedom, planar revolute jointed arm mounted in the plane parallel to the base of the WMR.
The composite multi-degree-of-freedom vehicle, formed by placing a common object on the end-effector of two such mobile manipulator systems, possesses the ability to change its relative configuration as well as accommodate relative positioning errors of the mobile bases. However, closed kinematic loops are also formed constraining the relative motions of the overall system and requiring a careful treatment.
Two variants of the control schemes developed for mobile manipulators are adapted for the control of the overall collaborating system of two mobile manipulators carrying a common object along a desired trajectory. (Abstract shortened by UMI.)

Cette thèse propose des modèles cartographiques à grande échelle d'environnements urbains et ruraux à l'aide de données en 3D acquises par plusieurs robots. La mémoire contribue de deux manières principales au domaine de recherche de la cartographie. La première contribution est la création d'une nouvelle structure, CoMapping, qui permet de générer des cartes 3D de façon collaborative. Cette structure s’applique aux environnements extérieurs en ayant une approche décentralisée. La fonctionnalité de CoMapping comprend les éléments suivants : Tout d’abord, chaque robot réalise la construction d'une carte de son environnement sous forme de nuage de points.Pour cela, le système de cartographie a été mis en place sur des ordinateurs dédiés à chaque voiture, en traitant les mesures de distance à partir d'un LiDAR 3D se déplaçant en six degrés de liberté (6-DOF). Ensuite, les robots partagent leurs cartes locales et fusionnent individuellement les nuages de points afin d'améliorer leur estimation de leur cartographie locale. La deuxième contribution clé est le groupe de métriques qui permettent d'analyser les processus de fusion et de partage de cartes entre les robots. Nous présentons des résultats expérimentaux en vue de valider la structure CoMapping et ses métriques. Tous les tests ont été réalisés dans des environnements extérieurs urbains du campus de l’École Centrale de Nantes ainsi que dans des milieux ruraux
This thesis proposes large-scale mapping model of urban and rural environments using 3D data acquired by several robots. The work contributes in two main ways to the research field of mapping. The first contribution is the creation of a new framework, CoMapping, which allows to generate 3D maps in a cooperative way. This framework applies to outdoor environments with a decentralized approach. The CoMapping's functionality includes the following elements: First of all, each robot builds a map of its environment in point cloud format.To do this, the mapping system was set up on computers dedicated to each vehicle, processing distance measurements from a 3D LiDAR moving in six degrees of freedom (6-DOF). Then, the robots share their local maps and merge the point clouds individually to improve their local map estimation. The second key contribution is the group of metrics that allow to analyze the merging and card sharing processes between robots. We present experimental results to validate the CoMapping framework with their respective metrics. All tests were carried out in urban outdoor environments on the surrounding campus of the École Centrale de Nantes as well as in rural areas

Ce manuscrit expose notre travail dans le cadre du projet IWARD et détaille la couche de gestion et de décision du groupement de robots. Ce projet avait comme objectif d'assister le personnel médical dans leur travail, ceci est réalisé en utilisant des robots mobiles, reconfigurables, et rechargeables. Ces robots sont conçus pour effectuer des taches logistiques comme : Le transport de médicaments, le nettoyage, le guidage des patients, la surveillance et la téléconsultation. Dans la première partie de la thèse nous présenterons le problème stratégique qui consiste à déterminer les plannings de rechargement des robots, la configuration des robots opérationnels ainsi que la localisation des stations d'attentes des robots lorsqu'ils sont en état de veille. Différentes hiérarchies à plusieurs niveaux de décisions, sont formulées comme des programmes linéaires en nombres entiers. Des formulations utilisant l'approche de génération de colonnes sont aussi développées pour résoudre ces problèmes. Dans la deuxième partie, le problème tactique est exposé, ceci consiste à affecter les taches arrivantes aux différents robots et d'ordonnancer dynamiquement l'exécution ces missions. Deux approches sont inspectées une version centralisée utilisant les algorithmes évolutionnaires et une autre version distribuée utilisant les algorithmes d'enchères inversées. Afin de mettre à l épreuve ces deux approches, une simulation a événements discrets a été conçue et développée spécifiquement pour le projet, permettant ainsi d'évaluer ces deux approches.

L’utilisation de robots collaboratifs dans l’industrie de production est en plein essor. Ces robots, dont la puissance est limitée, sont dotés de capteurs leur permettant de détecter la présence d’obstacles, afin de garantir la sécurité des humains se trouvant aux alentours. On s’intéresse dans cette thèse à l’utilisation de systèmes redondants, collaboratifs et mobiles (bras articulés montés sur plateformes mobiles), dans un environnement de production aéronautique peuplé d’humains, pour la réalisation d’opérations d’assemblage. Du point de vue des process, l’utilisation de ces systèmes, souvent beaucoup moins imposants et rigides que leurs homologues non collaboratifs, est jalonnée de défis. La grande souplesse mécanique et les faibles couples qui les caractérisent peuvent induire des imprécisions de positionnement et une incapacité à soutenir l’intensité d’une interaction physique. Ce contexte induit également un besoin d’autonomie de ces systèmes, qui sont amenés à travailler dans des environnements en perpétuelle évolution. Dans cette thèse, une formulation de la redondance cinématique est d’abord présentée. Le formalisme associé permet de simplifier l’exploitation de la liberté que ces systèmes possèdent sur le choix des postures à utiliser pour réaliser des tâches de placement statique de l’effecteur. Ce formalisme est ensuite exploité pour améliorer et caractériser le comportement en déformation et la capacité d’application d’efforts des systèmes redondants sériels. Enfin, le sujet de la planification des mouvements de systèmes robotisés dans un environnement dynamique et encombré est considéré. La solution présentée adapte l’algorithme bien connu des Probabilistic RoadMaps pour y inclure une anticipation des trajectoires des obstacles dynamiques. Cette solution permet de planifier des mouvements sécuritaires, peu intrusifs et efficaces, jusqu’à la destination
Industrial applications involving collaborative robots are regarded with a growing interest. These power-limited systems are embedded with additional sensing capabilities, which allow them to safely work around humans and conquer new industrial grounds. The subject of managing redundant, collaborative and mobile systems, for assembly operations within a human-populated aircraft production environment, is addressed in this thesis. From a process perspective, the use of these smaller and less stiff counterparts of the non-collaborative robots comes with new challenges. Their high mechanical flexibility and weak actuation can cause shortcomings in positioning accuracy or for interaction force sustainment. The ever-changing nature of human-populated environments also requires highly autonomous solutions. In this thesis, a formulation of positional redundancy is presented. It aims at simplifying the exploitation of the freedom redundant manipulators have on static-task-fulfilling postures. The associated formalism is then exploited to characterise and improve the deformational behaviour and the force capacity of redundant serial systems. Finally, the subject of planning motions within cluttered and dynamic environments is addressed. An adaptation of the well-known Probabilistic RoadMaps method is presented – to which obstacles trajectories anticipation has been included. This solution allows to plan safe, efficient and non-intrusive motions to a given destination

Ces travaux concernent l'elaboration d'une stratégie de commande décentralisée réactive pour une flottille de robots mobiles terrestres. Cette stratégie de commande est basée sur un contrôle décentralisé qui s'appuie sur le principe Leader-Follower utilisant à la fois des informations de positionnement absolu (GPS) et relatif entre véhicules (niveau de réception des liens WiFi) ainsi que des informations d'existence d'obstacles de proximités (capteurs ultra-sons). Cette méthode permet d'intégrer et d'optimiser à chaque instant ces diverses contraintes afin de générer un chemin faisable. Mais également de maintenir la flotille dans une forme géometrique donnée, avec un niveau de réception des transmissions entre les véhicules minimal, tout en évitant d'éventuels obstacles.

Human-Robot Collaboration (HRC), where both humans and robots work in the same environment simultaneously, is an emerging field and has increased massively during the past decade. For this collaboration to be feasible and safe, robots need to perform a proper safety analysis to avoid hazardous situations. This safety analysis procedure involves complex computer vision tasks that require a lot of processing power. Therefore, robots with constrained computing resources cannot execute these tasks without any delays, thus for executing these tasks they rely on edge infrastructures, such as remote computational resources accessible over wireless communication. In some cases though, the edge may be unavailable, or connection to it may not be possible. In such cases, robots still have to navigate themselves around the environment, while maintaining high levels of safety. This thesis project focuses on reducing the complexity and the total number of parameters of pre-trained computer vision models by using model compression techniques, such as pruning and knowledge distillation. These model compression techniques have strong theoretical and practical foundations, but work on their combination is limited, therefore it is investigated in this work. The results of this thesis project show that in the test cases, up to 90% of the total number of parameters of a computer vision model can be removed without any considerable reduction in the model’s accuracy.
Människa och robot samarbete (förkortat HRC från engelskans Human-Robot Collaboration), där både människor och robotar arbetar samtidigt i samma miljö, är ett växande forskningsområde och har ökat dramatiskt över de senaste decenniet. För att detta samarbetet ska vara möjligt och säkert behöver robotarna genomgå en ordentlig säkerhetsanalys så att farliga situationer kan undvikas. Denna säkerhetsanalys inkluderar komplexa Computer Vision uppgifter som kräver mycket processorkraft. Därför kan inte robotar med begränsad processorkraft utföra dessa beräkningar utan fördröjning, utan måste istället förlita sig på utomstående infrastruktur för att exekvera dem. Vid vissa tillfällen kan dock denna utomstående infrastruktur inte finnas på plats eller vara svår att koppla upp sig till. Även vid dessa tillfällen måste robotar fortfarande kunna navigera sig själva genom en lokal, och samtidigt upprätthålla hög grad av säkerhet. Detta projekt fokuserar på att reducera komplexiteten och det totala antalet parametrar av för-tränade Computer Vision-modeller genom att använda modellkompressionstekniker så som: Beskärning och kunskapsdestilering. Dessa modellkompressionstekniker har starka teoretiska grunder och praktiska belägg, men mängden arbeten kring deras kombinerade effekt är begränsad, därför är just det undersökt i detta arbetet. Resultaten av det här projektet visar att up till 90% av det totala antalet parametrar hos en Computer Vision-modell kan tas bort utan någon noterbar försämring av modellens säkerhet.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la manipulation et de la coordination robotique à deux bras ayant pour objectif le développement d'une approche unifiée dont différentes tâches seront décrites dans le même formalisme. Afin de fournir un cadre théorique compact et rigoureux, les techniques présentées utilisent les quaternions duaux afin de représenter les différents aspects de la modélisation cinématique ainsi que de la commande. Une nouvelle représentation de la manipulation à deux bras est proposée - l'espace dual des tâches de coopération - laquelle exploite l'algèbre des quaternions duaux afin d'unifier les précédentes approches présentées dans la littérature. La méthode est étendue pour prendre en compte l'ensemble des chaînes cinématiques couplées incluant la simulation d'un manipulateur mobile. Une application originale de l'espace dual des tâches de coopération est développée afin de représenter de manière intuitive les tâches principales impliquées dans une collaboration homme-robot. Plusieurs expérimentations sont réalisées pour valider les techniques proposées. De plus, cette thèse propose une nouvelle classe de tâches d'interaction homme-robot dans laquelle le robot contrôle tout les aspects de la coordination. Ainsi, au-delà du contrôle de son propre bras, le robot contrôle le bras de l'humain par le biais de la stimulation électrique fonctionnelle (FES) dans le cadre d'applications d'interaction robot / personne handicapée. Grâce à cette approche générique développée tout au long de cette thèse, les outils théoriques qui en résultent sont compacts et capables de décrire et de contrôler un large éventail de tâches de manipulations robotiques complexes.

Ces dernières années, de nombreux travaux ont été menés afin de fournir une estimation précise de l’état d’un système dynamique. Dans cette thèse, nous ciblons les systèmes composés de sous-systèmes collaboratifs possédant une multitude de capteurs. Nous proposons un filtre combinant les avantages du filtre de Kalman et du filtre informationnel, nécessitant une charge de calculs bien moins élevée. Afin de prendre en compte la méconnaissance des covariances des mesures, une fusion multi-capteurs basée sur l'intersection des covariances est analysée en termes de charge calculatoire. Trois architectures de fusion multi-capteurs sont dès lors considérées. On réalise, sur les différents composants de ces architectures, une analyse fine de la répartition de la charge calculatoire du filtre et de l’algorithme d’intersection des covariances. Dans l’objectif de rendre un système tolérant aux défauts, des méthodes statistiques informationnelles sont développées. Elles sont applicables à toute méthode basée sur le rapport de vraisemblance généralisé, entraînant un seuillage adaptatif de ce rapport. Leurs mises en œuvre à travers deux types de cartes de contrôle permettent une détection rapide des défaillances des capteurs. Nos approches théoriques sont validées à travers un système de robots mobiles collaboratifs. Nous intégrons une phase de diagnostic et de détection de défauts des capteurs. Celle-ci est basée sur l’intégration de ces méthodes statistiques informationnelles dans le processus de fusion et d’estimation composé d’un filtre bayésien et de l’intersection des covariances. L’objectif est d’assurer une navigation autonome sûre, précise et tolérante aux défaillances des capteurs. Enfin, nous présentons une preuve de concept d'une méthode de contrôle et d'évaluation non destructive des matériaux dans l’environnement immédiat des robots. En particulier, il s'agit d'introduire un capteur hyperfréquence pour l'interaction entre l'onde électromagnétique propagée et le matériau sous investigation. Cette méthode, connue sous le vocable radar, a connu un essor grandissant dans les laboratoires de recherche et dans les applications courantes liées notamment à la mesure de vitesse. Néanmoins, sa transposition sur des robots mobiles collaboratifs demeure un challenge pour adresser l'évaluation sans contact de matériaux, notamment en environnement sévère. Elle consiste à déterminer les caractéristiques du matériau sous test à l'aide de capteurs micro-ondes embarqués
In the recent years, there was a growing interest to provide an accurate estimate of the state of a dynamic system for a wide range of applications. In this work, we target systems built up with several collaborative subsystems integrating various heterogeneous sensors. We introduce a filter concept that combines the advantages of both Kalman and informational filters to achieve low computational load. To consider any system whose measurement covariances are incomplete or unknown, a multi-sensor fusion based on the covariance intersection is analyzed in terms of calculation burden. Three multi-sensor fusion architectures are then considered. A fine analysis of the calculation load distribution of the filter and the covariance intersection algorithm is performed on the different components of these architectures. To make the system fault tolerant, informational statistical methods are developed. They are applicable to any method based on the generalized likelihood ratio. They lead to an adaptive threshold of this ratio. The technique has been implemented considering two types of control charts for the fast detection of sensor failures. Our theoretical approaches are validated through a system of collaborative mobile robots. We integrate a diagnosis and fault detection phase, which is based on the integration of these informational statistical methods into the fusion and estimation process, the latter being composed of a Bayesian filter and the covariance intersection. The main objective is to ensure that this system provides safe, accurate and fault-tolerant autonomous navigation. Finally, we present a proof-of-concept method for nondestructive and evaluation of materials in close proximity of the robot environment. In particular, we introduce a microwave sensor to characterize the electromagnetic wave to material under test interaction. This technique, known under the name radar, had a growing interest in academic laboratories and for usual applications related to speed measurements. Nevertheless, its adaptation to collaborative mobile robots remains a challenging task to address contactless characterization of materials, especially in harsh environments. This latter consists to determine the material characteristics from embedded microwave sensors

Ce travail propose de nouvelles stratégies pour la planification et le contrôle des robots mobiles non-holonomes, de nouveaux algorithmes sont proposés. Tout d'abord, l'identification des différents modèles cinématiques de robot mobiles est discutée, et le problème est formulé comme l'identification en temps réel du signal de commutation d'un système singulier non-linéaire et à commutation. Deuxièmement, sur la base du modèle identifié, un algorithme de planification locale est proposé, et le contour irrégulier de l' obstacle est représenté par des segments. La trajectoire est obtenue en résolvant un problème de commande optimale avec contraintes. Troisièmement, nous appliquons un contrôleur i-PID pour contrôler le robot mobile non-holonome avec la perturbation dans les mesures. Un paramètre de commutation α est proposé en raison de la particularité du système non-holonome. En plus de notre algorithme de planification proposé, une autre approche de planification en utilisant de champs de potentiels est proposée. La nouvelle fonction de champ de potentiel est en mesure de résoudre les problèmes de minima locaux et de produire des forces lisses pour éviter les oscillations. Enfin, une approche de planification coopérative entre robots est proposée en utilisant les informations locales partagées par chaque robot. Le graphe de visibilité est utilisé pour générer une série d'objectifs intermédiaires qui assureront aux robots d'atteindre l'objectif final, et un algorithme est proposé pour étendre les obstacles et fusionner les obstacles lorsque deux obstacles s'entrecroisent

Ce travail traite de l'évitement d'obstacles pour les robots mobiles à roues. D’abord, deux solutions sont proposées dans le cas d’un seul robot autonome. La première est une amélioration de la technique des champs de potentiel afin de contraster l’apparition de minima locaux. Le résultat se base sur l’application de la définition de l’ «Input-to-State Stability» pour des ensembles décomposables. Chaque fois que le robot mobile approche un minimum local l’introduction d’un contrôle dédié lui permet de l’éviter et de terminer la tâche. La deuxième solution se base sur l’utilisation de la technique du «Supervisory Control» qui permet de diviser la tâche principale en deux sous tâches : un algorithme de supervision gère deux signaux de commande, le premier en charge de faire atteindre la destination, le deuxième d’éviter les obstacles. Les deux signaux de commande permettent de compléter la mission en temps fini en assurant la robustesse par rapport aux perturbations représentant certaines dynamiques négligées. Les deux solutions ont été mises en service sur un robot mobile «Turtlebot 2». Pour contrôler une formation de type leader-follower qui puisse éviter collisions et obstacles, une modification de l’algorithme de supervision précédent a été proposée ; elle divise la tâche principale en trois sous-problèmes gérés par trois lois de commande. Le rôle du leader est adapté pour être la référence du groupe avec un rôle actif : ralentir la formation en cas de manœuvre d'évitement pour certains robots. La méthode proposée permet au groupe de se déplacer et à chaque agent d’éviter les obstacles, ou les collisions, de manière décentralisée
This dissertation work addresses the obstacle avoidance for wheeled mobile robots. The supervisory control framework coupled with the output regulation technique allowed to solve the obstacle avoidance problem and to formally prove the existence of an effective solution: two outputs for two objectives, reaching the goal and avoiding the obstacles. To have fast, reliable and robust results the designed control laws are finite-time, a particular class very appropriate to the purpose. The novelty of the approach lies in the easiness of the geometric approach to avoid the obstacle and on the formal proof provided under some assumptions. The solution have been thus extended to control a leader follower formation which, sustained from the previous result, uses two outputs but three controls to nail the problem. The Leader role is redesigned to be the reference of the group and not just the most advanced agent, moreover it has a active role slowing down the formation in case of collision avoidance manoeuvre for some robots. The proposed method, formally proven, makes the group move together and allow each agent to avoid obstacles or collision in a decentralized way. In addition, a further contribution of this dissertation, it is represented by a modification of the well known potential field method to avoid one of the common drawback of the method: the appearance of local minima. Control theory tools helps again to propose a solution that can be formally proven: the application of the definition of Input-to-State Stability (ISS) for decomposable sets allows to treat separate obstacles adding a perturbation which is able to move the trajectory away from a critic point

Cette thèse propose un nouveau concept de robot de manipulation aérienne appelé Flying Gripper. Ce robot est un manipulateur aérien, destiné à la saisie, la manipulation et le transport de grands objets de manière autonome. Le robot Flying Gripper est composé de quatre quadrotors, de quatre doigts auto-adaptatifs et d'un châssis. Les principaux apports de ces travaux sont: (1) un concept mécanique original reposant sur l'utilisation de plusieurs quadrotors et tirant parti de la rotation en lacet des quadrotors pour actionner un mécanisme de préhension auto-adaptatif et intrinsèquement sûr (2) une méthode pour analyser des torseurs disponibles en tenant compte des contraintes d'égalité et d'inégalité imposées par les limites d'actionnement, les butées mécaniques et les relations d'équilibre; (3) une commande prédictive permettant de manipuler l'objet saisie avec une masse, des inerties et un centre de masse inconnus; (4) un algorithme d'allocation de contrôle dynamique pour la distribution de l'effort de contrôle, de manière à optimiser l'efficacité énergétique et à assurer la continuité de la commande, en considérant les limites mécaniques du robot.Des simulations numériques et des tests expérimentaux ont été effectués pour valider les performances du contrôleur
This thesis proposes a new concept of aerial manipulation robot named Flying Gripper that is intended to perform grasping, manipulating, and transporting of large objects autonomously. The Flying Gripper robot is composed of four quadrotors, four self-adaptive fingers and a body structure. The main contributions of these works are: (1) an original mechanical concept using multiple quadrotors to obtain full manipulability in SE(3) and taking advantage of their yaw rotations to actuate a self-adaptive and intrinsically safe grasping mechanism; (2) a wrench capability analysis method taking into account the equality and inequality constraints imposed by actuation limits, mechanical stops and equilibrium relations; (3) a model predictive controller to deal with unknown mass, inertia and center of mass due to the grasped object; (4) a Dynamic Control Allocation algorithm to distribute the control output in a way that guarantees the continuity of actuator's velocity, improves the energy efficiency and satisfies the robot mechanical limits.Numerical simulations and experimental tests have been carried out to validate the controller performances

L'intérêt des recherches dans le domaine de la fusion de données multi-capteurs est en plein essor en raison de la diversité de ses secteurs d'applications. Plus particulièrement, dans le domaine de la robotique et de la localisation, l'exploitation des différentes informations fournies par les capteurs constitue une étape primordiale afin d'assurer une estimation fiable de la position. Dans ce contexte de fusion de données multi-capteurs, nous nous attachons à traiter le diagnostic, menant à l'identification de la cause d'une défaillance, et la tolérance de l'approche proposée aux défauts de capteurs, peu abordés dans la littérature.Nous avons fait le choix de développer une approche basée sur un formalisme purement informationnel : filtre informationnel d'une part, et outils de la théorie de l'information d'autre part. Des résidus basés sur la divergence de Kullback-Leibler sont développés. Via des méthodes optimisées de seuillage, ces résidus conduisent à la détection et à l'exclusion de ces défauts capteurs. La théorie proposée est éprouvée sur deux applications de localisation. La première application concerne la localisation collaborative, tolérante aux défauts d'un système multi-robots. La seconde application traite de la localisation en milieu ouvert utilisant un couplage serré GNSS/odométrie tolérant aux défauts
The interest of research in the multi-sensor data fusion field is growing because of its various applications sectors. Particularly, in the field of robotics and localization, the use of different sensors informations is a vital step to ensure a reliable position estimation. In this context of multi-sensor data fusion, we consider the diagnosis, leading to the identification of the cause of a failure, and the sensors faults tolerance aspect, discussed in limited work in the literature. We chose to develop an approach based on a purely informational formalism: information filter on the one hand and tools of the information theory on the other. Residuals based on the Kullback-Leibler divergence are developed. These residuals allow to detect and to exclude the faulty sensors through optimized thresholding methods. This theory is tested in two applications. The first application is the fault tolerant collaborative localization of a multi-robot system. The second application is the localization in outdoor environments using a tightly coupled GNSS/odometer with a fault tolerant aspect

Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica, na especialidade de Instrumentação e Controlo, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
This thesis proposes an Assisted Navigation System (ANS) for a Robotic Wheelchair (RW) relying on a sparse and discrete Human-Machine Interface (HMI), more precisely a P300-based Brain-Computer Interface (BCI), or, in alternative, a switch/multi-switch with a scanner interface that allows a selection of commands to steer a RW. The proposed ANS is primarily intended for people with severe motor disabilities who are not able to operate most of the commercial HMIs. The ANS is based on a two-layer collaborative control approach that takes into account both human and machine information. The proposed collaborative controller complies with four essential design requirements: dialogue, awareness, self-reliance, and adaptiveness. The P300-based BCI, allowing a communication channel completely independent of any motor control requirement, appeared as a good choice for motor impaired users. However, due to the P300-based BCI system's low transfer rates, the user is only able to issue sparse and discrete commands over time. In this sense, to e ectively use such HMI, we are proposing an ANS able to predict and execute user navigation intents with minimum information. This relates directly to two design requirements: awareness and self-reliance, meaning that the RW must be able to clearly identify situations where aid is required, and ask for help in these situations. Moreover, since users are only able to issue sparse information over time, the robot must be self-reliant and able to cope with dynamic changes in the environment without requiring any aid or, if it is really needed, it must be able to deal with unreliable and delayed information. Our ANS includes a localization system, an obstacle detection module, and a local planner that were designed to deal with changes in the environment, providing some degree of self-reliance to the RW. We propose a planning strategy that can deal with low cluttered semi-structured environments. It comprises a global planner that provides a global path to reach a pre-de ned goal, and a local planner that intervenes when changes in the environment are detected. We propose a modi ed VFH that is carried out in three stages: steering, path-planning and blending. Unlike the approaches proposed by [Borenstein 1991, Ulrich 2000], our proposal builds a polar histogram directly from laser scan information. Additionally, our approach is also able to blend global and local paths. A Markov localization approach is also proposed. It was designed to fuse odometry with a new polar scan matching algorithm, composed by three main stages: scan preprocessing, virtual scan, and matching. The proposed matching algorithm uses the sample Pearson correlation coe cient to evaluate the similarities between current and virtual scans. The correlation factor is determined on polar coordinate space, leading to a reduction of computational complexity of this algorithm. We also propose an Extended Kalman Filter (EKF) to fuse the odometric data with the data from magnetic markers that are detected with a 3D algorithm. The latter is based on the Least Squares Fitting (LSF) of the measurement data with the 3D model of the vertical magnetic eld. The collaborative controller is also adaptive to the user's skillfulness in steering the assisted RW. To perform user characterization, we propose an Assistive Navigation training Framework (ANTF) that is able to characterize users, by sorting them into three di erent steering levels: beginner, average, and advanced. The ANTF is also intended for training users with disabilities to steer the RW. Experimental results using RobChair, the RW platform developed at ISR-UC [Pires 2002, Lopes 2007] are here presented, showing the e ectiveness of the proposed methodologies. The prototype was validated with ten able-bodied participants, and one disabled participant, in two di erent scenarios: a structured known environment, and a structured unknown environment with moving objects. Overall results have shown that all participants were able to successfully operate the device, showing a high level of robustness of both the BCI system and the navigation system.
Esta tese apresenta um sistema de navega c~ao assistida (ANS) para uma cadeira de rodas robotizada (RW) que se suporta numa interface homem-m aquina (HMI) que providencia comandos esparsos e discretos, mais precisamente um interface c erebro-computador (BCI) baseado em P300, ou, em alternativa, um sistema interruptor/ multi-interruptores com uma interface de varrimento que permite a sele c~ao de comandos para navegar uma RW. A ANS proposta destina-se a pessoas com de ci^encias motoras graves que n~ao s~ao capazes de operar a maioria das HMIs comerciais. A ANS e baseada numa abordagem de controlo colaborativo de duas camadas que considera as informa c~oes provenientes do homem e da m aquina. O controlador colaborativo proposto est a em conformidade com quatro requisitos de conce c~ao essenciais: di alogo, consci^encia, auto-su ci^encia, e capacidade de adapta c~ao. A escolha da BCI baseada em P300, a qual nos oferece um canal de comunica c~ao que e completamente independente de qualquer exig^encia de controlo motor, apresenta-se como uma boa escolha para utilizadores com de ci^encias motoras graves. No entanto, devido as baixas taxas de transfer^ encia do sistema BCI baseado em P300, o utilizador s o e capaz de emitir comandos esparsos e discretos ao longo do tempo. Neste sentido, para efetivamente usar tal HMI, prop~oe-se um ANS capaz de prever e executar as inten c~oes do utilizador, tendo por base informa c~oes m nimas. Esta quest~ao est a diretamente relacionada com dois requisitos de conce c~ao: consci^encia e auto-su ci^encia, o que signi ca que a RW deve ser capaz de identi car claramente as situa c~oes onde a ajuda e necess aria, e pedi-la nesses casos. Al em disso, uma vez que os utilizadores s o s~ao capazes de emitir informa c~os esparsas ao longo do tempo, o rob^o deve ser auto-su ciente e capaz de lidar com mudan cas din^amicas no ambiente, sem necessidade de qualquer ajuda, ou caso esta seja necess aria, ser capaz de lidar com informa c~oes n~ao con aveis e com atrasos. O ANS inclui um sistema de localiza c~ao, um m odulo de detec c~ao de obst aculos, e um planeador local, que foram projetados para lidar com as mudan cas do ambiente, e providenciam um certo grau de auto-su ci^encia a RW. N os propomos uma estrat egia de planeamento que e capaz de lidar com ambientes semi-estruturados pouco congestionados. A abordagem de planeamento e composta por um planeador local, que fornece um caminho global para atingir uma meta pr e-de nida, e num planeador local que interv em sempre que se detetam mudan cas no ambiente. Como planeador local propusemos um VFH modi cado que e realizado em tr^es etapas: dire c~ao, planeador de caminho e fus~ao. Ao contr ario das abordagens propostas por [Borenstein 1991, Ulrich 2000], a nossa abordagem constr oi um histograma polar diretamente do varrimento do laser. Adicionalmente, a abordagem proposta tamb em e capaz de fundir caminhos globais e locais. Como abordagem de localiza c~ao prop~oe-se um algoritmo de Markov que se baseia na fus~ao da odometria com os dados provenientes de um novo algoritmo de correspond^encia de varrimentos em coordenadas polares. Este ultimo e realizado em tr^es fases: pr eprocessamento, varrimento virtual e correspond^encia. O algoritmo de correspond^encia proposto utiliza o coe ciente de correla c~ao de Pearson amostrado para avaliar as semelhan cas entre os varrimentos atuais e virtuais. O factor de correla c~ao e determinado no espa co de coordenadas polares, conduzindo a uma redu c~ao na complexidade computacional. Prop~oe-se ainda um ltro de Kalman extendido (EKF) para fundir os dados de odometria com os dados de marcadores magn eticos, os quais s~ao detetados com um algoritmo 3D. Este ultimo e baseado no m etodo de ajuste dos m nimos quadrados (LSF) dos dados de medi c~ao, com o modelo 3D do campo magn etico vertical. O controlador colaborativo e adapt avel a capacidade do utilizador em conduzir a RW. Para realizar a caracteriza c~ao do utilizador propomos uma plataforma de forma c~ao em navega c~ao assistida (ANTF), que e capaz de caracterizar os utilizadores, e classi c a-los em tr^es n veis de navega c~ao diferentes: principiante, m edio e avan cado. A ANTF tamb em e destinada ao treino de navega c~ao da RW de utilizadores com de ci^encia motora. Os resultados experimentais com a RobChair, a plataforma RW desenvolvida no ISRUC [Pires 2002, Lopes 2007] s~ao apresentados, demonstrando a e c acia das metodologias propostas. O prot otipo foi validado com 10 participantes sem de ci^encia, e um participante com de ci^encia motora grave, em dois cen arios distintos: um ambiente estruturado conhecido, e um ambiente estruturado desconhecido com obst aculos em movimento. O resultado global mostra que todos os participantes foram capazes de operar com ^exito o sistema, mostrando um elevado n vel de robustez do sistema BCI e do sistema de navega c~ao.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
A Indústria 4.0 trouxe os sistemas inteligentes e autónomos, criando possíveis maneiras de automatizar processos que seriam pouco práticos ou monótonos para um ser humano. Esta dissertação tem como foco os robôs autónomos e a internet das coisas, os pilares principais desta ideia que se tornou numa realidade neste século. Os objetivos deste trabalho são criar uma interface ao robô colaborativo, estabelecer uma ligação com o AGV e criar um software de comandos. A razão para a realização deste trabalho é simples: ajudar trabalhadores no seu quotidiano, já que os trabalhos monótonos ou repetitivos podem causar lesões graves e gerar erros que podem prejudicar uma empresa na sua totalidade.Com a utilização de vários softwares como o Microsoft Visual Studio 2019, o Arduino IDE e o software utilizado para controlar o robô colaborativo, a solução era mais que possível e a interface elétrica tornou-se mais acessível, em que um Arduino mkr1000 foi o cérebro da operação, o robô colaborativo o braço e o AGV as pernas. A interface do robô manipulador e a ligação com o AGV foram realizadas através de um microcontrolador Arduino mkr1000 e com o software Arduino IDE. O motivo por se utilizar tal microcontrolador é devido à funcionalidade Wi-Fi que permite controlo remoto via internet. O software de comandos foi desenvolvido a partir do Microsoft Visual Studio 2019. O AGV é um ActiveOne da Active Space Automation e o robô colaborativo é um KR810 da Kassow Robots. Este trabalho gerou uma aplicação e uma possível solução para a automatização da operação de carga e descarga para ajudar indústrias a integrarem com maior facilidade a Fábrica do Futuro, graças a um simples microcontrolador.Apesar dos objetivos terem sido cumpridos e é possível ter um robô manipulador móvel, é muito provável existirem futuros trabalhos que ajudem a melhorar esta solução, de maneira a que esta seja mais interativa com os humanos e aprender a reconhecer objetos com um sistema de visão instalado.
The Industry 4.0 brought the smart and autonomous systems, creating possible ways to automate processes that would otherwise be unpractical or tedious for any human being. This dissertation will focus on autonomous robots and the internet of things, which are two of the main pillars of this idea that has become a reality in this century. The goals set for this work are to create an interface with the collaborative robot, guarantee the connection with the automated guided vehicle and create a graphical user interface. The reason for this project is simple: to aid workers on their day-to-day, since performing tedious tasks, like repetitive motions, can cause injuries and mistakes that can cost a company.With the aid of various software like the Microsoft Visual Studio 2019, the Arduino IDE and the software involved with the collaborative robot, the solution was more than possible and made easier to build the electronic part of the interface, where the Arduino mkr1000 served as the brain of the operation, the cobot as the arm and the automated guided vehicle the legs. The collaborative robot interface and the connection with the AGV were established with the mkr1000 microcontroller and the Arduino IDE. The motive for the utilization of the mkr1000 is due to the Wi-Fi compatibility, allowing for remote control via the internet. The graphical user interface was developed with the Microsoft Visual Studio 2019. The AGV is an ActiveOne from Active Space Automation and the cobot is the KR810 from Kassow Robots. This work created one application and a possible solution to the automated pick-and-place operation to help many industries easily integrate into the Factory of the Future with the utilization of a simple microcontroller.Although the work has performed on all tasks and it is possible to have a mobile manipulator, there can be possible improvements that can help make the solution more human friendly and learn to recognize objects with an incorporated vision system.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
O envelhecimento da população nos países ocidentais tem pressionado a indústria de cuidados e de assistência a idosos a apresentar soluções e cientes para responder à crescente procura aos seus serviços. Isto leva a crer que a robótica será uma das soluções mais procuradas, ao aliviar a necessidade de apoio humano constante. Responder a esta procura é uma tarefa que deve começar a ser tida em conta agora. Esta dissertação é um trabalho na área da Robótica de assistência. Tem como principais objetivos a análise e a implementação prática de um sistema de navegação de assistência para a RobChair, uma cadeira de rodas inteligente desenvolvida no ISR-UC. É um estudo nas áreas de Navegação Autónoma, SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) e de Controlo Colaborativo. De ne como objetivo criar um sistema inteligente capaz de melhorar a mobilidade de doentes com graves disfunções motoras, melhorando a sua qualidade de vida. Começa por analisar o conceito de controlo colaborativo e o estado da arte em interação Humano-Robô. Analisa também soluções de SLAM sem odometria, mais concretamente o Hector SLAM, e de navegação autónoma. Para atingir os objetivos propostos, este trabalho apresenta uma arquitetura de um Sistema de Navegação Assistiva (ANS), e particularmente um desenho para um Controlador Colaborativo. Esse sistema é implementado em ROS (Robot Operating System) e os seus módulos são explanados. São também apresentadas alterações no hardware da RobChair tendo em vista facilitar o seu uso enquanto robô experimental. O sistema foi testado experimentalmente, validando o funcionamento de alguns dos seus componentes. Estes resultados representam os primeiros passos na implementação do ANS completo na parte de navegação e perceção.
Population aging in western countries has been pressing the industry of elderly care and assistance to present more e cient solutions in order to meet the growing demand for its services. This suggests that robotics shall be one of the most sought solutions, relieving the constant necessary human support. Responding to this demand is a task that must be taken into consideration as soon as possible. This dissertation is a work on the eld of Assistive Robotics, whose main goals are the analysis and implementation of an assistive navigation system for RobChair, an intelligent wheelchair developed at ISR-UC. It is a study on the elds of Autonomous Navigation, SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) and Collaborative Control. It de nes the objective of creating an intelligent system able to improve the mobility of patients with severe motor dysfunctions, improving their quality of living. It starts by analyzing the concept of Collaborative Control and the state of the art in Human-Robot interaction. It also analyzes the SLAM solutions without odometry, more speci cally, the Hector SLAM, and autonomous navigation. To attain the proposed objectives, this work presents an architecture for the Assistive Navigation System (ANS) and particularly a scheme for the Collaborative Controller. Such system is implemented in ROS and its modules explained in detail. It is also presented the modi cations performed in the RobChair hardware in order to facilitate its use as an experimental robot. The system was tested experimentally, validating the operation of some of its components. The results achieved represent the rst steps in implementing the complete ANS, considering the navigation and perception modules.

Dynamic Collaborative Driving is the concept of decentralized multi-vehicle automated driving where vehicles form dynamic local area networks within which information is shared to build a dynamic data representation of the environment to improve road usage and safety. The vision is to have networks of cars spanning multiple lanes forming these dynamic networks so as to optimize traffic flow while maintaining safety as each vehicle travels to its destinations. A basic requirement of any vehicle participating in dynamic collaborative driving is longitudinal and lateral control. Without this capability, higher-level coordination is not possible. This thesis investigates the issue of the control of an automobile in the context of a Dynamic Collaborative Driving system. Each vehicle involved is considered a complex composite nonlinear system. Therefore a complex nonlinear model of the vehicle dynamics is formulated and serves as the control system design platform. Due to the nonlinear nature of the vehicle dynamics, a nonlinear approach to control is used to achieve longitudinal and lateral control of the vehicle. This novel approach combines the use of reinforcement learning: a modern machine learning technique, with adaptive control and preview control techniques. This thesis presents the design of both the longitudinal and lateral control systems which serves as a basis for Dynamic Collaborative Driving. The results of the reinforcement learning phase and the performance of the adaptive control systems for single automobile performance as well as the performance in a multi-vehicle platoon is presented.