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Programa Doutoral em Engenharia Eletrónica e de Computadores, Due to the increasing demand for adaptive robots able to assist humans in their everyday tasks, furnishing robots with learning abilities is one of the most important goals of current robotics research. The work reported in this thesis is focused on the integration of learning capacities in an existing Dynamic Field based control architecture developed for natural human-robot collaboration. Specifically, it addresses two important serial order problems that appear in the architecture at distinct but closely coupled levels of abstraction: 1) the learning of the sequential order of sub-goals that has to be followed to accomplish a certain task, and 2) the learning of representations of motor primitives that can be chained to achieve a certain sub-goal. A model based on the theoretical framework of Dynamic Neural Fields (DNFs) is developed that allows the robot to acquire a multi-order sequential plan of a task from demonstration by human tutors. The model is inspired by known processing principles of human serial order learning. Specifically, it implements the idea of two complementary learning systems. A fast system encodes the sequential order of a single demonstration. During periods of internal rehearsal, it acts as a teacher for a slow system that is responsible for extracting generalized task knowledge from memorized demonstrations of different users. The efficiency of the learning model is tested in a real world experiment in which the humanoid robot ARoS learns the plan of an assembly task by observing human tutors executing possible sequential orders of sub-goals. An extension of the basic model is also proposed and tested in a real-world experiment. It addresses the fundamental problem of a hierarchical encoding of complex sequential tasks. It is shown how verbal feedback by the tutor about a serial order error may lead to the autonomous development of a neural representation of a group of sub-goals forming a sub-task. The second serial order problem of learning goal-directed chains of motor primitives is addressed by combining the associative learning mechanism of the dynamic field model with self-organizing properties. Inspired by the basic idea of the Kohonen's map algorithm, it is shown how self-organizing principles can be exploited to develop field representations of motor primitives, like for instance, a specific grasping behaviour, from observed motion trajectories. Moreover, the integration of additional contextual cues (e.g. object properties) in the learning process may cause the splitting of an existing motor primitive representation into two new representations that are context sensitive. In model simulations, it is shown that the learning mechanisms for representing sequential task knowledge in the DNF model can be also applied to establish chains of motor primitives directed towards a final goal (e.g. reach-grasp-place). Such a chained organization has been discussed in the neurophysiological literature to support not only a fluent execution of known action sequences but also the cognitive capacity of inferring the goal of observed motor behaviour of another individual., Devido à procura crescente por robôs adaptativos capazes de auxiliar humanos nas suas tarefas diárias, um dos mais importantes objetivos da investigação em robótica atual é o de dotar robôs com a capacidade de aprender. O trabalho apresentado nesta tese foca-se na integração de capacidades de aprendizagem numa arquitetura de controlo, baseada em campos dinâmicos, para colaboração fluente entre Humano e Robô. Especificamente são abordados dois problemas importantes relacionados com ordem sequencial que surgem na arquitetura em níveis de abstração distintos embora relacionados: 1) a aprendizagem da ordem sequencial de sub-objetivos que tem de ser seguida para completar uma determinada tarefa e 2) a aprendizagem de representações de primitivas motoras que podem ser encadeadas para atingir um certo sub-objetivo. Foi desenvolvido um modelo baseado em teoria de Campos Dinâmicos Neuronais (CDNs) que permite ao robô adquirir um plano sequencial multi-ordem de uma tarefa a partir de demonstrações de tutores humanos. O modelo é inspirado em princípios conhecidos da aprendizagem da ordem sequencial por humanos. Especificamente, implementa a ideia de dois sistemas de aprendizagem complementares. Um mecanismo rápido codifica a ordem sequencial de uma demonstração única. Durante períodos de repetição interna, este mecanismo age como professor de um sistema mais lento responsável por extrair conhecimento generalizado da tarefa a partir das demonstrações de diferentes utilizadores. A eficiência do modelo de aprendizagem é testada numa experiência em cenário real na qual o robô humanoide ARoS aprende o plano de uma tarefa de montagem através da observação de tutores humanos que executam possíveis ordens sequenciais de execução dos sub-objetivos. Uma extensão do modelo básico é também proposta e testada em ambiente real. A extensão aborda o problema fundamental da codificação hierárquica de tarefas sequenciais complexas. É mostrado como feedback verbal fornecido pelo tutor acerca de erros na sequência pode levar ao desenvolvimento autónomo de uma representação neuronal de um grupo de sub-objetivos que formam uma sub-tarefa. O segundo problema de ordem sequencial, que consiste na aprendizagem de cadeias de primitivas motoras direcionadas a um objetivo, é abordado através da combinação do mecanismo de aprendizagem associativa do modelo baseado em Campos Dinâmicos com propriedades de auto-organização. Partindo da ideia fundamental do algoritmo do mapa de Kohonen, é mostrado como princípios de auto-organização podem ser explorados para desenvolver representações, em campos dinâmicos, de primitivas motoras, como por exemplo, um gesto especifico de agarrar, a partir de trajetórias de movimentos observados. Além disso, a integração de informação contextual adicional (e.g. propriedades do objeto) no processo de aprendizagem pode causar a divisão de uma representação de uma primitiva motora em duas novas representações específicas de cada contexto. É mostrado em simulação que os modelos de aprendizagem para representação do conhecimento da tarefa sequencial no modelo baseado em CDNs podem ser também aplicados na formação de cadeias de primitivas motoras direcionadas a um objetivo final (e.g. aproximar-agarrar-colocar). A organização em cadeia tem sido discutida na literatura sobre neurofisiologia, como sendo o suporte não só da execução fluente de ações sequenciais conhecidas, mas também da capacidade cognitiva de inferir o objetivo do comportamento motor observado num outro individuo., Fundação para a Ciência e a Tecnologia SFRH/BD/48529/2008

Tese de doutoramento Engineering Design and Advanced Manufacturing Leaders for Technical Industries, The new TWIN-RRT* algorithm solves a motion planning problem in which an agent has multiple possible targets where none of them is compulsory, and retrieves feasible, ―low cost‖, asymptotically optimal and probabilistically complete paths. The TWIN-RRT* algorithm solves path planning problems for both holonomic and non-holonomic robots with or without kinodynamic constraints in a 2D environment, but it was designed to work as well with higher DOF agents and different applications. The new algorithm provides a practical implementation of feasible and fast planning especially where a closed loop is required. Initial and final configurations are allowed to be exactly the same. The TWIN-RRT* algorithm computes an efficient path for one sole agent towards multiple targets where none of them is mandatory. It inherits the low computational cost, probabilistic completeness and asymptotical optimality from RRT*. It uses efficiency as cost function, which can be adapted depending on the application. The TWIN-RRT* complies both with kinodynamic constraints and different cost functions. It was developed to solve a real problem where a robot has to collect golf balls in a driving range, where thousands of balls accumulate every day. This thesis is part of a bigger project, Golfminho, to develop an autonomous robot capable of efficiently collecting balls in a golf practice field., O novo algoritmo TWIN-RRT* resolve problemas de planeamento de trajetórias em que um agente tem múltiplos alvos, onde nenhum deles é obrigatório, e produz um plano exequível, de "baixo custo" computacional, assintoticamente ótimo e probabilisticamente completo. O TWINRRT* resolve problemas de planeamento de trajetórias tanto para robôs holonómicos como não holonómicos com ou sem restrições cinemáticas e/ou dinâmicas num ambiente 2D, mas foi projetado para funcionar também com agentes com maiores graus de liberdade e em diferentes aplicações. O novo algoritmo fornece uma implementação prática de um planeamento viável e rápido, especialmente quando é necessário produzir uma trajetória fechada. As configurações iniciais e finais podem ser exatamente iguais. O algoritmo TWIN-RRT* calcula um caminho eficiente para um agente único em direção a múltiplos alvos, onde nenhum deles é obrigatório. Herda o baixo custo computacional, integralidade probabilística e otimização assintótica do RRT*. Usa a eficiência como função de custo, que pode ser adaptada em função das diferentes aplicações. Para além de diferentes funções de custo, o TWIN-RRT* também mostra conformidade com restrições cinemáticas. Foi desenvolvido para resolver um problema real em que um robô tem que recolher bolas de golfe num Driving Range, onde se acumulam milhares de bolas de golfe por dia. Esta tese é parte integrante do projeto Golfminho, para o desenvolvimento de um robô autónomo capaz de recolher eficientemente bolas num campo de práticas de golfe., Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) for the PhD grant nº. SFRH/BD/43008/2008.

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecatrónica, Com o aumento produtivo, houve uma necessidade exponencial de utilizar tecnologias de controlo que se virassem diretamente para a produção, no sentido de aumentar a eficiência, a flexibilidade e qualidade dos processos industriais. O uso de autómatos programáveis (PLC) para processos automatizados é um dado adquirido, pela versatilidade e fácil integração dos mesmos. A automatização contínua potenciou a criação de sistemas de supervisão e controlo que são denominados por sistemas SCADA (Supervision Control And Data Aquisition). Estes sistemas podem ser de domínio local ou remoto e permitem a total monitorização de um ou vários recursos ou de equipamentos. No âmbito desta dissertação foi necessário realizar, à partida, uma pesquisa detalhada ao nível dos sistemas SCADA existentes e disponíveis no mercado, com vista à otimização de características e funcionalidades em termos, sobretudo de facilidade e de segurança, de operação/comando por parte do utilizador. Pretende-se obter com este projeto, juntamente com a empresa Pinto Brasil, um produto final que satisfaça da melhor forma as necessidades específicas da empresa, associada normalmente à indústria da cablagem automóvel, tendo em conta a minimização de custos de produção., With the production increase, there is a special requirement to use control technologies that are directly focused to the production, in order to increase the efficiency, flexibility and quality of industrial processes. The use of programmable controllers (PLC) for automated processes is taken for granted, for your versatility and easy integration. Continuous automation potentiates the creation of supervisory and control systems that are called SCADA (Supervision Control and Data Acquisition). These systems may be local or remote and allow full monitoring of one or more resources or equipment. In the context of this dissertation, it will be done, a detailed searching about the available SCADA systems in the market, with a view to optimization features, functionalities and safety of operation / command by the user. It is intended to achieve with this project, along with the company Pinto Brazil, a final product that meets the best of the company's specific needs, usually associated to the automotive wiring industry, taking into account the minimization of production costs.

Dissertação de mestrado em Mechatronic Engineering, The recent changes on the power systems paradigm require the active participation of small and medium players in the electricity network management. With the electricity price flotation, the small and medium players must manage their consumption in order to decrease the economic costs without the degradation of the users’ comfort. Additionally, the appearance of new concepts in the power systems, such as smart grids and microgrids, bring several advantages. This includes the use of distributed generation and the execution of demand response programs. However, their implementation on the current power grid can also bring management and stability issues. The purpose of this dissertation is to simulate, in real-time, a microgrid facility by employing real hardware resources and survey of the consumption and generation profiles of the small and medium consumers. The facility would include small power load, medium power load and a micro-generation unit. This microgrid facility proposes controlling methods of hardware devices that enable the real loads to be integrated as hardware-in-the-loop (HIL) loads for the small and medium simulation players. The implemented system uses real consumption loads and real wind power generator. The main contribution of this dissertation is the integration of real resources inside the simulation environment. Furthermore, this study describes the hardware and software developed and implemented on the loads built to manual use, outside of the simulation environments. In the case studies, actual consumption and generation profiles of the small and medium consumers has been employed in order to simulate in real-time., As mudanças recentes no paradigma dos sistemas elétricos de energia requerem uma participação ativa dos participantes de pequeno e médio tamanho na gestão da produção e utilização da eletricidade. Com a flutuação do preço da eletricidade, estes participantes têm de gerir o consumo de modo a diminuir custos sem degradar o conforto dos utilizadores. Além disso, o aparecimento de novos conceitos de eletrónica de potência, como as redes inteligentes e as micro-redes, traz grandes vantagens. Isto inclui o uso de produção distribuída e a execução de programas de resposta à procura. No entanto, as suas implantações podem trazer complicações de gestão e estabilidade aos atuais sistemas elétricos de energia. O objetivo desta dissertação é simular, em tempo real, uma micro-rede usando recursos de hardware reais e analisar o consumo e perfis de geração de consumidores pequenos e médios. A micro-rede incluiria uma pequena carga, uma média carga e uma unidade de micro-geração. Esta micro-rede propõe métodos de controlar dispositivos de hardware que permitem integrar cargas reais como cargas hardware-in-the-loop (HIL) para simulação de participantes pequenos e médios. O sistema implementado tem cargas com consumos reais e um gerador de energia eólica. A principal contribuição desta dissertação é a integração de dispositivos reais dentro do ambiente de simulação. Além disso, este estudo descreve o hardware e o software desenvolvidos e implementados nas cargas desenhadas para utilização manual, fora dos ambientes de simulação. Nos casos de estudo, o consumo real e os perfis de geração dos consumidores pequenos e médios foram utilizados para realizar as simulações em tempo-real., تغییرات اخیر در سیستم های توزیع قدرت ، شرکت کردن فعال مصرف کنندگان و تولید کنندگان برق را بیش از پیش مورد اهمیت قرار داده است. همچنین با توجه به متغیر بودن قیمت برق ، این واحد ها باید مدیریت کافی را بر روی مصرف خود داشته ، تا بتوانند هزینه های ماهیانه انرژی را کاهش دهند. علاوه بر این، پیدایش مفاهیم جدیدی در سیستم های قدرت ، مانند شبکه های هوشمند ، فواید بسیاری را برای این سیستم ها ایجاد کرده اند. این فواید شامل استفاده از تکنولوژی تولید پراکنده و یا اجرای برنامه های پاسخ به بخش تقاضا می باشند. البته در کنار این فواید، این مفاهیم جدید مشکلاتی مدیریتی و پایداری را برای شبکه ایجاد می کنند. هدف از این پایان نامه ، شبیه سازی زمان واقعی یک شبکه برق کوچک می باشد که از مصرف روش های ، HIL کنندگان و تولید کنندگان واقعی استفاده می کند. این شبکه برق کوچک با استفاده از سناریو کنترلی را ارائه می دهد که اپراتور را قادر می سازد تا با ادغام سخت افزار های واقعی در محیط شبیه سازی ، به نتایج واقعی و قابل قبول تری دست یابد. همچنین این پایان نامه ، نرم افزار ها و سخت افزار هایی را توضیح می دهد که با اجرای آنها بر روی وسایلی که برای استفاده های معمولی و خارج از محیط شبیه سازی ساخته شده اند ، به صورت سخت افزار های واقعی در محیط شبیه سازی ایفای نقش کنند. در موارد بررسی شده در این پایان نامه ، یک دوره دو ساعته از این شبیه سازی زمان واقعی برای مصرف کنندگان خانگی و تجاری بیان می شود.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica), Durante muitos anos o conceito de reabilitação centrou-se em maximizar as funções motoras não afetadas, levando os pacientes a usar os seus restantes meios de uma forma compensatória. Recentemente verificou-se que movimentos repetitivos orientados para uma tarefa podem melhorar a força muscular e a coordenação de movimentos em doentes com limitações neurológicas ou ortopédicas severas. A fisioterapia tradicional é fisicamente exigente e laboriosa para o terapeuta, dispendiosa e pode apresentar variabilidade indesejada nos ciclos de movimentos praticados dentro de cada exercício ou entre sessões. O uso de dispositivos mecânicos e robóticos de treino permitem maior repetibilidade, maior número de ciclos realizados, sessões mais longas e diminuem a exaustão física do terapeuta que desse modo se pode concentrar em tarefas avaliativas de desempenho. Como apenas necessita de um terapeuta, também baixa os custos económicos para o doente. Porém, os sistemas robóticos tradicionais denotam custo e complexidade elevados, estando apenas disponíveis para grandes centros de reabilitação. O mecanismo de quatro barras é o um dos sistemas articulados mais populares, encontrando-se nos mais diversos dispositivos mecânicos. É um mecanismo de construção simples e de baixo custo, versátil a nível de aplicações e das relações que apresenta entre o movimento de entrada e saída, apenas necessita de um atuador para realizar o movimento e está descrito na literatura de forma extensa. Este trabalho propõe o projeto de um dispositivo, de baixo custo, baixa complexidade e elevada adaptabilidade, que permita a reabilitação da marcha humana. Pretende-se estabelecer uma metodologia para a síntese de um mecanismo de quatro barras, que possa ser utilizado para simular a trajetória do tornozelo no plano sagital, com vista à reabilitação dos pacientes., For many years, the rehabilitation concept focused on maximizing the functions which were not affected by the event that created the disability by using the remaining means in a compensatory fashion. More recent approaches showed that oriented repetitive motions could improve muscle strength and movement coordination in patients suffering from acute neurological or orthopedic conditions. Traditional physiotherapy is demanding and laborious on the therapist; costly and may present unwanted variability in the trained movement cycles between exercises and sessions. The use of mechanical and robotic training devices allows for greater movement repeatability, a greater number of realized movement cycles, longer sessions and decreases the therapist physical exhaustion which may now concentrate on evaluative tasks. As it requires only one therapist, it lowers the economic costs for the patient. However these devices are expensive and require complex maintenance and operating, making them only available for high-end rehabilitation centers. The four bar linkage is the most popular of the articulate systems and may be found in various mechanical applications and devices. It’s low cost, easy to build, versatile, presents a great variety of relations between the entry and exit movement, only needs one actuator and is described in great extent in related literature. This work proposes the design of a device of low cost and complexity, as well as high adaptability which allows for human gait rehabilitation. One intends to establish a method for the synthesis of a four bar linkage which is to be used in a device to simulate the ankle trajectory in the sagittal plane.