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[ES] El objetivo principal de la presente propuesta de Trabajo Fin de Máster es el desarrollo de un sistema de detección y evasión de colisiones en trayectorias situadas en el espacio tridimensional. Para ello se aborda y se calcula la intersección de las trayectorias para obtener el posible encuentro de dos elementos que están recorriendo sus respectivos trayectos. En el caso de que se detecte una posible colisión se debe generar una (o más) trayectorias de evasión. Estas trayectorias se apoyan en el método de aproximación de puntos basados en curvas de Bézier acompañadas de un método de evasión de colisiones empleando la teoría de mínimos cuadrados con restricciones. Para alcanzar este objetivo es necesario desarrollar y diseñar un simulador que permita al usuario introducir los datos de las trayectorias que se analizan. De esta forma se pueden verificar y validar los diferentes algoritmos computacionales para la detección y la evitación de colisiones. Una vez desarrollado el simulador se debe implementar y validar este sistema sobre un sistema real. En concreto se propone utilizar la célula robótica existente en el Laboratorio de Robótica del Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática. Se emplea un robot industrial IRB 140 (de la empresa ABB), un robot colaborativo UR3 (de Universal Robots) y una cinta transportadora. Con la ayuda del simulador y del sistema real del laboratorio es posible abordar el estudio de varios métodos que potencian las características de las curvas de Bézier. Se analizan varios casos: comprobación de la existencia de colisión (y evasión) entre la trayectoria de un robot y un objeto situado en una cinta transportadora; comprobación de la existencia de colisión con otro robot que sigue una trayectoria en sus proximidades; y cálculo de la trayectoria de un robot colaborativo para que se produzca un encuentro con un objeto en la cinta y se golpee para desecharlo de la misma. Para todo esto se programan, en los lenguajes de programación de cada robot, los distintos algoritmos de detección y evitación de colisiones, así como la comunicación y la coordinación entre ellos., [EN] The main objective of the present TFM is the development of a system for detection and evasion of collisions in trajectories located in three-dimensional space. The intersection of the trajectories is calculated to obtain the possible confluence of elements that are traveling their paths. In the event that a possible collision is detected, one (or more) evasion trajectories must be generated. These trajectories are based on the approach method of points defined by Bézier curves accompanied by a collision evasion method using the theory of least squares with restrictions. To achieve this goal it is necessary to develop and design a simulator that allows the user to enter the data of the trajectories that are analyzed. In this way, the different computational algorithms for the detection and avoidance of collisions can be verified and validated. Once the simulator has been developed, this system must be implemented and validated on a real system. Specifically, it is proposed to use the existing robot cell in the Robotics Laboratory of the Department of Systems Engineering and Automation. The industrial robot IRB 140 (from ABB), the collaborative robot UR3 (from Universal Robots) and a belt conveyor are used for the tests. Whit simulator help and the real laboratory system it is possible to approach the study of several methods that enhance the characteristics of the Bézier curves. The cases analyzed in this paper are: checking for the existence of collision (and evasion) between the path of a robot and an object located on a belt conveyor; checking for the existence of collision with another robot that follows a trajectory in its vicinity; and calculation of the trajectory of a collaborative robot for the interception with the trajectory of an object to dispose of it from the belt conveyor. The different collision detection and avoidance algorithms are programmed, as well as communication and coordination between them in the programming languages of each robot.

[ES] En este proyecto final de grado se realiza un sistema automático de detección y evasión de colisiones entre dos robots móviles NXT gracias a una arquitectura de comunicación creada entre diversos dispositivos. Para abordar este sistema se programa y diseña una aplicación móvil mediante la cual es posible introducir los puntos de control de dos curvas cúbicas de Bézier que van a ser las trayectorias a seguir de los robots. Estos puntos se envían mediante socket a un programa principal programado en lenguaje Java situado en un ordenador. Este ordenador trasmite los puntos recibidos, también mediante socket, a un ordenador secundario para que realice el cálculo de detección de colisiones. Si hay lugar a alguna colisión, este ordenador secundario calcula el instante donde esta sucede y realiza los cálculos necesarios para hallar el desvío de una de las rutas de los robots con el uso de un programa de cálculo. Este desvío consiste en hallar unos puntos de control de una de las curvas de Bézier para que sea lo más similar a la inicialmente introducida por el usuario pero exenta de colisiones mediante la aplicación de un método de mínimos cuadrados con restricciones. Cuando el programa de cálculo tenga los valores de los nuevos puntos de control de las curvas estos datos son enviados de nuevo al programa principal. El programa principal recoge estos nuevos valores de puntos y se los manda mediante bluetooth a los dos robots que están a la espera de recibir datos para efectuar sus trayectorias. Con estos valores los robots proceden a efectuar el seguimiento de las curvas cúbicas de Bézier sin colisión programadas con los datos de los puntos de control recibidos del proceso completo de comunicación., [CA] En aquest projecte final de grau es realitza un sistema automàtic de detecció i evasió de col·lisions entre dos robots mòbils NXT gràcies a una arquitectura de comunicació creada entre diversos dispositius. Per a abordar aquest sistema es programa i dissenya una aplicació mòbil mitjançant la qual es possible introduir els punts de control de dos corbes cúbiques de Bézier que van a ser les trajectòries a seguir dels robots. Aquests punts s’envien mitjançant socket a un programa principal programat en llenguatge Java situat en un ordinador. Aquest ordinador transmet els punts rebuts, també mitjançant socket, a un ordinador secundari per a que realitze el càlcul de detecció de col·lisions. Si hi ha lloc a alguna col·lisió, aquest ordinador secundari calcula el instant a on esta succeïx y realitza els càlculs necessaris per a trobar la desviació de una de las rutes dels robots amb l'ús d'un programa de càlcul. Aquest desviació consisteix en trobar uns punts de control d'una de les corbes de Bézier per a que siga el més similar a la inicialment introduïda per l'usuari però exempta de col·lisions mitjançant la aplicació d’un mètode de mínims quadrats amb restriccions. Quan el programa de càlcul tinga els valors de els nous punts de control de les corbes aquestes dades són enviades de nou al programa principal. El programa principal arreplega aquests nous valors de punts i se'ls mana mitjançant bluetooth als dos robots que estan a la espera de rebre dades per a efectuar les seues trajectòries. Amb aquests valors els robots procedeixen a efectuar el seguiment de les corbes cúbiques de Bézier sense col·lisió programades amb les dades dels punts de control rebuts del procés complet de comunicació., [EN] In this final project grade is made an automatic detection and collision avoidance system between two mobile robots NXT due to a communication architecture created between created between different devices. To tackle this system is programmed and designed a mobile application. The control points of two Bézier curves are introduced on the application. Those are going to be the trajectory to follow robots. These points are sent by socket to main program programmed in Java language. This computer transmits the received points, also by socket, to a supporting computer to perform the calculation of collision detection. If there is a collision, this supporting computer calculates the moment where this happens and makes the necessary calculations to find the drift routes robots using a calculation program. This drift is to find control points of one Bezier curves to be as similar to the initially entered by the user, but exempt from collisions by applying a method based on constrained least squares. When the calculation program has the values of new control points these information are sent back to main program. Main program takes these new values of points and sends it by Bluetooth to the two robots that are waiting to perform their trajectories. With these values robots start to follow up cubic Bezier curves without collision programmed with data control points received from communication process collision.

[EN] The efficiency of free-collision motion planning results very sensible on robot and obstacle modelling technique selected. In this way, many works have been oriented to define models with proper throughput to speed up the collision detection proccess. This dissertation presents a new approach to the problem, whose complexity is reduced notably by means of using enveloping models of real objects, allowing security regions or distances. This objective is reached by means of the definition of a spherical model, composed of infinite spheres, generated from the application of linear or polynomial equations to a reduced number of control spheres, giving the so-called poly-spheres and spheroids respectively. These models, with evident simplicity, present a high modelling power, adapt easily to the requirements need in collision-detection and path planning applications for robotics systems. In order to represent a complete multi-robot cell, an extended hierarchical structure has been defined, in form of an AND-OR graph, with different degrees of accuracy, according to the different approximation model used. In order to generate automatically this structure, a procedure has been developed to compute the minimum volume enveloping spherical model in an off-line process with two levels based on Downhill Simplex method and Hough transform. This procedure can be greatly speed up by using clustering techniques to obtain appropiate initial conditions, allowing an on-line use. With a hierarchical structure computed in such a way, a fast procedure for collision detection in a multi-robot cell is introduced, based on several algorithms for distance computation including polyspheres and spheroids. This methodology presents a fast and anticipativa response, in the sense that every movement of a system has been validated before its execution, implying that not necessarily must be done in an off-line simulation. The use of spherical models, in addition to their fast distance computation, results suitable for the definition of artificial potential fields allowing a path planning in robotics systems with up to six degrees of freedom, including three for translation and three for rotation. The definition of these new potential fields and the study of new planning techniques based on classical optimisation methods allow their application straight forward in Cartesian space, with all their advantages. Last but not least, with the help of some systems for robot programming, simulation and control, the correctness of these contributions have been validated in a set of prototype applications, covering from robot-obstacle and multi-robot collision detection, to motion planning for a robot-arm or an auto-guided vehicle., [ES] La eficiencia de la planificación de movimientos libres de colisión resulta muy sensible al modelado de los robots y obstáculos que se consideren, por lo que, frente al modelado tradicional con politopos, muchos trabajos en robótica han estado orientados a la definición de unos modelos que presenten buenas prestaciones de cara a acelerar el proceso de detección de colisiones. En esta Tesis se presenta una nueva perspectiva del problema, cuya complejidad queda reducida notablemente al utilizar envolventes de los objetos reales, lo que permite definir zonas o distancias de seguridad. Para ello se han definido unos modelos esféricos, compuestos de infinitas esferas generadas a partir de la aplicación de unas relaciones lineales o polinómicas a un número reducido de esferas de control, dando lugar a las llamadas poli-esferas y esferoides respectivamente. Estos modelos, de sencillez clara, presentan una potencia de modelado elevada, adaptándose fácilmente a los requisitos necesarios en las aplicaciones de detección de colisiones y planificación de movimientos en sistemas robotizados. Para la representación de una célula multi-robot completa, se ha definido una estructura jerárquica extendida, en forma de grafo AND-OR, con diferentes grados de precisión, mediante diferentes modelos de aproximación. De cara a generar automáticamente esta estructura, se ha desarrollado un procedimiento para generar el modelo esférico envolvente de mínimo volumen en un proceso off-line con dos niveles, basados en el método de minimización Downhill Simplex y en la transformada de Hough. Este procedimiento se acelera enormemente al utilizar técnicas de agrupamiento para obtener condiciones iniciales apropiadas, permitiendo su uso on-line. Con una estructura jerárquica generada de esta forma, se introduce un procedimiento rápido de detección de colisiones aplicable a una célula multi-robot, basado en algoritmos básicos de cálculo de distancias que pueden considerar poli-esferas y esferoides. Esta metodología presenta una respuesta rápida y anticipativa, entendiendo por tal que todo movimiento de cualquier sistema ha sido validado antes de su ejecución, por lo que no necesariamente debe realizarse en una simulación off-line. La utilización de modelos esféricos, así como el rápido cálculo de distancias entre ellos, resulta idónea para la definición de campos potenciales artificiales que permitan una planificación de movimientos en sistemas robotizados con hasta seis grados de libertad, incluyendo tres de traslación y tres de rotación. La definición de estos nuevos campos potenciales y el estudio de nuevas técnicas de planificación basados en métodos clásicos de optimización permiten su aplicación directamente en el espacio cartesiano, con las claras ventajas que esto conlleva. Finalmente, con la ayuda de varios sistemas de programación, simulación y control de robots, se ha demostrado la validez de estas aportaciones en una serie de aplicaciones prototipo que van desde la detección de colisiones de un robot con un obstáculo o entre sistemas multi-robot, a la planificación de movimientos de un brazo-robot o un vehículo autoguiado., Mellado Arteche, M. (1996). Modelado, detección de colisiones y planificación de movimientos en sistemas robotizados mediante volúmenes esféricos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. doi:10.4995/Thesis/10251/56621.

El objeto del presente proyecto es el desarrollo de un sistema de detección de colisiones aéreas, utilizando como fuente de datos el sistema ADS-B (Automatic dependent surveillance broadcast) presente en la mayoría de aeronaves comerciales, y la posterior comparación con el sistema TCAS II (Traffic alert and Collision Avoidance System), usado actualmente para estos fines en aviación comercial. Con dicha comparación se obtendrán datos sobre la eficiencia del método de detección de colisiones propuesto con respecto del sistema TCAS II, además de validar el correcto funcionamiento del nuevo algoritmo mediante simulaciones basadas en escenarios creados a partir de tramas ADS-B reales. Este nuevo algoritmo permitirá desarrollar indicaciones de evasión de colisiones en el plano horizontal, gracias al aumento de información obtenido a partir del sistema ADS-B, y que se añade al sistema de indicaciones en el plano vertical presentes en el TCAS II, que es el estándar actual en el ámbito de la aviación comercial.

En este artículo se propone una nueva representación geométrica basada en círculos de polígonos convexos. Inicialmente, se realiza una introducción al problema de la detección de colisiones mostrando las representaciones geométricas utilizadas para resolver dicho problema. Se presenta e implementa un algoritmo basado en una subdivisión binaria recursiva de un polígono que conduce a una jerarquía de representaciones circulares del polígono. Se describe, cómo de la jerarquía de círculos se genera una representación circular exterior que cubre el perímetro del polígono y una representación interior contenida en el polígono. Finalmente, se muestran resultados experimentales y se explican las ventajas de la representación propuesta para ser utilizada en la detección de colisiones.

Los artrópodos, en especial los insectos y crustáceos, son animales muy activos que poseen repertorios comportamentales altamente complejos, la mayoría de los cuales se encuentran guiados por la información visual. Así, la interacción entre el sistema visual y motor es fundamental en una variedad de funciones como por ejemplo: tener buenos sistemas de navegación, escape, detección e identificación de predadores, presas y coespecíficos, etc. Dentro de esta gama de comportamientos, esta tesis estudia el funcionamiento del sistema de escape del cangrejo Chasmagnathus granulatus frente a los estímulos de colisión. Para esto, desarrollamos un dispositivo que mide la respuesta locomotora del animal cuando se aplican estímulos visuales generados por computadora. Con este dispositivo caracterizamos la respuesta de escape de Chasmagnathus a estímulos que simulan colisiones de objetos que se acercan al cangrejo a velocidad constante. Medimos la respuesta motora del animal variando distintos parámetros del estímulo como ser: la velocidad de aproximación, el tamaño del objeto, la dirección de acercamiento y el contraste respecto al fondo. Encontramos que la respuesta de escape es compleja y está compuesta por una secuencia de fases encadenadas, es altamente direccional y la velocidad del animal es controlada instantáneamente por la entrada visual. Analizamos el comienzo del escape y encontramos una variable que lo predice. Luego de la caracterización comportamental, pasamos a describir la respuesta de las Neuronas Gigantes de la Lóbula (neuronas LG). Mostramos que las neuronas MLG1 y MLG2 (Monostratified Lóbula Giant Neuron 1 y 2) y BLG1 (Biestratified Lóbula Giant Neuron 1) responden preferencialmente a estímulos que representan colisiones de objetos y codifican la dinámica de expansión temporal de los estímulos. Mostramos que la tasa de disparo de las neuronas MLG1 y BLG1 codifican la velocidad angular del estímulo y que las neuronas MLG2 codifican la aceleración angular. Por otro lado, las neuronas BLG2 (Biestratified Lóbula Giant Neuron 2), codifican una información cualitativamente distinta a las tres neuronas anteriores respondiendo principalmente el comienzo y la finalización de la expansión. Una vez medidas las respuestas comportamentales y neuronales, analizamos la posibilidad de predecir el comienzo del escape en función de la actividad de las neuronas LG y encontramos un criterio que usa información de dos neuronas que correlaciona con el mismo. Finalmente, desarrollamos un modelo simple que usando la tasa de disparo de las neuronas LG, predice la velocidad de los animales durante el escape. Fil: Oliva, Damián Ernesto. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.

La presente tesis, analiza las características de dos interfaces hápticas comercialmente disponibles y su implementación en entornos virtuales, para la comprobación de teorías de realimentación de fuerzas y el desarrollo de herramientas de exploración táctil sobre superficies virtuales, enfocadas hacia aplicaciones preliminares de asistencia quirúrgica. Se expone de forma metódica, el proceso de selección de los joysticks hápticos Phantom Omni® y Novint Falcon™. Se describen las especificaciones técnicas de las dos interfaces; requisitos de software; integración entre escenas háptica y gráfica a través del uso de sus SDK y la aplicación de herramientas de libre distribución como OpenGL y VCollide, para la visualización del entorno gráfico y la solución a problemas de pérdida de realismo visual y detección de colisiones en un entorno virtual. En base a los resultados de algunos trabajos relacionados con la obtención, procesamiento y análisis de imágenes para la construcción de modelos, se desarrollaron aplicaciones hápticas de interacción con sólidos rígidos de interés médico, que incluyen herramientas para la marcación de puntos y trayectorias sobre una superficie y un algoritmo de reflexión de fuerzas para la simulación de procedimientos de resección de tumores. Se analizan las características de inmersión para la representación de los instrumentos virtuales quirúrgicos, integrando herramientas con geometría 3D y el cálculo de colisiones herramienta-herramienta y tejido-herramienta dentro de un entorno quirúrgico modelado con librerías software de código abierto. / Abstract. This thesis, analyzes the characteristics of two trading haptics interfaces and virtual environments implementation, as a feedback forces checking theory and development tools of tactile exploration on virtual surfaces focused towards preliminary applications in surgical assistance. Selection process for Phantom Omni and Novint Falcon haptics joysticks are covered. There are technical specifications described for the both interfaces; software requirements; integration between haptic scenes and graph using software development kit (SDK) available for every device and tools application of free distribution like OpenGL and VCollide, for graphical environment visualization and solution to visual realism loss problem and collisions detection in solid objects in a virtual environment. Taking advantage of some works results related to obtaining, processing and analysis of images for the models construction, were developed haptics applications with solid rigid interaction of medical interest that tools include for the bearing of points and paths on a surface and an forces reflection algorithm for procedures simulation of tumors resection. Immersion characteristics are analyzed for virtual surgical instruments representation, integrating tools with 3D geometry and calculation of tool - tool collisions and tissue - tool inside a surgical environment modeling with DLL software. Maestría

Uno de los aspectos de mayor interés de la mantenibilidad concierne al análisis de accesibilidad del hombre y la herramienta, donde se acomete el cálculo de vías de acceso, de secuencias de ensamblaje y desensamblaje, y de evaluación de tiempos. Hoy en día todavía es necesario el empleo de maquetas físicas, para poder evaluar la mantenibilidad de las partes externas del motor en la etapa de desarrollo. Aunque estas maquetas pueden ser empleadas en otras aplicaciones, la razón de que se construyan suele ser evaluar la mantenibilidad. Este trabajo busca que las maquetas físicas dejen de ser necesarias para los estudios de mantenibilidad, para lograr una reducción de costes y tiempo en el desarrollo de motores de avión. Este objetivo viene facilitado e impulsado por el siguiente hecho: actualmente, en la industria aeronáutica, el diseño basado en maquetas electrónicas está siendo empleado de forma habitual en la creación de los elementos externos del motor (tuberías, guarniciones e instalaciones). La Realidad Virtual, combinada con el uso de hardware específico que emula sensaciones táctiles, puede ofrecer una solución al objetivo propuesto. En esa línea, el objetivo principal de esta Tesis, y también una tarea importante en la Realidad Virtual, es el estudio e investigación dentro del campo de las colisiones, en este caso para su aplicación en herramientas de mantenibilidad. Los resultados finales se traducirán en el desarrollo de un módulo de colisiones exacto y eficiente que ayude a la aplicación a predecir la mantenibilidad de un motor de avión, simulando las tareas necesarias para ello. La extremada complejidad de los modelos CAD aeronáuticos requiere que el cálculo de las interferencias implemente técnicas específicas para asegurar un frame rate interactivo. Además, y por las características de las tareas de mantenimiento, no sólo se necesita detectar las colisiones del entorno, sino que también hace falta calcular una respuesta, que es necesaria para ofrecer una salida táctil al usuario. Esto último es de gran importancia ya que condiciona el grado de sensación recibida en el momento de la manipulación de los objetos de la escena.