Plataforma de Desenvolvimento de Cadeiras de Rodas Inteligentes Rodrigo Antonio Marques Braga Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Departamento de Engenharia Informática Rua Roberto Frias, s/n, 4200-465 Porto, Portugal Setembro de 2010 II Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Plataforma de Desenvolvimento de Cadeiras de Rodas Inteligentes Rodrigo Antonio Marques Braga Dissertação submetida para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Informática pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Programa de Doutoramento em Engenharia Informática Trabalho realizado sob orientação do Professor Doutor Luís Paulo Reis e co-orientação do Professor Doutor António Paulo Gomes Mendes Moreira Porto, Setembro de 2010 Apoio CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Programa Doutorado Pleno no Exterior IV Dedico esta tese aos meus queridos e dedicados familiares e, especialmente, aos meus pais Marlene C. Marques e Marcos Thomé da Silva Ferreira. Ao meu pai e avós, Wanderley, Bruno e Célia. E às minhas mães de coração, Yara e Tânia E aos amigos que me acompanharam ao longo deste caminho. “O fácil vem sempre depois do difícil” J.F. Haffner "No fim tudo dá certo, e se não deu certo é porque ainda não chegou ao fim." Fernando Tavares Sabino, (1923 - 2004), escritor e jornalista brasileiro. VI Agradecimentos Primeiro a Deus por tudo; A todos aqueles que me acompanharam nesta jornada; Especialmente aos meus pais Marlene C. Marques e Marcos Thomé da Silva Ferreira, pois sem eles, não teria chegado até aqui; A todos meus familiares pelo apoio, em especial minhas irmãs; Aos colegas de laboratório, em especial, Marcelo Petry e Rosaldo Rossetti; Ao Prof. Doutor Eugénio Oliveira, pelo apoio e acolhimento em seu grupo de investigação; Ao LIACC e PRODEI; A todos os meus amigos, em especial, Marco Aurélio Moreira Saran, Lúcio Sanchez Passos, Sílvio Costa Sampaio, Brígida Mónica Faria e Leonardo Bremermann, os quais, para além da amizade, nesta fase final me deram muito apoio; Novamente ao Sílvio Costa Sampaio pelo seu empenho incansável em ajudar-me na revisão deste documento; A CAPES pelo apoio financeiro com a bolsa de doutoramento no exterior; E em especial, aos meus orientadores, Prof. Doutor Luís Paulo Reis e Prof. Doutor António Paulo Moreira, pelos conhecimentos repassados, apoio, preocupação na realização deste e, além de tudo, a amizade. Índice ÍNDICE .............................................................................................................................. IX LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... XIII LISTA DE TABELAS .................................................................................................... XIX LISTA DE ACRÓNIMOS E SIGLAS ........................................................................... XXI RESUMO ....................................................................................................................... XXV ABSTRACT ................................................................................................................ XXVII RÉSUMÉ ...................................................................................................................... XXIX 1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 31 1.1 MOTIVAÇÃO .......................................................................................................... 33 1.2 OBJECTIVOS ........................................................................................................... 37 1.3 CONTRIBUIÇÕES CIENTÍFICAS DA TESE ................................................................... 38 1.4 ESTRUTURA DA TESE ............................................................................................. 39 2 DEFINIÇÕES E FUNDAMENTOS TEÓRICOS ..................................................... 41 2.1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 41 2.2 DEFINIÇÕES, PREMISSAS E RESTRIÇÕES ................................................................... 45 2.3 ROBÓTICA INTELIGENTE......................................................................................... 47 2.3.1 Agentes Reactivos e Arquitectura de Subsunção ................................................ 47 2.3.2 Modelo do Mundo ............................................................................................. 48 2.3.3 Grafos ............................................................................................................... 49 2.3.4 Algoritmo de Pesquisa/Procura ......................................................................... 52 2.3.5 Algoritmo AStar (A*)......................................................................................... 57 2.3.6 Planeamento Automático ................................................................................... 58 2.3.7 Navegação e Controlo ....................................................................................... 64 2.4 INTERACÇÃO E INTERFACES MULTI-MODAIS .......................................................... 70 2.4.1 Arquitecturas de Sistemas de Interacção Homem-máquina ................................ 72 2.4.2 Projectos de Interface Multimodal..................................................................... 73 2.5 SISTEMAS MULTI-AGENTE ..................................................................................... 74 2.5.1 Plataforma de Comunicação ............................................................................. 82 2.5.2 Metodologias de Modelação de SMA ................................................................. 90 2.6 SUMÁRIO ............................................................................................................... 97 3 ESTADO DA ARTE ................................................................................................... 99 IX 3.1 PRINCIPAIS PROJECTOS DE CADEIRAS DE RODAS INTELIGENTES ............................... 99 3.1.1 Cadeira de Rodas Autónoma da Universidade do Estado do Arizona .............. 100 3.1.2 CALL Centre ................................................................................................... 101 3.1.3 OMNI .............................................................................................................. 103 3.1.4 NavChair ........................................................................................................ 104 3.1.5 Tin Man .......................................................................................................... 104 3.1.6 Wellman .......................................................................................................... 105 3.1.7 FRIEND: ......................................................................................................... 106 3.1.8 Smartchair ...................................................................................................... 107 3.1.9 VAHM ............................................................................................................. 107 3.1.10 Robô SENA.................................................................................................. 109 3.1.11 RoboChair ................................................................................................... 110 3.1.12 ACCoMo ..................................................................................................... 111 3.1.13 RobChair: ................................................................................................... 112 3.2 SÍNTESE DOS PROJECTOS DE CRI .......................................................................... 113 3.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS PROJECTOS ........................................................... 116 3.3.1 Funções Presentes nos Projectos de CRI ......................................................... 117 3.3.2 Comportamento Baseado em Habilidades ....................................................... 119 3.3.3 Navegação ...................................................................................................... 120 3.3.4 Interface Homem-máquina .............................................................................. 120 3.3.5 Sistema Multi-agente e Cadeira de Rodas Inteligente ...................................... 121 3.4 SUMÁRIO ............................................................................................................. 122 4 CONCEITO E IMPLEMENTAÇÃO DA PLATAFORMA INTELLWHEELS ... 123 4.1 CONCEITO E PROJECTO ......................................................................................... 123 4.2 HARDWARE DA PLATAFORMA .............................................................................. 126 4.3 SIMULADOR DE CADEIRA DE RODAS ..................................................................... 129 4.4 PLANEAMENTO INTELIGENTE ................................................................................ 138 4.5 NAVEGAÇÃO E CONTROLO ................................................................................... 145 4.5.1 Controlo de Acções Básicas ............................................................................ 149 4.6 INTERFACE MULTIMODAL .................................................................................... 155 4.7 SISTEMA MULTI-AGENTE ..................................................................................... 158 4.7.1 Plataforma de Comunicação