VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Gestión y análisis de riesgos aplicados al proyecto : "Remodelización del vial existente que une el municipio de Cañaveruelas (Cuenca) con el embalse de Buendía, mediante una vía de doble sentido tipo C-60 que incluye un carril bici y otro peatonal. Ordenación terrritorial en las proximidades del embalse.

El objetivo de este PFG es aplicar las herramientas de planificación a un proyecto existente y hacer un estudio del análisis de riesgos. El PFC al que se va a aplicar la gestión de riesgos es: “ Remodelación del vial existente que une el municipio de Cañaveruelas (Cuenca) con el embalse de Buendía, mediante una vía de doble sentido tipo C-60 que incluye un carril bici y otro peatonal. Ordenación territorial en las proximidades al embalse”. Fue realizado por Laura Gallego Salagre y por mí, para la defensa del PFC de Ingeniero Técnico en Topografía en junio de 2013. - Descripción breve del proyecto al que se va a aplicar la herramienta de gestión. - Estudio de los métodos y de las herramientas de gestión de análisis de los riesgos - Diseño de una planificación adecuada y eficiente. - Identificación de los riesgos que puedan afectar al proyecto - Realizar un análisis cualitativo y cuantitativo de Riesgos - Planificar las respuestas a los Riesgos - Analizar las diferentes respuestas - Comparar la planificación determinista con la realizada tras el análisis de riesgos. Para hacer un estudio del análisis de riesgos, hay que empezar por una planificación detallada del proyecto e identificar los posibles riesgos que puedan aparecer. Después haremos una estimación de los recursos y los asignaremos a las diferentes actividades. Posteriormente se realizará una red de procedencias, se calculará el camino crítico y se establecerá un plan de hitos para realizar un análisis de riesgos mediante el método Monte Carlo, que nos indicará la incertidumbre de las actividades. Posteriormente identificaremos los posibles riesgos que puedan afectar a nuestra planificación, los analizaremos cualitativa y cuantitativamente y se evaluarán las acciones de mitigación de los riesgos. Por último, se creará el impacto de estos en las actividades y a partir de ellos, se harán los calendarios pre y post mitigados para su posterior análisis.

Identidad, apropiación, sentido de comunidad y satisfacción residencial: claves de análisis para los estudios urbanos y la planificación. El caso del barrio Embajadores, Madrid

Las rápidas y continuas transformaciones urbanas que experimentan las ciudades actuales han generado importantes cambios en la forma en que se vive, experimenta y percibe la vida en ellas. Estos procesos de transformación, a veces fruto del rápido crecimiento de los entornos urbanos, de su heterogeneidad, de sus dinámicas económicas, de la confrontación de las diferencias sociales de los habitantes o simplemente producto de nuevos usos en los entornos, han propiciado un creciente interés por comprender el efecto que un determinado contexto urbano tiene sobre el individuo y viceversa. O dicho de forma más general, se ha buscado comprender la relación entre el ser humano y el entorno. Así, más recientemente, la atención de muchos estudios se ha posado también en los patrones de uso de los espacios, los cuales van acompañados de una infinidad de cogniciones y valoraciones surgidas en los residentes producto de sus experiencias con el entorno construido. Dentro del desarrollo de estas investigaciones, han surgido una gran variedad de conceptos que han sido identificados por la trascendencia que tienen sobre el vínculo entre el individuo y el contexto, entre los cuales encontramos los conceptos de Identidad, Apropiación de lugar, Sentido de Comunidad y Satisfacción residencial. Este trabajo, tomando como base estos cuatro conceptos, se ha preocupado por comprender la forma en que éstos se relacionan con una serie de variables socio-demográficas, físico-urbanas y cognitivas en la dimensión urbana, con el propósito de valorar el poder de estos constructos —y las variables vinculadas— con los procesos de transformación urbana. La finalidad de la realización de dicho análisis se sustenta en poder identificar como estos factores son tomados en consideración en el urbanismo para así poder reconocer diversas opciones para mediar o incidir sobre estas variables desde las políticas públicas, la planificación urbana o el proyecto urbano. Esto pues, se parte del entendimiento de que la práctica urbanística tiene la opción de interceder sobre una serie de cuestiones que afectan directamente el bienestar y la calidad de vida de las personas, por lo cual su absoluto entendimiento sobre los efectos que fenómenos urbanos como éstos tienen sobre los entornos, es de gran transcendencia para la disciplina. Por tanto, esta investigación ha recopilado y analizado, mediante diferentes herramientas estadísticas, gran cantidad de datos provenientes de una encuesta realizada en un barrio de la ciudad de Madrid, que le han permitido identificar las variables que más peso tienen en los procesos urbanos que desembocan en una mayor Identificación, Apropiación, Sentido de Comunidad y Satisfacción Residencial en el individuo. Esta primera etapa, permitió posteriormente indagar, con ayuda de un panel de expertos urbanistas, sobre las posibilidades de la disciplina para mediar o interceder sobre esos aspectos, lo que nos permitió finalmente alcanzar algunos resultados y conclusiones que permiten valorar las opciones de las diferentes escalas de intervención urbana y los retos de cara al futuro de trabajos sobre esta temática. ABSTRACT The fast and continuous urban transformations that current major cities experience, have generated important changes in the way in which we live, experience and perceive life in them. These transformation processes, sometimes result of rapid growth of urban environments, of their heterogeneity, of their economic dynamics, of the confrontation of social differences amongst its population or just as a product of new ways environments are used, have led to a growing interest in understanding the effect that a given urban context has on the individual and vice versa. In other words, it’s sought to understand the relationship between human beings and the environment. Thus, more recently, the attention of many studies have also focused in the patterns of use of space, which are accompanied by a multitude of cognitions and valuations arising in residents product of their experiences with the built environment. Within the development of those investigations, there have been a great variety of concepts that have been identified due to the importance they have on the relationship between the individual and the context, among which are the concepts of identity, appropriation of place, sense of community and residential satisfaction. This work, based on these four concepts, has been concerned with understanding how they relate to a series of socio-demographic, physical and cognitive variables in an urban dimension, in order to assess the power of these constructs —and related variables— with urban transformation processes. The purpose of that analysis is based on being able to identify how these factors are taken into consideration in planning, in order to recognize different options to mediate or influence on these variables from public policies, urban planning or urban project. This then, is on the understanding that the planning practice has the option to intercede on a number of issues that directly affect the welfare and quality of life of people, so the absolute understanding of the effects of urban phenomena like these have over environments, is of great importance to the discipline. Therefore, this research has collected and analyzed, using different statistical tools, lots of data obtained from a survey performed in a neighborhood of the city of Madrid, which enabled it to identify the variables that have more weight in urban processes that lead in higher identification, appropriation, sense of community and residential satisfaction in the individual. This first step, then allows investigating, with the help of a panel of expert planners, on the possibility of the discipline to mediate or intercede on these aspects, which ultimately enabled us to achieve some results and conclusions that allow evaluating the options of different scales of urban intervention and challenges for the future of work on this subject.