BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

Uncertainty Analysis in New Seismic Hazard Study of Spain Aimed at the Revision of the Spanish Building Code.

In this paper we present a global overview of the recent study carried out in Spain for the new hazard map, which final goal is the revision of the Building Code in our country (NCSE-02). The study was carried our for a working group joining experts from The Instituto Geografico Nacional (IGN) and the Technical University of Madrid (UPM) , being the different phases of the work supervised by an expert Committee integrated by national experts from public institutions involved in subject of seismic hazard. The PSHA method (Probabilistic Seismic Hazard Assessment) has been followed, quantifying the epistemic uncertainties through a logic tree and the aleatory ones linked to variability of parameters by means of probability density functions and Monte Carlo simulations. In a first phase, the inputs have been prepared, which essentially are: 1) a project catalogue update and homogenization at Mw 2) proposal of zoning models and source characterization 3) calibration of Ground Motion Prediction Equations (GMPE’s) with actual data and development of a local model with data collected in Spain for Mw < 5.5. In a second phase, a sensitivity analysis of the different input options on hazard results has been carried out in order to have criteria for defining the branches of the logic tree and their weights. Finally, the hazard estimation was done with the logic tree shown in figure 1, including nodes for quantifying uncertainties corresponding to: 1) method for estimation of hazard (zoning and zoneless); 2) zoning models, 3) GMPE combinations used and 4) regression method for estimation of source parameters. In addition, the aleatory uncertainties corresponding to the magnitude of the events, recurrence parameters and maximum magnitude for each zone have been also considered including probability density functions and Monte Carlo simulations The main conclusions of the study are presented here, together with the obtained results in terms of PGA and other spectral accelerations SA (T) for return periods of 475, 975 and 2475 years. The map of the coefficient of variation (COV) are also represented to give an idea of the zones where the dispersion among results are the highest and the zones where the results are robust.

Quantitative assessment based on kinematic measures of functional impairments during upper extremity movements: a review

Quantitative measures of human movement quality are important for discriminating healthy and pathological conditions and for expressing the outcomes and clinically important changes in subjects' functional state. However the most frequently used instruments for the upper extremity functional assessment are clinical scales, that previously have been standardized and validated, but have a high subjective component depending on the observer who scores the test. But they are not enough to assess motor strategies used during movements, and their use in combination with other more objective measures is necessary. The objective of the present review is to provide an overview on objective metrics found in literature with the aim of quantifying the upper extremity performance during functional tasks, regardless of the equipment or system used for registering kinematic data.

Effects of different swimming race constraints on turning movements

The aim of this study was to investigate the effects of different swimming race constraints on the evolution of turn parameters. One hundred and fifty-eight national and regional level 200-m (meters) male swimming performances were video-analyzed using the individualized-distance model in the Open Comunidad de Madrid tournament. Turn (p < .001, ES = 0.36) and underwater distances (p < .001, ES = 0.38) as well as turn velocity (p < .001, ES = 0.69) significantly dropped throughout the race, although stroke velocity and underwater velocity were maintained in the last lap of the race (p > .05). Higher expertise swimmers obtained faster average velocities and longer distances in all the turn phases (p < .001, ES = 0.59), except the approach distance. In addition, national level swimmers showed the ability to maintain most of the turn parameters throughout the race, which assisted them in improving average velocity at the end of races. Therefore, the variations in the turning movements of a swimming race were expertise-related and focused on optimizing average velocity. Turning skills should be included in the swimming race action plan.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Regulación del movimiento y anticipación en el resto del primer servicio en tenis

Aunque se han logrado importantes avances en estudios de laboratorio con diseños experimentales poco representativos (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), a día de hoy, todavía se desconoce a cabalidad cómo los jugadores de tenis de diferente nivel de pericia calibran o ajustan sus movimientos a las demandas espacio-temporales presentes en la tarea de resto de un primer servicio. ! Escasos trabajos se han llevado a cabo in situ y a la mayoría se les puede cuestionar algún aspecto de la metodología empleada. Así pues, en varios estudios la frecuencia de grabación ha sido limitada (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), o la velocidad del saque ha sido visiblemente inferior a la habitual (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). También, en algunos estudios los participantes experimentados no han sido jugadores de nivel internacional (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), y el tamaño muestral ha sido muy pequeño (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). ! Además, en los diferentes trabajos se han utilizado una diversidad de métodos e instrumentos de medida y los criterios de codificación del inicio de los movimientos y de las respuestas han diferido; como consecuencia el lapso visomotor de respuesta (LVMr) ha sido muy dispar variando considerablemente de 198 a 410 ms. Considerando los inconvenientes señalados anteriormente, el presente estudio tuvo como objetivo determinar un modelo técnico de regulación temporal de los movimientos y de la respuesta del restador, tomando en cuenta el flujo continuo de información proporcionado por el sacador. Para ello, se realizó un análisis cronométrico de los restos de doce jugadores de diferente nivel deportivo (seis internacionales y seis nacionales) que respondieron de forma natural enviando sus devoluciones hacia las dianas. Se grabaron las acciones de los restadores y sacadores con una cámara Casio Exilim Pro Ex-F1 de alta velocidad (300 Hz) y luego se realizó un análisis imagen por imagen cada 3.33 ms. Una vez obtenidos los datos de los vídeos se realizaron análisis con las pruebas de ANOVA de un factor, ANCOVA con la velocidad del saque como covariable, U de Mann-Whitney y Chi-cuadrado de Pearson. En cuanto a la regulación del movimiento hasta el momento del despegue, los jugadores internacionales iniciaron sus acciones antes que los jugadores nacionales lo que podría indicar una mejor preparación al ejecutar los movimientos como reflejo del nivel de pericia. Los jugadores internacionales iniciaron la elevación del pie posterior a -293 ms y los jugadores nacionales a -202 ms. Todas estas acciones se fueron enlazando unas con otras y fue en el momento del impacto del sacador donde los restadores demostraron una remarcable coordinación perceptivo-motriz. Por consiguiente, los jugadores internacionales despegaron e iniciaron el vuelo a tan solo -6.5 ms del impacto y los jugadores nacionales lo hicieron más tarde a +19.5 ms. A lo largo de la secuencia temporal, todo parece indicar que las informaciones que utilizan los restadores interactúan entre sí; información más temprana y menos fiable para anticipar o moverse antes e información más tardía y más fiable para regular la temporalización de las acciones. Los restadores de nivel internacional y nacional anticiparon a nivel espacial en un bajo porcentaje (7.7% vs. 13.6%) y en tiempos similares (-127 vs. -118 ms) sugiriendo que la utilización de variables ópticas tempranas y menos fiables solo se produce en contadas ocasiones. Por otra parte, estos datos se relacionan con una gran precisión en la respuesta ya que tanto los jugadores internacionales como los nacionales demostraron un alto porcentaje de acierto al responder (95.4% vs. 96.7%). Se había señalado que los jugadores internacionales y nacionales se diferenciarían en el tiempo de caída (i.e., aterrizaje) del primer pie del salto preparatorio, sin embargo ese efecto no fue encontrado (128 vs. 135 ms). Tampoco se hallaron diferencias en el porcentaje de caída con el pie contrario a la dirección de la pelota (58% vs. 62%). Donde sí ambos grupos se diferenciaron fue en el tiempo de caída del segundo pie (147 vs. 168 ms). Esta diferencia de 21 ms fue crucial y fue una prueba de la mayor rapidez de los jugadores internacionales; sugiriendo que ésta acción se podría relacionar con el momento del inicio de la respuesta. Aunque los jugadores internacionales hayan demostrado ser más rápidos en relación con sus capacidades funcionales, ambos grupos no se diferenciaron en todas las variables relacionadas con el LVMr. Ellos no utilizaron esos valiosos milisegundos ganados en el instante de la caída del segundo pie para responder más pronto, ya que el LVMr del miembro superior fue el mismo para ambos grupos (179 vs. 174 ms). Es como si hubiesen tenido todo el tiempo del mundo para seguir ajustando sus acciones hasta el propio golpeo. Además, estos tiempos largos sugieren que en la gran mayoría de los restos la información clave que determinó la respuesta fue detectada (extraída) en momentos cercanos al golpeo del sacador y en la primera parte del vuelo de la pelota. Asimismo, se constató que en general el LVMr se ve influenciado por el tipo de información utilizada. De esta manera, cuando se tomaron en cuenta los ensayos en los que hubo anticipación espacial reflejados en el LVMr del cuerpo entero los tiempos disminuyeron (152 vs. 136 ms). Por otra parte, existieron ocasiones (13%) en los que tanto los jugadores internacionales como los nacionales respondieron tarde recibiendo saques directos (208 vs. 195 ms). Es muy posible que en estos casos los jugadores hayan tenido problemas para detectar la información respondiendo fuera de los márgenes temporales de acción lo que mermó su rendimiento. Lo mismo pudo haber ocurrido cuando ambos grupos de jugadores corrigieron el movimiento del miembro superior tras el impacto (17% vs. 10%) lo que aumentó el tiempo en responder al redirigir la respuesta hacia el lado correcto (208 vs. 205 ms). Además, los jugadores internacionales obtuvieron tiempos de movimiento menores que el de los jugadores nacionales (509 vs. 531 ms) lo que se reflejó en un tiempo total de actuación menor (683 vs. 703 ms). Por último, en cuanto al rendimiento del resto, los jugadores internacionales obtuvieron valores superiores a los jugadores nacionales (1.3 vs. 0.9). ABSTRACT Although there have been significant advances in laboratory studies with unrepresentative experimental designs (e.g., Farrow y Reid, 2012; Nieminen, Piirainen, Salmi, y Linnamo, 2013), today it is still unknown to full extent how tennis players of different levels of expertise calibrate or adjust their movements to the spatial-temporal demands present in the return of a first serve. Few studies have been carried out in situ and some aspects of the methodology most of them used can be questioned. Thus, in several studies the recording frequency has been limited (e.g., a 50 Hz en Jackson y Gudgeon, 2004; Triolet, Benguigui, Le Runigo y Williams, 2013), or serve speed was visibly lower than the usual one (cf. Carboch, Süss y Kocib, 2014; Williams, Singer y Weigelt, 1998). Also, in some studies, experienced participants have not played at international level (e.g., Avilés, Ruiz, Sanz y Navia, 2014), and the sample size has been very small (e.g., Gillet, Leroy, Thouvarecq, Mégrot y Stein, 2010). Furthermore, different works have used a variety of methods and measurement instruments and coding criteria of the onset of movements and responses have differed; due to this, visuomotor response delay (LVMr) has been very uneven, varying considerably from 198-410 ms. Considering the drawbacks mentioned above, this study aimed to determine a technical model of temporal regulation of movements and returner’s response, taking into account the continuous flow of information provided by the server. For this, a chronometric analysis of the returns of twelve players (six international and six national) of different sports level, that naturally responded by hitting their returns towards the targets, was performed. Actions of servers and returners were recorded with a Casio Exilim Pro Ex-F1 high speed camera (300 Hz) and then every 3.33 ms analysis was made frame by frame. Once the data of the videos were obtained, analyses were performed using one factor ANOVA test, ANCOVA with the speed of the serve as a covariate, U of Mann- Whitney and Pearson’s Chi-square test. As for the regulation of movement until the moment of serve, international players began their actions before national players, which could indicate that they were better prepared to execute movements reflecting the level of their expertise. International players began raising the rear foot at -293 ms and national players at -202 ms. All these actions were being linked to each other and it was at the moment of impact of the server when the receivers demonstrated a remarkable perceptual-motor coordination. Therefore, international players took off and started their flight just -6.5 ms before the serve and national players did the same somewhat later: +19.5 ms after the serve. Along the timeline, everything seems to indicate that the information used by returners interact with each other; early information which is less reliable to anticipate or move before, and later information more reliable appears to regulate the timing of actions. Returners of international and national levels anticipated at spatial level in a low percentage (7.7% vs. 13.6%) and in similar times (-127 vs. -118 ms) suggesting that the use of early and less reliable optical variables is only produced on rare occasions. Moreover, these data relate to a precise response as both international and national players showed a high percentage of success in responding (95.4% vs. 96.7%). It had been noted that international and national players would differ in the time the fall (i.e., landing) of the first foot of the split-step, however, this effect was not found (128 vs. 135 ms). No differences in the percentage of fall with the opposite foot to the direction of the ball (58% vs. 62%) were found. Where the two groups differed was in the time of the fall of the second foot (147 vs. 168 ms). This difference of 21 ms was crucial and it was a proof of mayor speed of international players; suggesting that this action could be related to the onset time of response. Although international players have proven to be faster in relation to their functional capabilities, both groups did not differ in all variables related to LVMr. They did not use those precious milliseconds earned at the time of the fall of the second foot to respond as soon, since the LVMr of the upper limb was the same for both groups (179 vs. 174 ms). It is as if they had all the time in the world to continue to adjust their actions until the return itself. Furthermore, these long times suggest that in the vast majority of the returns, key information that determined the response was detected (pick-up) in moments close to the hit of the server and in the first part of the ball flight. It was also found that in general the LVMr is influenced by the type of information used. Thus, when taking into account the trials during which there was spatial anticipation, reflected in LVMr of the whole body, the times decreased (152 vs. 136 ms). On the other hand, there were occasions (13%) where both international and national players responded late, thus receiving aces (208 vs. 195 ms). It is quite possible that in these cases the players have had trouble to pick-up information, responding out of temporary margins of action, which affected their performance. The same could have occurred when both groups of players corrected upper limb movement after impact (17% vs. 10%), which increased the time to respond and to redirect the return towards the right side (208 vs. 205 ms). Moreover, international players scored lower movement times than the national players (509 vs. 531 ms), which was reflected in a shorter total response time (683 vs. 703 ms). Finally, as far as the performance of return is concerned, international players scored above the national players values (1.3 vs. 0.9).