Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Contribución al diseño de lazos de realimentación electrónica para microsistemas electromecánicos (MEMS) resonantes: ruido de fase generado en lazos osciladores por sus realimentaciones

En 1966, D. B. Leeson publicó el artículo titulado “A simple model of feedback oscillator noise spectrum” en el que, mediante una ecuación obtenida de forma heurística y basada en parámetros conocidos de los osciladores, proponía un modelo para estimar el espectro de potencia que cuantifica el Ruido de Fase de estos osciladores. Este Ruido de Fase pone de manifiesto las fluctuaciones aleatorias que se producen en la fase de la señal de salida de cualquier oscilador de frecuencia f_0. Desde entonces, los adelantos tecnológicos han permitido grandes progresos en cuanto a la medida del Ruido de Fase, llegando a encontrar una estrecha “zona plana”, alrededor de f_0, conocida con el nombre de Ensanchamiento de Línea (EL) que Leeson no llegó a observar y que su modelo empírico no recogía. Paralelamente han ido surgiendo teorías que han tratado de explicar el Ruido de Fase con mayor o menor éxito. En esta Tesis se propone una nueva teoría para explicar el espectro de potencia del Ruido de Fase de un oscilador realimentado y basado en resonador L-C (Inductancia-Capacidad). Al igual que otras teorías, la nuestra también relaciona el Ruido de Fase del oscilador con el ruido térmico del circuito que lo implementa pero, a diferencia de aquellas, nuestra teoría se basa en un Modelo Complejo de ruido eléctrico que considera tanto las Fluctuaciones de energía eléctrica asociadas a la susceptancia capacitiva del resonador como las Disipaciones de energía eléctrica asociadas a su inevitable conductancia G=1⁄R, que dan cuenta del contacto térmico entre el resonador y el entorno térmico que le rodea. En concreto, la nueva teoría que proponemos explica tanto la parte del espectro del Ruido de Fase centrada alrededor de la frecuencia portadora f_0 que hemos llamado EL y su posterior caída proporcional a 〖∆f〗^(-2) al alejarnos de f_0, como la zona plana o pedestal que aparece en el espectro de Ruido de Fase lejos de esa f_0. Además, al saber cuantificar el EL y su origen, podemos explicar con facilidad la aparición de zonas del espectro de Ruido de Fase con caída 〖∆f〗^(-3) cercanas a la portadora y que provienen del denominado “exceso de ruido 1⁄f” de dispositivos de Estado Sólido y del ruido “flicker” de espectro 1⁄f^β (0,8≤β≤1,2) que aparece en dispositivos de vacío como las válvulas termoiónicas. Habiendo mostrado que una parte del Ruido de Fase de osciladores L-C realimentados que hemos denominado Ruido de Fase Térmico, se debe al ruido eléctrico de origen térmico de la electrónica que forma ese oscilador, proponemos en esta Tesis una nueva fuente de Ruido de Fase que hemos llamado Ruido de Fase Técnico, que se añadirá al Térmico y que aparecerá cuando el desfase del lazo a la frecuencia de resonancia f_0 del resonador no sea 0° o múltiplo entero de 360° (Condición Barkhausen de Fase, CBF). En estos casos, la modulación aleatoria de ganancia de lazo que realiza el Control Automático de Amplitud en su lucha contra ruidos que traten de variar la amplitud de la señal oscilante del lazo, producirá a su vez una modulación aleatoria de la frecuencia de tal señal que se observará como más Ruido de Fase añadido al Térmico. Para dar una prueba empírica sobre la existencia de esta nueva fuente de Ruido de Fase, se diseñó y construyó un oscilador en torno a un resonador mecánico “grande” para tener un Ruido de Fase Térmico despreciable a efectos prácticos. En este oscilador se midió su Ruido de Fase Técnico tanto en función del valor del desfase añadido al lazo de realimentación para apartarlo de su CBF, como en función de la perturbación de amplitud inyectada para mostrar sin ambigüedad la aparición de este Ruido de Fase Técnico cuando el lazo tiene este fallo técnico: que no cumple la Condición Barkhausen de Fase a la frecuencia de resonancia f_0 del resonador, por lo que oscila a otra frecuencia. ABSTRACT In 1966, D. B. Leeson published the article titled “A simple model of feedback oscillator noise spectrum” in which, by means of an equation obtained heuristically and based on known parameters of the oscillators, a model was proposed to estimate the power spectrum that quantifies the Phase Noise of these oscillators. This Phase Noise reveals the random fluctuations that are produced in the phase of the output signal from any oscillator of frequencyf_0. Since then, technological advances have allowed significant progress regarding the measurement of Phase Noise. This way, the narrow flat region that has been found around f_(0 ), is known as Line Widening (LW). This region that Leeson could not detect at that time does not appear in his empirical model. After Leeson’s work, different theories have appeared trying to explain the Phase Noise of oscillators. This Thesis proposes a new theory that explains the Phase Noise power spectrum of a feedback oscillator around a resonator L-C (Inductance-Capacity). Like other theories, ours also relates the oscillator Phase Noise to the thermal noise of the feedback circuitry, but departing from them, our theory uses a new, Complex Model for electrical noise that considers both Fluctuations of electrical energy associated with the capacitive susceptance of the resonator and Dissipations of electrical energy associated with its unavoidable conductance G=1/R, which accounts for the thermal contact between the resonator and its surrounding environment (thermal bath). More specifically, the new theory we propose explains both the Phase Noise region of the spectrum centered at the carrier frequency f_0 that we have called LW and shows a region falling as 〖∆f〗^(-2) as we depart from f_0, and the flat zone or pedestal that appears in the Phase Noise spectrum far from f_0. Being able to quantify the LW and its origin, we can easily explain the appearance of Phase Noise spectrum zones with 〖∆f〗^(-3) slope near the carrier that come from the so called “1/f excess noise” in Solid-State devices and “flicker noise” with 1⁄f^β (0,8≤β≤1,2) spectrum that appears in vacuum devices such as thermoionic valves. Having shown that the part of the Phase Noise of L-C oscillators that we have called Thermal Phase Noise is due to the electrical noise of the electronics used in the oscillator, this Thesis can propose a new source of Phase Noise that we have called Technical Phase Noise, which will appear when the loop phase shift to the resonance frequency f_0 is not 0° or an integer multiple of 360° (Barkhausen Phase Condition, BPC). This Phase Noise that will add to the Thermal one, comes from the random modulation of the loop gain carried out by the Amplitude Automatic Control fighting against noises trying to change the amplitude of the oscillating signal in the loop. In this case, the BPC failure gives rise to a random modulation of the frequency of the output signal that will be observed as more Phase Noise added to the Thermal one. To give an empirical proof on the existence of this new source of Phase Noise, an oscillator was designed and constructed around a “big” mechanical resonator whose Thermal Phase Noise is negligible for practical effects. The Technical Phase Noise of this oscillator has been measured with regard to the phase lag added to the feedback loop to separate it from its BPC, and with regard to the amplitude disturbance injected to show without ambiguity the appearance of this Technical Phase Noise that appears when the loop has this technical failure: that it does not fulfill the Barkhausen Phase Condition at f_0, the resonance frequency of the resonator and therefore it is oscillating at a frequency other than f_0.

Automatic physical activity pattern recognition and meal intake modelling in type 1 diabetes for their inclusion in artificial pancreas systems

La diabetes comprende un conjunto de enfermedades metabólicas que se caracterizan por concentraciones de glucosa en sangre anormalmente altas. En el caso de la diabetes tipo 1 (T1D, por sus siglas en inglés), esta situación es debida a una ausencia total de secreción endógena de insulina, lo que impide a la mayoría de tejidos usar la glucosa. En tales circunstancias, se hace necesario el suministro exógeno de insulina para preservar la vida del paciente; no obstante, siempre con la precaución de evitar caídas agudas de la glucemia por debajo de los niveles recomendados de seguridad. Además de la administración de insulina, las ingestas y la actividad física son factores fundamentales que influyen en la homeostasis de la glucosa. En consecuencia, una gestión apropiada de la T1D debería incorporar estos dos fenómenos fisiológicos, en base a una identificación y un modelado apropiado de los mismos y de sus sorrespondientes efectos en el balance glucosa-insulina. En particular, los sistemas de páncreas artificial –ideados para llevar a cabo un control automático de los niveles de glucemia del paciente– podrían beneficiarse de la integración de esta clase de información. La primera parte de esta tesis doctoral cubre la caracterización del efecto agudo de la actividad física en los perfiles de glucosa. Con este objetivo se ha llevado a cabo una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis que determinen las respuestas ante varias modalidades de ejercicio para pacientes con T1D, abordando esta caracterización mediante unas magnitudes que cuantifican las tasas de cambio en la glucemia a lo largo del tiempo. Por otro lado, una identificación fiable de los periodos con actividad física es un requisito imprescindible para poder proveer de esa información a los sistemas de páncreas artificial en condiciones libres y ambulatorias. Por esta razón, la segunda parte de esta tesis está enfocada a la propuesta y evaluación de un sistema automático diseñado para reconocer periodos de actividad física, clasificando su nivel de intensidad (ligera, moderada o vigorosa); así como, en el caso de periodos vigorosos, identificando también la modalidad de ejercicio (aeróbica, mixta o de fuerza). En este sentido, ambos aspectos tienen una influencia específica en el mecanismo metabólico que suministra la energía para llevar a cabo el ejercicio y, por tanto, en las respuestas glucémicas en T1D. En este trabajo se aplican varias combinaciones de técnicas de aprendizaje máquina y reconocimiento de patrones sobre la fusión multimodal de señales de acelerometría y ritmo cardíaco, las cuales describen tanto aspectos mecánicos del movimiento como la respuesta fisiológica del sistema cardiovascular ante el ejercicio. Después del reconocimiento de patrones se incorpora también un módulo de filtrado temporal para sacar partido a la considerable coherencia temporal presente en los datos, una redundancia que se origina en el hecho de que en la práctica, las tendencias en cuanto a actividad física suelen mantenerse estables a lo largo de cierto tiempo, sin fluctuaciones rápidas y repetitivas. El tercer bloque de esta tesis doctoral aborda el tema de las ingestas en el ámbito de la T1D. En concreto, se propone una serie de modelos compartimentales y se evalúan éstos en función de su capacidad para describir matemáticamente el efecto remoto de las concetraciones plasmáticas de insulina exógena sobre las tasas de eleiminación de la glucosa atribuible a la ingesta; un aspecto hasta ahora no incorporado en los principales modelos de paciente para T1D existentes en la literatura. Los datos aquí utilizados se obtuvieron gracias a un experimento realizado por el Institute of Metabolic Science (Universidad de Cambridge, Reino Unido) con 16 pacientes jóvenes. En el experimento, de tipo ‘clamp’ con objetivo variable, se replicaron los perfiles individuales de glucosa, según lo observado durante una visita preliminar tras la ingesta de una cena con o bien alta carga glucémica, o bien baja. Los seis modelos mecanísticos evaluados constaban de: a) submodelos de doble compartimento para las masas de trazadores de glucosa, b) un submodelo de único compartimento para reflejar el efecto remoto de la insulina, c) dos tipos de activación de este mismo efecto remoto (bien lineal, bien con un punto de corte), y d) diversas condiciones iniciales. ABSTRACT Diabetes encompasses a series of metabolic diseases characterized by abnormally high blood glucose concentrations. In the case of type 1 diabetes (T1D), this situation is caused by a total absence of endogenous insulin secretion, which impedes the use of glucose by most tissues. In these circumstances, exogenous insulin supplies are necessary to maintain patient’s life; although caution is always needed to avoid acute decays in glycaemia below safe levels. In addition to insulin administrations, meal intakes and physical activity are fundamental factors influencing glucose homoeostasis. Consequently, a successful management of T1D should incorporate these two physiological phenomena, based on an appropriate identification and modelling of these events and their corresponding effect on the glucose-insulin balance. In particular, artificial pancreas systems –designed to perform an automated control of patient’s glycaemia levels– may benefit from the integration of this type of information. The first part of this PhD thesis covers the characterization of the acute effect of physical activity on glucose profiles. With this aim, a systematic review of literature and metaanalyses are conduced to determine responses to various exercise modalities in patients with T1D, assessed via rates-of-change magnitudes to quantify temporal variations in glycaemia. On the other hand, a reliable identification of physical activity periods is an essential prerequisite to feed artificial pancreas systems with information concerning exercise in ambulatory, free-living conditions. For this reason, the second part of this thesis focuses on the proposal and evaluation of an automatic system devised to recognize physical activity, classifying its intensity level (light, moderate or vigorous) and for vigorous periods, identifying also its exercise modality (aerobic, mixed or resistance); since both aspects have a distinctive influence on the predominant metabolic pathway involved in fuelling exercise, and therefore, in the glycaemic responses in T1D. Various combinations of machine learning and pattern recognition techniques are applied on the fusion of multi-modal signal sources, namely: accelerometry and heart rate measurements, which describe both mechanical aspects of movement and the physiological response of the cardiovascular system to exercise. An additional temporal filtering module is incorporated after recognition in order to exploit the considerable temporal coherence (i.e. redundancy) present in data, which stems from the fact that in practice, physical activity trends are often maintained stable along time, instead of fluctuating rapid and repeatedly. The third block of this PhD thesis addresses meal intakes in the context of T1D. In particular, a number of compartmental models are proposed and compared in terms of their ability to describe mathematically the remote effect of exogenous plasma insulin concentrations on the disposal rates of meal-attributable glucose, an aspect which had not yet been incorporated to the prevailing T1D patient models in literature. Data were acquired in an experiment conduced at the Institute of Metabolic Science (University of Cambridge, UK) on 16 young patients. A variable-target glucose clamp replicated their individual glucose profiles, observed during a preliminary visit after ingesting either a high glycaemic-load or a low glycaemic-load evening meal. The six mechanistic models under evaluation here comprised: a) two-compartmental submodels for glucose tracer masses, b) a single-compartmental submodel for insulin’s remote effect, c) two types of activations for this remote effect (either linear or with a ‘cut-off’ point), and d) diverse forms of initial conditions.

Aplicación de la energía solar térmica en una incubadora comercial de perdiz roja y supervisión de la actividad biológica mediante sensores inteligentes

La perdiz roja es la especie cinegética por excelencia en la península ibérica, cuya cría en cautividad y suelta controlada comenzó a regularse en los años 70 con la aparición del ICONA. La incubación controlada de huevos de perdiz es imprescindible, con fines cinegéticos y de preservación de la especie, y se desarrolla con incubadoras comerciales de pequeña y mediana escala, distribuidas en zonas rurales con acceso limitado y/o deficiente al suministro eléctrico. En nuestras latitudes el aporte de energía solar térmica se perfila como una posibilidad de mejorar la eficiencia energética de éstas y otras instalaciones y de reducir la dependencia energética exterior. Hay diversos factores físico-químicos que influyen en la calidad de la incubación: temperatura, humedad relativa, y concentración de gases, de los cuales sólo los dos primeros son habitualmente supervisados y controlados en este tipo de incubadoras. Esta Tesis surge en el marco de dos proyectos de cooperación con la AECID, y tiene como objetivos: la caracterización espacial de variables relevantes (temperatura (T), humedad relativa (HR)) en la incubadora comercial durante el proceso de incubación, la determinación de la relación existente entre la evolución de variables ambientales durante el proceso de incubación y la tasa de nacimientos (35-77%), así como el diseño y evaluación del sistema de apoyo solar térmico para determinar su potencial de utilización durante las incubaciones comerciales. La instalación de un número limitado de sensores permite la monitorización precisa del proceso de incubación de los huevos. Los resultados más relevantes indican que en incubaciones comerciales los gradientes de T y HR han sido despreciables (1ºC de diferencia entre las posiciones con mayor y menor T media y un 4,5% de diferencia entre las posiciones con mayor y menor HR), mientras que el seguimiento y ajuste (mediante modelos de crecimiento) de la concentración de CO2 (r2 entre 0,948 y 0,987 en las 5 incubaciones, para un total de 43315 huevos) permite valorar la actividad fisiológica de los huevos e incluso predecir la tasa de éxito (nacimientos), basándose en la concentración de CO2 estimada mediante modelos de crecimiento en el día 20 de incubación (r2 entre 0,997 y 0,994 según el modelo de estimación empleado). El sistema ha sido valorado muy positivamente por los productores (Finca Cinegética Dehesa Vieja de Galapagar). El aporte térmico se ha diseñado (con mínima intrusión en el sistema comercial) sobre la base de un sistema de enfriamiento de emergencia original de la incubadora, al que se han incorporado un colector solar, un depósito, un sistema de electroválvulas, una bomba de circulación y sensores de T en distintos puntos del sistema, y cuyo control ha sido automatizado. En esta Tesis se muestra que la contribución solar puede aportar hasta un 42% de las demandas de energía en nuestras condiciones geográficas para una temperatura de consigna dentro de la incubadora de 36.8ºC, sin afectar a la estabilidad de la temperatura. Además, el rendimiento del colector solar se ha acotado entre un 44% y un 85%, de acuerdo con los cálculos termodinámicos; valores que se mantienen dentro del rango aportado por el fabricante (61%). En el futuro se plantea evaluar el efecto de distintas estrategias de control, tales como controladores difusos, que incorporan el conocimiento experto al control automático. ABSTRACT The partridge is the quintessential game species in the Iberian Peninsula, which controlled breeding and release, began to be regulated in the 70s with the emergence of ICONA. The controlled incubation of eggs is essential, and takes place in commercial incubators of small and medium scale, distributed in rural areas with limited and/or inadequate access to power. In our latitudes the contribution of solar thermal energy is emerging as a possibility to improve the energy efficiency of the facilities and to reduce external energy dependence. There are various physicochemical factors influencing the quality of incubation: temperature, relative humidity and concentration of gases, of which only the first two are typically monitored and controlled in such incubators. This PhD comes within the framework of two cooperation projects with AECID and aims: the spatial characterization of relevant variables in a commercial incubator (temperature (T), and relative humidity (HR)), determining the relationships in the changes in environmental variables during incubation and birth rates (35-77%) as well as the design and evaluation of solar thermal support system to determine its potential use during commercial incubations; the installation of a limited number of sensors has allowed accurate monitoring of incubation of eggs. The most relevant results indicate that in commercial incubations, the gradients in T and HR have been negligible (1°C difference between the highest and lowest positions T and average 4.5% difference between the highest and lowest positions HR), while monitoring and fit using growth models of the concentration of CO2 (r2 between 0.948 and 0.987 in 5 incubations, for a total amount of 43,315 eggs) allows assessing the physiological activity of the eggs and even predict the success rate (hatchability), based on the estimated concentration of CO2 by using growth models on day 20 of incubation (r2 between 0.997 and 0.994 depending on the fit model).The system has been highly valued by producers (Finca Cinegética Dehesa Vieja de Galapagar). The hybrid heat system is designed (with minimal intrusion into the commercial system) based on an emergency cooling device, original in the incubator. New elements have been incorporated: a solar collector, a tank, a system of solenoid valves, a circulating pump and T sensors at various points of the system, whose control has been automated. This PhD shows that the solar contribution is responsible for up to 42% of energy demands in our geographical conditions for a setpoint temperature inside the incubator of 36.8ºC, without questioning the stability of the temperature. Furthermore, the efficiency of the solar collector has been bounded between 44% and 85%, according to thermodynamic calculations; values remain within the range provided by the manufacturer (61%). In the future it is proposed to evaluate the effect of different control strategies, such as fuzzy controllers, which incorporate the expertise to automated control.

Desarrollo de un sistema automático de medida para el control del consumo en sistemas empotrados

El Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico de la Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- se dedica, entre otras cosas, al estudio y mejora del consumo en sistemas empotrados. Es en este lugar y sobre este tema donde el proyecto a exponer ha tomado forma y desarrollo. Según un artículo de la revista online Revista de Electrónica Embebida, un sistema empotrado o embebido es aquel “sistema controlado por un microprocesador y que gracias a la programación que incorpora o que se le debe incorporar, realiza una función específica para la que ha sido diseñado, integrando en su interior la mayoría de los elementos necesarios para realizar dicho función”. El porqué de estudiar sobre este tema responde a que, cada vez, hay mayor presencia de sistemas empotrados en nuestra vida cotidiana. Esto es debido a que se está tendiendo a dotar de “inteligencia” a todo lo que puedan hacer nuestra vida un poco más fácil. Nos podemos encontrar dichos sistemas en fábricas, oficinas de atención a los ciudadanos, sistemas de seguridad de hogar, relojes, móviles, lavadoras, hornos, aspiradores y un largo etcétera en cualquier aparato que nos podamos imaginar. A pesar de sus grandes ventajas, aún hay grandes inconvenientes. El mayor problema que supone a día de hoy es la autonomía del mismo sistema, ya que hablamos de aparatos que muchas veces están alimentados por baterías -para ayudar a su portabilidad–. Por esto, se está intentando dotar a dichos sistemas de una capacidad de ahorro de energía y toma de decisiones que podrían ayudar a duplicar la autonomía de dicha batería. Un ejemplo claro son los Smartphones de hoy en día, unos aparatos casi indispensables que pueden tener una autonomía de un día. Esto es poco práctico para el usuario en caso de viajes, trabajo u otras situaciones en las que se le dé mucho uso y no pueda tener acceso a una red eléctrica. Es por esto que surge la necesidad de investigar, sin necesidad de mejorar el hardware del sistema, una manera de mejorar esta situación. Este proyecto trabajará en esa línea creando un sistema automático de medida el cual generará las corrientes que servirán como entrada para verificar el sistema de adquisición que junto con la tarjeta Beagle Board permitirá la toma de decisiones en relación con el consumo de energía. Para realizar este sistema, nos ayudaremos de diferentes herramientas que podremos encontrar en el laboratorio del GDEM, como la fuente de alimentación Agilent y la Beagle Board –como principales herramientas de trabajo- . El objetivo principal será la simulación de unas señales que, después de pasar un proceso de conversión y tratado, harán la función de representación del consumo de cada una de las partes que pueden formar un sistema empotrado genérico. Por lo tanto, podemos decir que el sistema hará la funcionalidad de un banco de pruebas que ayudará a simular dicho consumo para que el microprocesador del sistema pueda llegar a tomar alguna decisión. ABSTRACT. The Electronic and Microelectronic Design Group of Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- is in charge, between other issues, of improving the embedded system’s consumption. It is in this place and about this subject where the exposed project has taken shape and development. According to an article from de online magazine Revista de Electronica Embebida, an embedded system is “the one controlled by a microprocessor and, thanks to the programing that it includes, it carries out a specific function what it has been designed for, being integrated in it the most necessary elements for realizing the already said function”. The because of studying this subject, answers that each time there is more presence of the embedded system in our daily life. This is due to the tendency of providing “intelligence” to all what can make our lives easier. We can find this kind of systems in factories, offices, security systems, watchers, mobile phones, washing machines, ovens, hoovers and, definitely, in all kind of machines what we can think of. Despite its large vantages, there are still some inconveniences. Nowadays, the most important problem is the autonomy of the system itself when machines that have to be supplied by batteries –making easier the portability-. Therefore, this project is going after a save capacity of energy for the system as well as being able to take decisions in order to duplicate batteries’ autonomy. Smartphones are a clear example. They are a very successful product but the autonomy is just one day. This is not practical for users, at all, if they have to travel, to work or to do any activity that involves a huge use of the phone without a socket nearby. That is why the need of investigating a way to improve this situation. This project is working on this line, creating an automatic system that will generate the currents for verifying the acquisition system that, with the beagle board, will help taking decisions regarding the energy’s consumption. To carry out this system, we need different tools that we can find in the laboratory of the group previously mentioned, like power supply Agilent and the Beagle Board – as main working tools –. The main goal is the simulation of some signals that, after a conversion process, will represent de consumption of each of the parts in the embedded generic system. Therefore, the system will be a testing ground that simulate the consumption, once sent to the processor, to be processed and so the microprocessor system might take some decision.

Banco de medidas automático para linealización de amplificadores

This work is focused on building and configuring a measurement test bench for non linear High Power Amplifiers, more precisely those ones based on the Envelope Elimination and Restoration. At first sight the test bench is composed of several arbitrary waveform generators, an oscilloscope, a vector signal generator and a spectrum analyzer all of them controlled remotely. The test bench works automatically, that is why several software control programs have been developed in order to control all this equipment. The control programs have been developed in Matlab/Octave Scripting language and at last chance in a more low level language as C. The signal processing algorithms, taking into account that the time alignment one is the most important, have been developed in Matlab/Octave Scripting too. An improvement of 10dB in the ACPR(Adjacent Channel Power Ratio) has been obtained just by applying the time alignment algorithm developed in this work

Diseño de un sistema automático de medida de la constante de Planck en diodos LED

En este proyecto fin de carrera se ha diseñado y construido un equipo de medida automático que permite realizar la medida de la constante de Planck utilizando los principios de Funcionamiento de los diodos LED. El equipo de medida es totalmente automático gracias a la utilización de una placa controladora Arduino MEGA 2560, que se encarga de realizar la iluminación secuencial de cada LED, medir sus tensiones de funcionamiento, y de realizar los cálculos necesarios para hallar la constante de Planck. Todos los datos se muestran por una pantalla LCD de 16 caracteres por 2 lineas. Para comprender el funcionamiento del sistema de medida automático se ha realizado un estudio detallado de cada uno de los sistemas que componen el equipo de medida. Se ha explicado el funcionamiento teórico de los diodos LED y el funcionamiento de los semiconductores. Se ha explicando los diversos tipos de semiconductores que se utilizan para los LED y las modificaciones que se les aplica para mejorar su eficiencia. Para poder comprender en qué consiste la constante de Planck se ha explicado los principios teóricos en que se basa, y se ha realizado una pequeña demostración de su cálculo. Una vez visto todos los principios teóricos se ha pasado a realizar la explicación de cada uno de los grandes bloques que componen el sistema de medida automático. Estos bloques son la placa controladora Arduino, el sistema de iluminación LED, el sistema de control mecánico de LEDs, la pantalla LCD, el sistema de interrupciones y el sistema de alimentación. Para poder observar el espectro de emisión de cada uno de los LED se ha utilizado un analizador de espectros óptico (OSA), el cual ha sido explicado con detenimiento. El código de programación de Arduino ha sido explicado en forma de diagrama de flujo para una mayor facilidad de comprensión. Se ha desarrollado un manual de usuario para facilitar el uso del sistema a cualquier usuario, en el que se ha introducido un ejemplo completo de funcionamiento. ABSTRACT. In this final Project has designed and built an automatic measuring equipment which is able to measure the Planck`s constant using the operation principles of the LEDs. The measuring equipment is fully automated thanks to the use of an Arduino Mega 2560 controller board, which is responsible for conducting sequential illumination of each LED, measure their operating voltages, and perform the necessary calculations of find the Planck constant. All data is displayed by a LCD screen 16 character by 2 lines. To understand the operation of the automatic measuring system has been made a detailed study of each of the systems that make the measurement equipment. It develops the theoretical performance of the LED and the operation of semiconductors. It explains the different types of semiconductors that are used for LEDs and the changes applied to improve efficiency. In order to understand what is the Planck constant has been explained the theoretical principles in which it is based, and a small demonstration of its calculation has been performed. After seeing all the theoretical principles has been made the explanation of each of the main blocks that compose the automatic measuring system. These blocks are the Arduino controller board, LED lighting system, the mechanical control system LEDs, LCD screen, the interrupt system and feeding system. To observe the emission spectrum of each of the LED has been used optical spectrum analyzer (OSA), which has been explained in detail. The Arduino programming code has been explained in flowchart form for an easy understanding. It has developed a manual to facilitate the use of system to any user, which has introduced a complete example of operation.

Inteligencia artificial para la predicción y control del acabado superficial en procesos de fresado a alta velocidad

El objetivo principal de esta tesis doctoral es profundizar en el análisis y diseño de un sistema inteligente para la predicción y control del acabado superficial en un proceso de fresado a alta velocidad, basado fundamentalmente en clasificadores Bayesianos, con el prop´osito de desarrollar una metodolog´ıa que facilite el diseño de este tipo de sistemas. El sistema, cuyo propósito es posibilitar la predicción y control de la rugosidad superficial, se compone de un modelo aprendido a partir de datos experimentales con redes Bayesianas, que ayudar´a a comprender los procesos dinámicos involucrados en el mecanizado y las interacciones entre las variables relevantes. Dado que las redes neuronales artificiales son modelos ampliamente utilizados en procesos de corte de materiales, también se incluye un modelo para fresado usándolas, donde se introdujo la geometría y la dureza del material como variables novedosas hasta ahora no estudiadas en este contexto. Por lo tanto, una importante contribución en esta tesis son estos dos modelos para la predicción de la rugosidad superficial, que se comparan con respecto a diferentes aspectos: la influencia de las nuevas variables, los indicadores de evaluación del desempeño, interpretabilidad. Uno de los principales problemas en la modelización con clasificadores Bayesianos es la comprensión de las enormes tablas de probabilidad a posteriori producidas. Introducimos un m´etodo de explicación que genera un conjunto de reglas obtenidas de árboles de decisión. Estos árboles son inducidos a partir de un conjunto de datos simulados generados de las probabilidades a posteriori de la variable clase, calculadas con la red Bayesiana aprendida a partir de un conjunto de datos de entrenamiento. Por último, contribuimos en el campo multiobjetivo en el caso de que algunos de los objetivos no se puedan cuantificar en números reales, sino como funciones en intervalo de valores. Esto ocurre a menudo en aplicaciones de aprendizaje automático, especialmente las basadas en clasificación supervisada. En concreto, se extienden las ideas de dominancia y frontera de Pareto a esta situación. Su aplicación a los estudios de predicción de la rugosidad superficial en el caso de maximizar al mismo tiempo la sensibilidad y la especificidad del clasificador inducido de la red Bayesiana, y no solo maximizar la tasa de clasificación correcta. Los intervalos de estos dos objetivos provienen de un m´etodo de estimación honesta de ambos objetivos, como e.g. validación cruzada en k rodajas o bootstrap.---ABSTRACT---The main objective of this PhD Thesis is to go more deeply into the analysis and design of an intelligent system for surface roughness prediction and control in the end-milling machining process, based fundamentally on Bayesian network classifiers, with the aim of developing a methodology that makes easier the design of this type of systems. The system, whose purpose is to make possible the surface roughness prediction and control, consists of a model learnt from experimental data with the aid of Bayesian networks, that will help to understand the dynamic processes involved in the machining and the interactions among the relevant variables. Since artificial neural networks are models widely used in material cutting proceses, we include also an end-milling model using them, where the geometry and hardness of the piecework are introduced as novel variables not studied so far within this context. Thus, an important contribution in this thesis is these two models for surface roughness prediction, that are then compared with respecto to different aspects: influence of the new variables, performance evaluation metrics, interpretability. One of the main problems with Bayesian classifier-based modelling is the understanding of the enormous posterior probabilitiy tables produced. We introduce an explanation method that generates a set of rules obtained from decision trees. Such trees are induced from a simulated data set generated from the posterior probabilities of the class variable, calculated with the Bayesian network learned from a training data set. Finally, we contribute in the multi-objective field in the case that some of the objectives cannot be quantified as real numbers but as interval-valued functions. This often occurs in machine learning applications, especially those based on supervised classification. Specifically, the dominance and Pareto front ideas are extended to this setting. Its application to the surface roughness prediction studies the case of maximizing simultaneously the sensitivity and specificity of the induced Bayesian network classifier, rather than only maximizing the correct classification rate. Intervals in these two objectives come from a honest estimation method of both objectives, like e.g. k-fold cross-validation or bootstrap.

Analytical models for the power subsystem and the attitude control subsystem of a microsatellite

El trabajo realizado en la presente tesis doctoral se debe considerar parte del proyecto UPMSat-2, que se enmarca dentro del ámbito de la tecnología aeroespacial. El UPMSat-2 es un microsatélite (de bajo coste y pequeño tamaño) diseñado, construido, probado e integrado por la Universidad Politécnica de Madrid (España), para fines de demostración tecnológica y educación. El objetivo de la presente tesis doctoral es presentar nuevos modelos analíticos para estudiar la interdependencia energética entre los subsistemas de potencia y de control de actitud de un satélite. En primer lugar, se estudia la simulación del subsistema de potencia de un microsatélite, prestando especial atención a la simulación de la fuente de potencia, esto es, los paneles solares. En la tesis se presentan métodos sencillos pero precisos para simular la producción de energía de los paneles en condiciones ambientales variables a través de su circuito equivalente. Los métodos propuestos para el cálculo de los parámetros del circuito equivalente son explícitos (o al menos, con las variables desacopladas), no iterativos y directos; no se necesitan iteraciones o valores iniciales para calcular los parámetros. La precisión de este método se prueba y se compara con métodos similares de la literatura disponible, demostrando una precisión similar para mayor simplicidad. En segundo lugar, se presenta la simulación del subsistema de control de actitud de un microsatélite, prestando especial atención a la nueva ley de control propuesta. La tesis presenta un nuevo tipo de control magnético es aplicable a la órbita baja terrestre (LEO). La ley de control propuesta es capaz de ajustar la velocidad de rotación del satélite alrededor de su eje principal de inercia máximo o mínimo. Además, en el caso de órbitas de alta inclinación, la ley de control favorece la alineación del eje de rotación con la dirección normal al plano orbital. El algoritmo de control propuesto es simple, sólo se requieren magnetopares como actuadores; sólo se requieren magnetómetros como sensores; no hace falta estimar la velocidad angular; no incluye un modelo de campo magnético de la Tierra; no tiene por qué ser externamente activado con información sobre las características orbitales y permite el rearme automático después de un apagado total del subsistema de control de actitud. La viabilidad teórica de la citada ley de control se demuestra a través de análisis de Monte Carlo. Por último, en términos de producción de energía, se demuestra que la actitud propuesto (en eje principal perpendicular al plano de la órbita, y el satélite que gira alrededor de ella con una velocidad controlada) es muy adecuado para la misión UPMSat-2, ya que permite una área superior de los paneles apuntando hacia el sol cuando se compara con otras actitudes estudiadas. En comparación con el control de actitud anterior propuesto para el UPMSat-2 resulta en un incremento de 25% en la potencia disponible. Además, la actitud propuesto mostró mejoras significativas, en comparación con otros, en términos de control térmico, como la tasa de rotación angular por satélite puede seleccionarse para conseguir una homogeneización de la temperatura más alta que apunta satélite y la antena. ABSTRACT The work carried out in the present doctoral dissertation should be considered part of the UPMSat-2 project, falling within the scope of the aerospace technology. The UPMSat-2 is a microsatellite (low cost and small size) designed, constructed integrated and tested for educational and technology demonstration purposes at the Universidad Politécnica de Madrid (Spain). The aim of the present doctoral dissertation is to present new analytical models to study the energy interdependence between the power and the attitude control subsystems of a satellite. First, the simulation of the power subsystem of a microsatellite is studied, paying particular attention to the simulation of the power supply, i.e. the solar panels. Simple but accurate methods for simulate the power production under variable ambient conditions using its equivalent circuit are presented. The proposed methods for calculate the equivalent circuit parameters are explicit (or at least, with decoupled variables), non-iterative and straight forward; no iterations or initial values for the parameters are needed. The accuracy of this method is tested and compared with similar methods from the available literature demonstrating similar precision but higher simplicity. Second, the simulation of the control subsystem of a microsatellite is presented, paying particular attention to the new control law proposed. A new type of magnetic control applied to Low Earth Orbit (LEO) satellites has been presented. The proposed control law is able to set the satellite rotation speed around its maximum or minimum inertia principal axis. Besides, the proposed control law favors the alignment of this axis with the normal direction to the orbital plane for high inclination orbits. The proposed control algorithm is simples, only magnetorquers are required as actuators; only magnetometers are required as sensors; no estimation of the angular velocity is needed; it does not include an in-orbit Earth magnetic field model; it does not need to be externally activated with information about the orbital characteristics and it allows automatic reset after a total shutdown of attitude control subsystem. The theoretical viability of the control law is demonstrated through Monte Carlo analysis. Finally, in terms of power production, it is demonstrated that the proposed attitude (on principal axis perpendicular to the orbit plane, and the satellite rotating around it with a controlled rate) is quite suitable for the UPMSat-2 mission, as it allows a higher area of the panels pointing towards the sun when compared to other studied attitudes. Compared with the previous attitude control proposed for the UPMSat-2 it results in a 25% increment in available power. Besides, the proposed attitude showed significant improvements, when compared to others, in terms of thermal control, as the satellite angular rotation rate can be selected to achieve a higher temperature homogenization of the satellite and antenna pointing.