Grasp Mapping Between a 3-Finger Haptic Device and a Robotic Hand

This paper presents the implementation of a robust grasp mapping between a 3-finger haptic device (master) and a robotic hand (slave). Mapping is based on a grasp equivalence defined considering the manipulation capabilities of the master and slave devices. The metrics that translate the human hand gesture to the robotic hand workspace are obtained through an analytical user study. This allows a natural control of the robotic hand. The grasp mapping is accomplished defining 4 control modes that encapsulate all the grasps gestures considered.

Sistema de enfoque basado en dos espejos elípticos y un espejo plano rotatorio para un radar a 300 GHz

A focusing system for a 300 GHz radar with two target distances (5m and 10m) is proposed, having 1cm resolution in both cases. The focusing system is based on a gaussian telescope scheme and it has been designed using gaussian beam quasi-optical propagation theory with a homemade Matlab analysis tool. It has been translated into a real focusing system based on two elliptical mirrors and a plane mirror in order to have scanning capabilities and validated using the commercial antenna software GRASP

Deriving a fixpoint computation algorithm for top-down abstract interpretation of logic programs

Bruynooghe described a framework for the top-down abstract interpretation of logic programs. In this framework, abstract interpretation is carried out by constructing an abstract and-or tree in a top-down fashion for a given query and program. Such an abstract interpreter requires fixpoint computation for programs which contain recursive predicates. This paper presents in detail a fixpoint algorithm that has been developed for this purpose and the motivation behind it. We start off by describing a simple-minded algorithm. After pointing out its shortcomings, we present a series of refinements to this algorithm, until we reach the final version. The aim is to give an intuitive grasp and provide justification for the relative complexity of the final algorithm. We also present an informal proof of correctness of the algorithm and some results obtained from an implementation.

Propagation mechanism modelling in the near region of circular tunnels

Artículo sobre comunicaciones ferroviarias. Abstract: Along with the increase in operating frequencies in advanced radio communication systems utilised inside tunnels, the location of the break point is further and further away from the transmitter. This means that the near region lengthens considerably and even occupies the whole propagation cell or the entire length of some short tunnels. To begin with, this study analyses the propagation loss resulting from the free-space mechanism and the multi-mode waveguide mechanism in the near region of circular tunnels, respectively. Then, by conjunctive employing the propagation theory and the three-dimensional solid geometry, a general analytical model of the dividing point between two propagation mechanisms is presented for the first time. Moreover, the model is validated by a wide range of measurement campaigns in different tunnels at different frequencies. Finally, discussions on the simplified formulae of the dividing point in some application situations are made. The results in this study can be helpful to grasp the essence of the propagation mechanism inside tunnels.

Scale model research for room acoustics purposes

In the field of Room Acoustics it is common using scale models to study a room. Through this method it is possible to predict its behavior, which may be very useful to detect and correct any problem prior to build it, saving many resources. Nowadays this method has been relegated to a secondary position due to the peak of simulation software, which makes possible studying rooms in a cheap, flexible and simple way, as well as it is potentially less time consuming. Nevertheless, the scale model method is still under study, as it may give some additional information. This project intends to focus in pedagogic possibilities of the scale model method. This method offers the student the opportunity of study and grasp some of the most important phenomena in Room Acoustics, in a more intuitive way than just a software simulation. Furthermore most of the existing software in this field is aimed to the technician working in the lab, as efficiently as possible, not to the student trying to understand and learn something. Here, the facilities and resources of Syddansk Universitet regarding this matter will be studied and evaluated, as well as the procedure for the experiments, paying special attention not only to its reliability and accuracy, but also to its didactic possibilities. Besides, if possible, any improvement that could help to enhance any of the listed aspects will be suggested. En el ámbito de la Acústica Arquitectónica es común el uso de modelos a escala para estudiar un recinto determinado. Mediante esta técnica es posible por ejemplo predecir el comportamiento del recinto y detectar problemas antes de su construcción, con el consecuente ahorro de recursos. Actualmente el uso de modelos a escala está desplazado a un segundo plano por el uso de software simulación, debido a la sencillez y flexibilidad que puede aportar la simulación por ordenador, así como a la economía de tiempo y recursos que supone. Sin embargo sigue siendo objeto de estudio, dado que puede aportar información muy valiosa para el ingeniero. Este proyecto se centra en las posibilidades pedagógicas de dicho método. El uso de modelos a escala brinda la oportunidad a los estudiantes de estudiar y comprender algunos de los fenómenos más importantes en la Acústica Arquitectónica de una forma más directa e intuitiva que una simulación por ordenador. Se pretende estudiar y evaluar los medios al alcance de los estudiantes en la Syddansk Universitet, así como los métodos usados, atendiendo no sólo a su precisión y fiabilidad, si no a su potencial pedagógico. Así mismo, si es posible, se propondrán cambios que puedan suponer una mejora en cualquiera de estos aspectos. Así el proyecto se divide en varias secciones claramente diferenciadas. En el apartado Background and Theoretical Basis se introduce el tema del estudio y simulación de recintos acústicos. Se explica su importancia y utilidad, y se comenta la situación actual de estas técnicas, abordando diferentes métodos usados así como sus bases teóricas y principales ventajas e inconvenientes. Bajo el apartado de Project se analizan diferentes factores relacionados con el problema. Se estudian los recursos a disposición del alumno, desde el software y hardware implicados hasta el equipo de medida y otros recursos necesarios para la realización de las prácticas. Es en esta parte donde se centra la parte más importante del trabajo, consistente en la medición y comprobación de las características más relevantes del equipo implicado. Haciendo posible así confirmar su validez y precisión, tanto desde el punto de vista técnico como pedagógico, así como estableciendo los límites dentro de los que se puede considerar fiable el modelo. Al final de este apartado se aborda la influencia de la absorción del aire en altas frecuencias, y la variación en los coeficientes de absorción y dispersión de los materiales respecto de la frecuencia. Por último se realiza una verificación subjetiva del sistema completo, debido a que por limitaciones técnicas no ha sido posible evaluar el montaje en el rango equivalente a toda la banda audible, y que los métodos estudiados tienen como meta última asegurar una buena percepción por parte del oyente en el recinto dado. Dentro del apartado Conclusions se hace un breve resumen de las conclusiones extraídas anteriormente, y se valora el rendimiento y utilidad general del modelo, que a pesar de algunos problemas de precisión y repetibilidad lógicos debido a los medios usados, es válido para ilustrar los fenómenos físicos que se quieren enseñar al alumno. En la sección de Future Work se proponen diferentes vías de trabajo para futuros proyectos en la Syddansk Universitet que podrían ser útiles confirmar el trabajo realizado en este proyecto, mejorar la precisión y fiabilidad del montaje o enriquecer las posibilidades pedagógicas de las prácticas relacionadas. Por último se encuentra, tras el apartado de referencias, los anexos con tablas y gráficas relativas a las medidas realizadas en diferentes partes del trabajo. También se puede encontrar información y material relacionado con el proyecto en el CD adjunto.

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.

Six not so easy pieces in intermediate band solar cell research

The concept of "intermediate band solar cell" (IBSC) is, apparently, simple to grasp. However, since the idea was proposed, our understanding has improved and we feel now that we can explain better some concepts than we initially introduced. Clarifying these concepts is important, even if they are well-known for the advanced researcher, so that efforts can be driven in the right direction from start. The six pieces of this work are: Does a miniband need to be formed when the IBSC is implemented with quantum dots?; What are the problems of each of the main practical approaches that exist today? What are the simplest experimental techniques to demonstrate whether an IBSC is working as such or not? What is the issue with the absorption coefficient overlap? and Mott's transition? What the best system would be, if any?

Gestión de configuración y línea de productos para mejorar el proceso experimental en ingeniería del software

La Ingeniería del Software (IS) Empírica adopta el método científico a la IS para facilitar la generación de conocimiento. Una de las técnicas empleadas, es la realización de experimentos. Para que el conocimiento obtenido experimentalmente adquiera el nivel de madurez necesario para su posterior uso, es necesario que los experimentos sean replicados. La existencia de múltiples replicaciones de un mismo experimento conlleva la existencia de numerosas versiones de los distintos productos generados durante la realización de cada replicación. Actualmente existe un gran descontrol sobre estos productos, ya que la administración se realiza de manera informal. Esto causa problemas a la hora de planificar nuevas replicaciones, o intentar obtener información sobre las replicaciones ya realizadas. Para conocer con detalle la dimensión del problema a resolver, se estudia el estado actual de la gestión de materiales experimentales y su uso en replicaciones, así como de las herramientas de gestión de materiales experimentales. El estudio concluye que ninguno de los enfoques estudiados proporciona una solución al problema planteado. Este trabajo persigue como objetivo mejorar la administración de los materiales experimentales y replicaciones de experimentos en IS para dar soporte a la replicación de experimentos. Para satisfacer este objetivo, se propone la adopción en experimentación de los paradigmas de Gestión de Configuración del Software (GCS) y Línea de Producto Software (LPS). Para desarrollar la propuesta se decide utilizar el método de investigación acción (en inglés action research). Para adoptar la GCS a experimentación, se comienza realizando un estudio del proceso experimental como transformación de productos; a continuación, se realiza una adopción de conceptos fundamentada en los procesos del desarrollo software y de experimentación; finalmente, se desarrollan un conjunto de instrumentos, que se incorporan a un Plan de Gestión de Configuración de Experimentos (PGCE). Para adoptar la LPS a experimentación, se comienza realizando un estudio de los conceptos, actividades y fases que fundamentan la LPS; a continuación, se realiza una adopción de los conceptos; finalmente, se desarrollan o adoptan las técnicas, simbología y modelos para dar soporte a las fases de la Línea de Producto para Experimentación (LPE). La propuesta se valida mediante la evaluación de su: viabilidad, flexibilidad, usabilidad y satisfacción. La viabilidad y flexibilidad se evalúan mediante la instanciación del PGCE y de la LPE en experimentos concretos en IS. La usabilidad se evalúa mediante el uso de la propuesta para la generación de las instancias del PGCE y de LPE. La satisfacción evalúa la información sobre el experimento que contiene el PGCE y la LPE. Los resultados de la validación de la propuesta muestran mejores resultados en los aspectos de usabilidad y satisfacción a los experimentadores. ABSTRACT Empirical software engineering adapts the scientific method to software engineering (SE) in order to facilitate knowledge generation. Experimentation is one of the techniques used. For the knowledge generated experimentally to acquire the level of maturity necessary for later use, the experiments have to be replicated. As the same experiment is replicated more than once, there are numerous versions of all the products generated during a replication. These products are generally administered informally without control. This is troublesome when it comes to planning new replications or trying to gather information on replications conducted in the past. In order to grasp the size of the problem to be solved, this research examines the current state of the art of the management and use of experimental materials in replications, as well as the tools managing experimental materials. The study concludes that none of the analysed approaches provides a solution to the stated problem. The aim of this research is to improve the administration of SE experimental materials and experimental replications in support of experiment replication. To do this, we propose the adaptation of software configuration management (SCM) and software product line (SPL) paradigms to experimentation. The action research method was selected in order to develop this proposal. The first step in the adaptation of the SCM to experimentation was to analyse the experimental process from the viewpoint of the transformation of products. The concepts were then adapted based on software development and experimentation processes. Finally, a set of instruments were developed and added to an experiment configuration management plan (ECMP). The first step in the adaptation of the SPL to experimentation is to analyse the concepts, activities and phases underlying the SPL. The concepts are then adapted. Finally, techniques, symbols and models are developed or adapted in support of the experimentation product line (EPL) phases. The proposal is validated by evaluating its feasibility, flexibility, usability and satisfaction. Feasibility and flexibility are evaluated by instantiating the ECMP and the EPL in specific SE experiments. Usability is evaluated by using the proposal to generate the instances of the ECMP and EPL. The results of the validation of the proposal show that the proposal performs better with respect to usability issues and experimenter satisfaction.

Human-robot interaction for telemanipulation in large workspaces

Independientemente de la existencia de técnicas altamente sofisticadas y capacidades de cómputo cada vez más elevadas, los problemas asociados a los robots que interactúan con entornos no estructurados siguen siendo un desafío abierto en robótica. A pesar de los grandes avances de los sistemas robóticos autónomos, hay algunas situaciones en las que una persona en el bucle sigue siendo necesaria. Ejemplos de esto son, tareas en entornos de fusión nuclear, misiones espaciales, operaciones submarinas y cirugía robótica. Esta necesidad se debe a que las tecnologías actuales no pueden realizar de forma fiable y autónoma cualquier tipo de tarea. Esta tesis presenta métodos para la teleoperación de robots abarcando distintos niveles de abstracción que van desde el control supervisado, en el que un operador da instrucciones de alto nivel en la forma de acciones, hasta el control bilateral, donde los comandos toman la forma de señales de control de bajo nivel. En primer lugar, se presenta un enfoque para llevar a cabo la teleoperación supervisada de robots humanoides. El objetivo es controlar robots terrestres capaces de ejecutar tareas complejas en entornos de búsqueda y rescate utilizando enlaces de comunicación limitados. Esta propuesta incorpora comportamientos autónomos que el operador puede utilizar para realizar tareas de navegación y manipulación mientras se permite cubrir grandes áreas de entornos remotos diseñados para el acceso de personas. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de los métodos propuestos. En segundo lugar, se investiga el uso de dispositivos rentables para telemanipulación guiada. Se presenta una aplicación que involucra un robot humanoide bimanual y un traje de captura de movimiento basado en sensores inerciales. En esta aplicación, se estudian las capacidades de adaptación introducidas por el factor humano y cómo estas pueden compensar la falta de sistemas robóticos de alta precisión. Este trabajo es el resultado de una colaboración entre investigadores del Biorobotics Laboratory de la Universidad de Harvard y el Centro de Automática y Robótica UPM-CSIC. En tercer lugar, se presenta un nuevo controlador háptico que combina velocidad y posición. Este controlador bilateral híbrido hace frente a los problemas relacionados con la teleoperación de un robot esclavo con un gran espacio de trabajo usando un dispositivo háptico pequeño como maestro. Se pueden cubrir amplias áreas de trabajo al cambiar automáticamente entre los modos de control de velocidad y posición. Este controlador háptico es ideal para sistemas maestro-esclavo con cinemáticas diferentes, donde los comandos se transmiten en el espacio de la tarea del entorno remoto. El método es validado para realizar telemanipulación hábil de objetos con un robot industrial. Por último, se introducen dos contribuciones en el campo de la manipulación robótica. Por un lado, se presenta un nuevo algoritmo de cinemática inversa, llamado método iterativo de desacoplamiento cinemático. Este método se ha desarrollado para resolver el problema cinemático inverso de un tipo de robot de seis grados de libertad donde una solución cerrada no está disponible. La eficacia del método se compara con métodos numéricos convencionales. Además, se ha diseñado una taxonomía robusta de agarres que permite controlar diferentes manos robóticas utilizando una correspondencia, basada en gestos, entre los espacios de trabajo de la mano humana y de la mano robótica. El gesto de la mano humana se identifica mediante la lectura de los movimientos relativos del índice, el pulgar y el dedo medio del usuario durante las primeras etapas del agarre. ABSTRACT Regardless of the availability of highly sophisticated techniques and ever increasing computing capabilities, the problems associated with robots interacting with unstructured environments remains an open challenge. Despite great advances in autonomous robotics, there are some situations where a humanin- the-loop is still required, such as, nuclear, space, subsea and robotic surgery operations. This is because the current technologies cannot reliably perform all kinds of task autonomously. This thesis presents methods for robot teleoperation strategies at different levels of abstraction ranging from supervisory control, where the operator gives high-level task actions, to bilateral teleoperation, where the commands take the form of low-level control inputs. These strategies contribute to improve the current human-robot interfaces specially in the case of slave robots deployed at large workspaces. First, an approach to perform supervisory teleoperation of humanoid robots is presented. The goal is to control ground robots capable of executing complex tasks in disaster relief environments under constrained communication links. This proposal incorporates autonomous behaviors that the operator can use to perform navigation and manipulation tasks which allow covering large human engineered areas of the remote environment. The experimental results demonstrate the efficiency of the proposed methods. Second, the use of cost-effective devices for guided telemanipulation is investigated. A case study involving a bimanual humanoid robot and an Inertial Measurement Unit (IMU) Motion Capture (MoCap) suit is introduced. Herein, it is corroborated how the adaptation capabilities offered by the human-in-the-loop factor can compensate for the lack of high-precision robotic systems. This work is the result of collaboration between researchers from the Harvard Biorobotics Laboratory and the Centre for Automation and Robotics UPM-CSIC. Thirdly, a new haptic rate-position controller is presented. This hybrid bilateral controller copes with the problems related to the teleoperation of a slave robot with large workspace using a small haptic device as master. Large workspaces can be covered by automatically switching between rate and position control modes. This haptic controller is ideal to couple kinematic dissimilar master-slave systems where the commands are transmitted in the task space of the remote environment. The method is validated to perform dexterous telemanipulation of objects with a robotic manipulator. Finally, two contributions for robotic manipulation are introduced. First, a new algorithm, the Iterative Kinematic Decoupling method, is presented. It is a numeric method developed to solve the Inverse Kinematics (IK) problem of a type of six-DoF robotic arms where a close-form solution is not available. The effectiveness of this IK method is compared against conventional numerical methods. Second, a robust grasp mapping has been conceived. It allows to control a wide range of different robotic hands using a gesture based correspondence between the human hand space and the robotic hand space. The human hand gesture is identified by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of grasping.

Modeling the shape hierarchy for visually guided grasping

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. We modeled shape tuning in visual AIP neurons and its relationship with curvature and gradient information from the caudal intraparietal area (CIP). The main goal was to gain insight into the kinds of shape parameterizations that can account for AIP tuning and that are consistent with both the inputs to AIP and the role of AIP in grasping. We first experimented with superquadric shape parameters. We considered superquadrics because they occupy a role in robotics that is similar to AIP , in that superquadric fits are derived from visual input and used for grasp planning. We also experimented with an alternative shape parameterization that was based on an Isomap dimension reduction of spatial derivatives of depth (i.e., distance from the observer to the object surface). We considered an Isomap-based model because its parameters lacked discontinuities between similar shapes. When we matched the dimension of the Isomap to the number of superquadric parameters, the superquadric model fit the AIP data somewhat more closely. However, higher-dimensional Isomaps provided excellent fits. Also, we found that the Isomap parameters could be approximated much more accurately than superquadric parameters by feedforward neural networks with CIP-like inputs. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of visual inputs to AIP, provide a promising model of AIP electrophysiology data. Further work is needed to test whether such shape parameterizations actually provide an effective basis for grasp control.

The Future of the Technologies of Shell and spatial Structures. Bridges

The objective of this lecture is try to predict the future of this important type of spatial structures. In this way the activities of the different IASS Technical Working Groups can be stimulated and coordinated in order to play a more relevant role in this future. To grasp a possible evolution of bridges it is convenient a reflection on the bridge history and on their present situation, particularly in relation to the different existing achievements.

A computational model of the anterior intraparietal area

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. In robotics a similar role has been played by modules that fit point cloud data to the superquadric family of shapes and its various extensions. We developed a model of shape tuning in AIP based on cosine tuning to superquadric parameters. However, the model did not fit the data well, and we also found that it was difficult to accurately reproduce these parameters using neural networks with the appropriate inputs (modelled on the caudal intraparietal area, CIP). The latter difficulty was related to the fact that there are large discontinuities in the superquadric parameters between very similar shapes. To address these limitations we adopted an alternative shape parameterization based on an Isomap nonlinear dimension reduction. The Isomap was built using gradients and curvatures of object surface depth. This alternative parameterization was low-dimensional (like superquadrics), but data-driven (similar to an alternative clustering approach that is also sometimes used in robotics) and lacked large discontinuities. Isomaps with 16 or more dimensions reproduced the AIP data fairly well. Moreover, we found that the Isomap parameters could be approximated from CIP-like input much more accurately than the superquadric parameters. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of CIP signals, provide a promising model of AIP tuning. We have now started to integrate our model with a robot hand, to explore the efficacy of Isomap shape reductions in grasp planning. Future work will consider dynamics of spike responses and integration with related visual and motor area models.

An Ant Colony System adaptation to deal with accessibility issues after a disaster

One of the main problems relief teams face after a natural or man-made disaster is how to plan rural road repair work tasks to take maximum advantage of the limited available financial and human resources. Previous research focused on speeding up repair work or on selecting the location of health centers to minimize transport times for injured citizens. In spite of the good results, this research does not take into account another key factor: survivor accessibility to resources. In this paper we account for the accessibility issue, that is, we maximize the number of survivors that reach the nearest regional center (cities where economic and social activity is concentrated) in a minimum time by planning which rural roads should be repaired given the available financial and human resources. This is a combinatorial problem since the number of connections between cities and regional centers grows exponentially with the problem size, and exact methods are no good for achieving an optimum solution. In order to solve the problem we propose using an Ant Colony System adaptation, which is based on ants? foraging behavior. Ants stochastically build minimal paths to regional centers and decide if damaged roads are repaired on the basis of pheromone levels, accessibility heuristic information and the available budget. The proposed algorithm is illustrated by means of an example regarding the 2010 Haiti earthquake, and its performance is compared with another metaheuristic, GRASP.

Análisis de la eficiencia de los sistemas de colonias de hormigas para problemas de accesibilidad

A pesar de los avances en materia de predicción, los desastres naturales siguen teniendo consecuencias devastadoras. Entre los principales problemas a los que se enfrentan los equipos de ayuda y rescate después de un desastre natural o provocado por el hombre se encuentra la planificación de las tareas de reparación de carreteras para conseguir la máxima ventaja de los limitados recursos económicos y humanos. En la presente Tesis Fin de Máster se intenta dar solución al problema de la accesibilidad, es decir, maximizar el número de supervivientes que consiguen alcanzar el centro regional más cercano en un tiempo mínimo mediante la planificación de qué carreteras rurales deberían ser reparadas dados unos recursos económicos y humanos limitados. Como se puede observar, es un problema combinatorio ya que el número de planes de reparación y conexiones entre las ciudades y los centros regionales crece de forma exponencial con el tamaño del problema. Para la resolución del problema se comienza analizando una adaptación básica de los sistemas de colonias de hormigas propuesta por otro autor y se proponen múltiples mejoras sobre la misma. Posteriormente, se propone una nueva adaptación más avanzada de los sistemas de colonias de hormiga al problema, el ACS con doble hormiga. Este sistema hace uso de dos tipos distintos de hormigas, la exploradora y la trabajadora, para resolver simultáneamente el problema de encontrar los caminos más rápidos desde cada ciudad a su centro regional más cercano (exploradora), y el de obtener el plan óptimo de reparación que maximice la accesibilidad de la red (trabajadora). El algoritmo propuesto se ilustra por medio de un ejemplo de gran tamaño que simula el desastre natural ocurrido en Haití, y su rendimiento es comparado con la combinación de dos metaheurísticas, GRASP y VNS.---ABSTRACT---In spite of the advances in forecasting, natural disaster continue to ocasionate devastating consequences. One of the main problems relief teams face after a natural or man-made disaster is how to plan rural road repair work to take maximum advantage of the limited available financial and human resources. In this Master´s Final Project we account for the accesability issue, that is, to maximize the number of survivors that reach the nearest regional center in a minimum time by planning whic rural roads should be repaired given the limited financial and human resources. This is a combinatorial problem since the number of possible repairing solutions and connections between cities and regional centers grows exponentially with the size of the problem. In order to solve the problem, we analyze the basic ant colony system adaptation proposed by another author and point out multiple improvements on it. Then, we propose a novel and more advance adaptation of the ant colony systems to the problem, the double- ant ACS. This system makes use of two diferent type of ants, the explorer and the worker, to simultaneously solve the problem of finding the shorthest paths from each city to their nearest regional center (explorer), and the problem of identifying the optimal repairing plan that maximize the network accesability (worker). The proposed algorithm is illustrated by means of a big size example that simulates the natural disaster occurred in Haiti, and its performance is compared with a combination of two metaheuristics, GRASP and VNS.

Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.