Localización y mapeo visual monocular para robot móvil terrestre aplicado a la inspección ultrasónica aeronáutica

En el ámbito de la robótica de servicio, actualmente no existe una solución automatizada para la inspección ultrasónica de las partes de material compuesto de una aeronave durante las operaciones de mantenimiento que realiza la aerolínea. El desarrollo de las nuevas técnicas de acoplamiento acústico en seco en el método de inspección no destructiva por ultrasonidos, está conduciendo a posibilitar su uso con soluciones de menor coste respecto a las técnicas tradicionales, sin perder eficacia para detectar las deficiencias en las estructuras de material compuesto. Aunque existen aplicaciones de esta técnica con soluciones manuales, utilizadas en las fases de desarrollo y fabricación del material compuesto, o con soluciones por control remoto en sectores diferentes al aeronáutico para componentes metálicos, sin embargo, no existen con soluciones automatizadas para la inspección no destructiva por ultrasonidos de las zonas del avión fabricadas en material compuesto una vez la aeronave ha sido entregada a la aerolínea. El objetivo de este trabajo fin de master es evaluar el sistema de localización, basado en visión por ordenador, de una solución robotizada aplicada la inspección ultrasónica estructural de aeronaves en servicio por parte de las propias aerolíneas, utilizando las nuevas técnicas de acoplamiento acústico en seco, buscando la ventaja de reducir los tiempos y los costes en las operaciones de mantenimiento. Se propone como solución un robot móvil autónomo de pequeño tamaño, con control de posición global basado en técnicas de SLAM Visual Monocular, utilizando marcadores visuales externos para delimitar el área de inspección. Se ha supuesto la inspección de elementos de la aeronave cuya superficie se pueda considerar plana y horizontal, como son las superficies del estabilizador horizontal o del ala. Este supuesto es completamente aceptable en zonas acotadas de estos componentes, y de cara al objetivo del proyecto, no le resta generalidad. El robot móvil propuesto es un vehículo terrestre triciclo, de dos grados de libertad, con un sistema de visión monocular completo embarcado, incluyendo el hardware de procesamiento de visión y control de trayectoria. Las dos ruedas delanteras son motrices y la tercera rueda, loca, sirve únicamente de apoyo. La dirección, de tipo diferencial, permite al robot girar sin necesidad de desplazamiento, al conseguirse por diferencia de velocidad entre la rueda motriz derecha e izquierda. El sistema de inspección ultrasónica embarcado está compuesto por el hardware de procesamiento y registro de señal, y una rueda-sensor situada coaxialmente al eje de las ruedas motrices, y centrada entre estas, de modo que la medida de inspección se realiza en el centro de rotación del robot. El control visual propuesto se realiza mediante una estrategia “ver y mover” basada en posición, ejecutándose de forma secuencial la extracción de características visuales de la imagen, el cálculo de la localización global del robot mediante SLAM visual y el movimiento de éste mediante un algoritmo de control de posición-orientación respecto a referencias de paso de la trayectoria. La trayectoria se planifica a partir del mapa de marcas visuales que delimitan el área de inspección, proporcionado también por SLAM visual. Para validar la solución propuesta se ha optado por desarrollar un prototipo físico tanto del robot como de los marcadores visuales externos, a los que se someterán a una prueba de validación como alternativa a utilizar un entorno simulado por software, consistente en el reconocimiento del área de trabajo, planeamiento de la trayectoria y recorrido de la misma, de forma autónoma, registrando el posicionamiento real del robot móvil junto con el posicionamiento proporcionado por el sistema de localización SLAM. El motivo de optar por un prototipo es validar la solución ante efectos físicos que son muy complicados de modelar en un entorno de simulación, derivados de las limitaciones constructivas de los sistemas de visión, como distorsiones ópticas o saturación de los sensores, y de las limitaciones constructivas de la mecánica del robot móvil que afectan al modelo cinemático, como son el deslizamiento de las ruedas o la fluctuación de potencia de los motores eléctricos. El prototipo de marcador visual externo utilizado para la prueba de validación, ha sido un símbolo plano vertical, en blanco y negro, que consta de un borde negro rectangular dentro del cual se incluye una serie de marcas cuadradas de color negro, cuya disposición es diferente para cada marcador, lo que permite su identificación. El prototipo de robot móvil utilizado para la prueba de validación, ha sido denominado VINDUSTOR: “VIsual controlled Non-Destructive UltraSonic inspecTOR”. Su estructura mecánica ha sido desarrollada a partir de la plataforma comercial de robótica educacional LEGO© MINDSTORMS NXT 2.0, que incluye los dos servomotores utilizados para accionar las dos ruedas motrices, su controlador, las ruedas delanteras y la rueda loca trasera. La estructura mecánica ha sido especialmente diseñada con piezas LEGO© para embarcar un ordenador PC portátil de tamaño pequeño, utilizado para el procesamiento visual y el control de movimiento, y el sistema de captación visual compuesto por dos cámaras web de bajo coste, colocadas una en posición delantera y otra en posición trasera, con el fin de aumentar el ángulo de visión. El peso total del prototipo no alcanza los 2 Kg, siendo sus dimensiones máximas 20 cm de largo, 25 cm de ancho y 26 cm de alto. El prototipo de robot móvil dispone de un control de tipo visual. La estrategia de control es de tipo “ver y mover” dinámico, en la que se realiza un bucle externo, de forma secuencial, la extracción de características en la imagen, la estimación de la localización del robot y el cálculo del control, y en un bucle interno, el control de los servomotores. La estrategia de adquisición de imágenes está basada en un sistema monocular de cámaras embarcadas. La estrategia de interpretación de imágenes está basada en posición tridimensional, en la que los objetivos de control se definen en el espacio de trabajo y no en la imagen. La ley de control está basada en postura, relacionando la velocidad del robot con el error en la posición respecto a las referencias de paso de una trayectoria. La trayectoria es generada a partir del mapa de marcadores visuales externo. En todo momento, la localización del robot respecto a un sistema de referencia externo y el mapa de marcadores, es realizado mediante técnicas de SLAM visual. La auto-localización de un robot móvil dentro de un entorno desconocido a priori constituye uno de los desafíos más importantes en la robótica, habiéndose conseguido su solución en las últimas décadas, con una formulación como un problema numérico y con implementaciones en casos que van desde robots aéreos a robots en entornos cerrados, existiendo numerosos estudios y publicaciones al respecto. La primera técnica de localización y mapeo simultáneo SLAM fue desarrollada en 1989, más como un concepto que como un algoritmo único, ya que su objetivo es gestionar un mapa del entorno constituido por posiciones de puntos de interés, obtenidos únicamente a partir de los datos de localización recogidos por los sensores, y obtener la pose del robot respecto al entorno, en un proceso limitado por el ruido de los sensores, tanto en la detección del entorno como en la odometría del robot, empleándose técnicas probabilísticas aumentar la precisión en la estimación. Atendiendo al algoritmo probabilístico utilizado, las técnicas SLAM pueden clasificarse en las basadas en Filtros de Kalman, en Filtros de Partículas y en su combinación. Los Filtros de Kalman consideran distribuciones de probabilidad gaussiana tanto en las medidas de los sensores como en las medidas indirectas obtenidas a partir de ellos, de modo que utilizan un conjunto de ecuaciones para estimar el estado de un proceso, minimizando la media del error cuadrático, incluso cuando el modelo del sistema no se conoce con precisión, siendo el más utilizado el Filtro de Kalman Extendido a modelos nolineales. Los Filtros de Partículas consideran distribuciones de probabilidad en las medidas de los sensores sin modelo, representándose mediante un conjunto de muestras aleatorias o partículas, de modo que utilizan el método Montecarlo secuencial para estimar la pose del robot y el mapa a partir de ellas de forma iterativa, siendo el más utilizado el Rao-Backwell, que permite obtener un estimador optimizado mediante el criterio del error cuadrático medio. Entre las técnicas que combinan ambos tipos de filtros probabilísticos destaca el FastSLAM, un algoritmo que estima la localización del robot con un Filtro de Partículas y la posición de los puntos de interés mediante el Filtro de Kalman Extendido. Las técnicas SLAM puede utilizar cualquier tipo de sensor que proporcionen información de localización, como Laser, Sonar, Ultrasonidos o Visión. Los sensores basados en visión pueden obtener las medidas de distancia mediante técnicas de visión estereoscópica o mediante técnica de visión monocular. La utilización de sensores basados en visión tiene como ventajas, proporcionar información global a través de las imágenes, no sólo medida de distancia, sino también información adicional como texturas o patrones, y la asequibilidad del hardware frente a otros sensores. Sin embargo, su principal inconveniente es el alto coste computacional necesario para los complejos algoritmos de detección, descripción, correspondencia y reconstrucción tridimensional, requeridos para la obtención de la medida de distancia a los múltiples puntos de interés procesados. Los principales inconvenientes del SLAM son el alto coste computacional, cuando se utiliza un número elevado de características visuales, y su consistencia ante errores, derivados del ruido en los sensores, del modelado y del tratamiento de las distribuciones de probabilidad, que pueden producir el fallo del filtro. Dado que el SLAM basado en el Filtro de Kalman Extendido es una las técnicas más utilizadas, se ha seleccionado en primer lugar cómo solución para el sistema de localización del robot, realizando una implementación en la que las medidas de los sensores y el movimiento del robot son simulados por software, antes de materializarla en el prototipo. La simulación se ha realizado considerando una disposición de ocho marcadores visuales que en todo momento proporcionan ocho medidas de distancia con ruido aleatorio equivalente al error del sensor visual real, y un modelo cinemático del robot que considera deslizamiento de las ruedas mediante ruido aleatorio. Durante la simulación, los resultados han mostrado que la localización estimada por el algoritmo SLAM-EKF presenta tendencia a corregir la localización obtenida mediante la odometría, pero no en suficiente cuantía para dar un resultado aceptable, sin conseguir una convergencia a una solución suficientemente cercana a la localización simulada del robot y los marcadores. La conclusión obtenida tras la simulación ha sido que el algoritmo SLAMEKF proporciona inadecuada convergencia de precisión, debido a la alta incertidumbre en la odometría y a la alta incertidumbre en las medidas de posición de los marcadores proporcionadas por el sensor visual. Tras estos resultados, se ha buscado una solución alternativa. Partiendo de la idea subyacente en los Filtros de Partículas, se ha planteado sustituir las distribuciones de probabilidad gaussianas consideradas por el Filtro de Kalman Extendido, por distribuciones equi-probables que derivan en funciones binarias que representan intervalos de probabilidad no-nula. La aplicación de Filtro supone la superposición de todas las funciones de probabilidad no-nula disponibles, de modo que el resultado es el intervalo donde existe alguna probabilidad de la medida. Cómo la efectividad de este filtro aumenta con el número disponible de medidas, se ha propuesto obtener una medida de la localización del robot a partir de cada pareja de medidas disponibles de posición de los marcadores, haciendo uso de la Trilateración. SLAM mediante Trilateración Estadística (SLAM-ST) es como se ha denominado a esta solución propuesta en este trabajo fin de master. Al igual que con el algoritmo SLAM-EKF, ha sido realizada una implementación del algoritmo SLAM-ST en la que las medidas de los sensores y el movimiento del robot son simulados, antes de materializarla en el prototipo. La simulación se ha realizado en las mismas condiciones y con las mismas consideraciones, para comparar con los resultados obtenidos con el algoritmo SLAM-EKF. Durante la simulación, los resultados han mostrado que la localización estimada por el algoritmo SLAM-ST presenta mayor tendencia que el algoritmo SLAM-EKF a corregir la localización obtenida mediante la odometría, de modo que se alcanza una convergencia a una solución suficientemente cercana a la localización simulada del robot y los marcadores. Las conclusiones obtenidas tras la simulación han sido que, en condiciones de alta incertidumbre en la odometría y en la medida de posición de los marcadores respecto al robot, el algoritmo SLAM-ST proporciona mejores resultado que el algoritmo SLAM-EKF, y que la precisión conseguida sugiere la viabilidad de la implementación en el prototipo. La implementación del algoritmo SLAM-ST en el prototipo ha sido realizada en conjunción con la implementación del Sensor Visual Monocular, el Modelo de Odometría y el Control de Trayectoria. El Sensor Visual Monocular es el elemento del sistema SLAM encargado de proporcionar la posición con respecto al robot de los marcadores visuales externos, a partir de las imágenes obtenidas por las cámaras, mediante técnicas de procesamiento de imagen que permiten detectar e identificar los marcadores visuales que se hallen presentes en la imagen capturada, así como obtener las características visuales a partir de las cuales inferir la posición del marcador visual respecto a la cámara, mediante reconstrucción tridimensional monocular, basada en el conocimiento a-priori del tamaño real del mismo. Para tal fin, se ha utilizado el modelo matemático de cámara pin-hole, y se ha considerado las distorsiones de la cámara real mediante la calibración del sensor, en vez de utilizar la calibración de la imagen, tras comprobar el alto coste computacional que requiere la corrección de la imagen capturada, de modo que la corrección se realiza sobre las características visuales extraídas y no sobre la imagen completa. El Modelo de Odometría es el elemento del sistema SLAM encargado de proporcionar la estimación de movimiento incremental del robot en base a la información proporcionada por los sensores de odometría, típicamente los encoders de las ruedas. Por la tipología del robot utilizado en el prototipo, se ha utilizado un modelo cinemático de un robot tipo uniciclo y un modelo de odometría de un robot móvil de dos ruedas tipo diferencial, en el que la traslación y la rotación se determinan por la diferencia de velocidad de las ruedas motrices, considerando que no existe deslizamiento entre la rueda y el suelo. Sin embargo, el deslizamiento en las ruedas aparece como consecuencia de causas externas que se producen de manera inconstante durante el movimiento del robot que provocan insuficiente contacto de la rueda con el suelo por efectos dinámicos. Para mantener la validez del modelo de odometría en todas estas situaciones que producen deslizamiento, se ha considerado un modelo de incertidumbre basado en un ensayo representativo de las situaciones más habituales de deslizamiento. El Control de Trayectoria es el elemento encargado de proporcionar las órdenes de movimiento al robot móvil. El control implementado en el prototipo está basado en postura, utilizando como entrada la desviación en la posición y orientación respecto a una referencia de paso de la trayectoria. La localización del robot utilizada es siempre de la estimación proporcionada por el sistema SLAM y la trayectoria es planeada a partir del conocimiento del mapa de marcas visuales que limitan el espacio de trabajo, mapa proporcionado por el sistema SLAM. Las limitaciones del sensor visual embarcado en la velocidad de estabilización de la imagen capturada han conducido a que el control se haya implementado con la estrategia “mirar parado”, en la que la captación de imágenes se realiza en posición estática. Para evaluar el sistema de localización basado en visión del prototipo, se ha diseñado una prueba de validación que obtenga una medida cuantitativa de su comportamiento. La prueba consiste en la realización de forma completamente autónoma de la detección del espacio de trabajo, la planificación de una trayectoria de inspección que lo transite completamente, y la ejecución del recorrido de la misma, registrando simultáneamente la localización real del robot móvil junto con la localización proporcionada por el sistema SLAM Visual Monocular. Se han realizado varias ejecuciones de prueba de validación, siempre en las mismas condiciones iniciales de posición de marcadores visuales y localización del robot móvil, comprobando la repetitividad del ensayo. Los resultados presentados corresponden a la consideración de las medidas más pesimistas obtenidas tras el procesamiento del conjunto de medidas de todos los ensayos. Los resultados revelan que, considerando todo el espacio de trabajo, el error de posición, diferencia entre los valores de proporcionados por el sistema SLAM y los valores medidos de posición real, se encuentra en el entorno de la veintena de centímetros. Además, los valores de incertidumbre proporcionados por el sistema SLAM son, en todos los casos, superiores a este error. Estos resultados conducen a concluir que el sistema de localización basado en SLAM Visual, mediante un algoritmo de Trilateración Estadística, usando un sensor visual monocular y marcadores visuales externos, funciona, proporcionando la localización del robot móvil con respecto al sistema de referencia global inicial y un mapa de su situación de los marcadores visuales, con precisión limitada, pero con incertidumbre conservativa, al estar en todo momento el error real de localización por debajo del error estimado. Sin embargo, los resultados de precisión del sistema de localización no son suficientemente altos para cumplir con los requerimientos como solución robotizada aplicada a la inspección ultrasónica estructural de aeronaves en servicio. En este sentido, los resultados sugieren que la posible continuación de este trabajo en el futuro debe centrarse en la mejora de la precisión de localización del robot móvil, con líneas de trabajo encaminadas a mejorar el comportamiento dinámico del prototipo, en mejorar la precisión de las medidas de posición proporcionadas por el sensor visual y en optimizar el resultado del algoritmo SLAM. Algunas de estas líneas futuras podrían ser la utilización de plataformas robóticas de desarrollo alternativas, la exploración de técnicas de visión por computador complementarias, como la odometría visual, la visión omnidireccional, la visión estereoscópica o las técnicas de reconstrucción tridimensional densa a partir de captura monocular, y el análisis de algoritmos SLAM alternativos condicionado a disponer de una sustancial mejora de precisión en el modelo de odometría y en las medidas de posición de los marcadores.

Caracterización geométrica y lumínica de los atrios incorporados en los edificios de Santiago de Chile

El atrio incorporado en los edificios ha sido un recurso espacial que tempranamente se difundió a nivel global, siendo adoptado por las distintas arquitecturas locales en gran parte del mundo. Su masificación estuvo favorecida primero por la rápida evolución de la tecnología del acero y el vidrio, a partir del siglo XIX, y en segundo termino por el posterior desarrollo del hormigón armado. Otro aspecto que explica tal aceptación en la arquitectura contemporánea, es de orden social y radica en la llamativa cavidad del espacio describiendo grandes dimensiones y favoreciendo con ello, el desarrollo de una multiplicidad de usos en su interior que antes eran impensados. Al interior del atrio, la luz natural es clave en las múltiples vivencias que alberga y sea tal vez la condición ambiental más valorada, ya que entrega una sensación de bienestar al conectarnos visualmente con el ambiente natural. Por esta razón de acuerdo al método hipotético deductivo, se evaluaron los efectos de la configuración geométrica, la cubierta y la orientación en el desempeño de la iluminación natural en la planta baja, a partir un modelo extraído desde el inventario de los edificios atrio construidos en Santiago de Chile, en los últimos 30 años que fue desarrollado en el capitulo 2. El análisis cuantitativo de los edificios inventariados se elaboró en el capítulo 3, considerando las dimensiones de los atrios. Simultáneamente fueron clasificados los aspectos constructivos, los materiales y las características del ambiente interior de cada edificio. En esta etapa además, fueron identificadas las variables de estudio de las proporciones geométricas de la cavidad del atrio con los coeficientes de aspecto de las proporciones, en planta (PAR), en corte (SAR) y de la cavidad según (WI), (AR) y (RI). Del análisis de todos estos parámetros se extrajo el modelo de prueba. El enfoque del estudio del capítulo 4 fue la iluminación natural, se revisaron los conceptos y el comportamiento en el atrio, a partir de un modelo físico construido a escala para registro de la iluminancia bajo cielo soleado de la ciudad. Más adelante se construyó el modelo en ambiente virtual, relacionando las variables determinadas por la geometría de la cavidad y el cerramiento superior; examinándose de esta manera distintas transparencias, proporciones de apertura, en definitiva se evaluó un progresivo cerramiento de las aberturas, verificando el ingreso de la luz y disponibilidad a nivel de piso con la finalidad, de proveer lineamientos útiles en una primera etapa del diseño arquitectónico. Para el análisis de la iluminación natural se revisaron diferentes métodos de cálculo con el propósito de evaluar los niveles de iluminancia en un plano horizontal al interior del atrio. El primero de ellos fue el Factor de Luz Día (FLD) que corresponde, a la proporción de la iluminancia en un punto de evaluación interior respecto, la cantidad proveniente del exterior bajo cielo nublado, a partir de la cual se obtuvo resultados que revelaron la alta luminosidad del cielo nublado de la ciudad. Además fueron evaluadas las recientes métricas dinámicas que dan cuenta, de la cantidad de horas en las cuales de acuerdo a los extensos registros meteorológico de la ciudad, permitieron obtener el porcentajes de horas dentro de las cuales se cumplió el estándar de iluminancia requerido, llamado autonomía lumínica (DA) o mejor aún se permanece dentro de un rango de comodidad visual en el interior del atrio referido a la iluminancia diurna útil (UDI). En el Capítulo 5 se exponen los criterios aplicados al modelo de estudio y cada una de las variantes de análisis, además se profundizó en los antecedentes y procedencia de las fuentes de los registros climáticos utilizados en las simulaciones llevadas a cabo en el programa Daysim operado por Radiance. Que permitieron evaluar el desempeño lumínico y la precisión, de cada uno de los resultados para comprobar la disponibilidad de iluminación natural a través de una matriz. En una etapa posterior se discutieron los resultados, mediante la comparación de los datos logrados según cada una de las metodologías de simulación aplicada. Finalmente se expusieron las conclusiones y futuras lineas de trabajo, las primeras respecto el dominio del atrio de cuatro caras, la incidencia del control de cerramiento de la cubierta y la relación establecida con la altura; indicando en lo específico que las mediciones de iluminancia bajo el cielo soleado de verano, permitieron aclarar, el uso de la herramienta de simulación y método basado en el clima local, que debido a su reciente desarrollo, orienta a futuras líneas de trabajo profundizando en la evaluación dinámica de la iluminancia contrastado con monitorización de casos. ABSTRACT Atriums incorporated into buildings have been a spatial resource that quickly spread throughout the globe, being adopted by several local architecture methods in several places. Their widespread increase was highly favored, in the first place, with the rapid evolution of steel and glass technologies since the nineteen century, and, in second place, by the following development of reinforced concrete. Another issue that explains this success into contemporary architecture is associated with the social approach, and it resides in the impressive cavity that describes vast dimensions, allowing the development of multiple uses in its interior that had never been considered before. Inside the atrium, daylight it is a key element in the many experiences that involves and it is possibly the most relevant environmental factor, since it radiates a feeling of well-being by uniting us visually with the natural environment. It is because of this reason that, following the hypothetical deductive method, the effects in the performance of daylight on the floor plan were evaluated considering the geometric configuration, the deck and orientation factors. This study was based in a model withdrawn from the inventory of atrium buildings that were constructed in Santiago de Chile during the past thirty years, which will be explained later in chapter 2. The quantitative analysis of the inventory of those buildings was elaborated in chapter 3, considering the dimensions of the atriums. Simultaneously, several features such as construction aspects, materials and environmental qualities were identified inside of each building. At this stage, it were identified the variables of the geometric proportions of the atrium’s cavity with the plan aspect ratio of proportions in first plan (PAR), in section (SAR) and cavity according to well index (WI), aspect ratio (AR) and room index (RI). An experimental model was obtained from the analysis of all the mentioned parameters. The main focus of the study developed in chapter 4 is daylight. The atrium’s concept and behavior were analyzed from a physical model built under scale to register the illuminances under clear, sunny sky of the city. Later on, this physical model was built in a virtual environment, connecting the variables determined by the geometry of the cavity and the superior enclosure, allowing the examination of transparencies and opening proportions. To summarize, this stage consisted on evaluating a progressive enclosure of the openings, checking the access of natural light and its availability at the atrium floor, in an effort to provide useful guidelines during the first stage of the architectural design. For the analysis of natural lighting, several calculations methods were used in order to determine the levels of illuminances in a horizontal plane inside of the atrium. The first of these methods is the Daylight Factor (DF), which consists in the proportion of light in an evaluation interior place with the amount of light coming from the outside in a cloudy day. Results determined that the cloudy sky of the city has high levels of luminosity. In addition, the recent dynamic metrics were evaluated which reflects the hours quantity. According to the meteorological records of the city’s climate, the standard of illuminance- a standard measure called Daylight Autonomy (DA) – was met. This is even better when the results stay in the line of visual convenience within the atrium, which is referred to as Useful Daylight Illuminance (UDI). In chapter 5, it was presented the criteria applied to the study model and on each of the variants of the analysis. Moreover, the information of the climate records used for the simulations - carried out in the Daysim program managed by Radiance – are detailed. These simulations allowed the observation of the daylight performance and the accuracy of each of the results to confirm the availability of natural light through a matrix. In a later stage, the results were discussed comparing the collected data in each of the methods of simulation used. Finally, conclusions and further discussion are presented. Overall, the four side atrium’s domain and the effect of the control of the cover’s enclosure. Specifically, the measurements of the daylight under summer’s clear, sunny sky allowing clarifying the use of the simulation tool and the method based on the local climate. This method allows defining new and future lines of work deepening on the dynamic of the light in contrast with the monitoring of the cases.

Metodologías de modelado, monitorización y asistencia robótica en neurorrehabilitación funcional de extremidad superior

La Organización Mundial de la Salud (OMS) prevé que para el año 2020, el Daño Cerebral Adquirido (DCA) estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad. Estas lesiones, dadas sus consecuencias físicas, sensoriales, cognitivas, emocionales y socioeconómicas, cambian dramáticamente la vida de los pacientes y sus familias. Las nuevas técnicas de intervención precoz y el desarrollo de la medicina intensiva en la atención al DCA han mejorado notablemente la probabilidad de supervivencia. Sin embargo, hoy por hoy, las lesiones cerebrales no tienen ningún tratamiento quirúrgico que tenga por objetivo restablecer la funcionalidad perdida, sino que las terapias rehabilitadoras se dirigen hacia la compensación de los déficits producidos. Uno de los objetivos principales de la neurorrehabilitación es, por tanto, dotar al paciente de la capacidad necesaria para ejecutar las Actividades de Vida Diaria (AVDs) necesarias para desarrollar una vida independiente, siendo fundamentales aquellas en las que la Extremidad Superior (ES) está directamente implicada, dada su gran importancia a la hora de la manipulación de objetos. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma centrado en ofrecer una práctica personalizada, monitorizada y ubicua con una valoración continua de la eficacia y de la eficiencia de los procedimientos y con capacidad de generar conocimientos que impulsen la ruptura del paradigma de actual. Los nuevos objetivos consistirán en minimizar el impacto de las enfermedades que afectan a la capacidad funcional de las personas, disminuir el tiempo de incapacidad y permitir una gestión más eficiente de los recursos. Estos objetivos clínicos, de gran impacto socio-económico, sólo pueden alcanzarse desde una apuesta decidida en nuevas tecnologías, metodologías y algoritmos capaces de ocasionar la ruptura tecnológica necesaria que permita superar las barreras que hasta el momento han impedido la penetración tecnológica en el campo de la rehabilitación de manera universal. De esta forma, los trabajos y resultados alcanzados en la Tesis son los siguientes: 1. Modelado de AVDs: como paso previo a la incorporación de ayudas tecnológicas al proceso rehabilitador, se hace necesaria una primera fase de modelado y formalización del conocimiento asociado a la ejecución de las actividades que se realizan como parte de la terapia. En particular, las tareas más complejas y a su vez con mayor repercusión terapéutica son las AVDs, cuya formalización permitirá disponer de modelos de movimiento sanos que actuarán de referencia para futuros desarrollos tecnológicos dirigidos a personas con DCA. Siguiendo una metodología basada en diagramas de estados UML se han modelado las AVDs 'servir agua de una jarra' y 'coger un botella' 2. Monitorización ubícua del movimiento de la ES: se ha diseñado, desarrollado y validado un sistema de adquisición de movimiento basado en tecnología inercial que mejora las limitaciones de los dispositivos comerciales actuales (coste muy elevado e incapacidad para trabajar en entornos no controlados); los altos coeficientes de correlación y los bajos niveles de error obtenidos en los corregistros llevados a cabo con el sistema comercial BTS SMART-D demuestran la alta precisión del sistema. También se ha realizado un trabajo de investigación exploratorio de un sistema de captura de movimiento de coste muy reducido basado en visión estereoscópica, habiéndose detectado los puntos clave donde se hace necesario incidir desde un punto de vista tecnológico para su incorporación en un entorno real 3. Resolución del Problema Cinemático Inverso (PCI): se ha diseñado, desarrollado y validado una solución al PCI cuando el manipulador se corresponde con una ES humana estudiándose 2 posibles alternativas, una basada en la utilización de un Perceptrón Multicapa (PMC) y otra basada en sistemas Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). La validación, llevada a cabo utilizando información relativa a los modelos disponibles de AVDs, indica que una solución basada en un PMC con 3 neuronas en la capa de entrada, una capa oculta también de 3 neuronas y una capa de salida con tantas neuronas como Grados de Libertad (GdLs) tenga el modelo de la ES, proporciona resultados, tanto de precisión como de tiempo de cálculo, que la hacen idónea para trabajar en sistemas con requisitos de tiempo real 4. Control inteligente assisted-as-needed: se ha diseñado, desarrollado y validado un algoritmo de control assisted-as-needed para una ortesis robótica con capacidades de actuación anticipatoria de la que existe un prototipo implementado en la actualidad. Los resultados obtenidos demuestran cómo el sistema es capaz de adaptarse al perfil disfuncional del paciente activando la ayuda en instantes anteriores a la ocurrencia de movimientos incorrectos. Esta estrategia implica un aumento en la participación del paciente y, por tanto, en su actividad muscular, fomentándose los procesos la plasticidad cerebral responsables del reaprendizaje o readaptación motora 5. Simuladores robóticos para planificación: se propone la utilización de un simulador robótico assisted-as-needed como herramienta de planificación de sesiones de rehabilitación personalizadas y con un objetivo clínico marcado en las que interviene una ortesis robotizada. Los resultados obtenidos evidencian como, tras la ejecución de ciertos algoritmos sencillos, es posible seleccionar automáticamente una configuración para el algoritmo de control assisted-as-needed que consigue que la ortesis se adapte a los criterios establecidos desde un punto de vista clínico en función del paciente estudiado. Estos resultados invitan a profundizar en el desarrollo de algoritmos más avanzados de selección de parámetros a partir de baterías de simulaciones Estos trabajos han servido para corroborar las hipótesis de investigación planteadas al inicio de la misma, permitiendo, asimismo, la apertura de nuevas líneas de investigación. Summary The World Health Organization (WHO) predicts that by the year 2020, Acquired Brain Injury (ABI) will be among the ten most common ailments. These injuries dramatically change the life of the patients and their families due to their physical, sensory, cognitive, emotional and socio-economic consequences. New techniques of early intervention and the development of intensive ABI care have noticeably improved the survival rate. However, in spite of these advances, brain injuries still have no surgical or pharmacological treatment to re-establish the lost functions. Neurorehabilitation therapies address this problem by restoring, minimizing or compensating the functional alterations in a person disabled because of a nervous system injury. One of the main objectives of Neurorehabilitation is to provide patients with the capacity to perform specific Activities of the Daily Life (ADL) required for an independent life, especially those in which the Upper Limb (UL) is directly involved due to its great importance in manipulating objects within the patients' environment. The incorporation of new technological aids to the neurorehabilitation process tries to reach a new paradigm focused on offering a personalized, monitored and ubiquitous practise with continuous assessment of both the efficacy and the efficiency of the procedures and with the capacity of generating new knowledge. New targets will be to minimize the impact of the sicknesses affecting the functional capabilitiies of the subjects, to decrease the time of the physical handicap and to allow a more efficient resources handling. These targets, of a great socio-economic impact, can only be achieved by means of new technologies and algorithms able to provoke the technological break needed to beat the barriers that are stopping the universal penetration of the technology in the field of rehabilitation. In this way, this PhD Thesis has achieved the following results: 1. ADL Modeling: as a previous step to the incorporation of technological aids to the neurorehabilitation process, it is necessary a first modelling and formalization phase of the knowledge associated to the execution of the activities that are performed as a part of the therapy. In particular, the most complex and therapeutically relevant tasks are the ADLs, whose formalization will produce healthy motion models to be used as a reference for future technological developments. Following a methodology based on UML state-chart diagrams, the ADLs 'serving water from a jar' and 'picking up a bottle' have been modelled 2. Ubiquitous monitoring of the UL movement: it has been designed, developed and validated a motion acquisition system based on inertial technology that improves the limitations of the current devices (high monetary cost and inability of working within uncontrolled environments); the high correlation coefficients and the low error levels obtained throughout several co-registration sessions with the commercial sys- tem BTS SMART-D show the high precision of the system. Besides an exploration of a very low cost stereoscopic vision-based motion capture system has been carried out and the key points where it is necessary to insist from a technological point of view have been detected 3. Inverse Kinematics (IK) problem solving: a solution to the IK problem has been proposed for a manipulator that corresponds to a human UL. This solution has been faced by means of two different alternatives, one based on a Mulilayer Perceptron (MLP) and another based on Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). The validation of these solutions, carried out using the information regarding the previously generated motion models, indicate that a MLP-based solution, with an architecture consisting in 3 neurons in the input layer, one hidden layer of 3 neurons and an output layer with as many neurons as the number of Degrees of Freedom (DoFs) that the UL model has, is the one that provides the best results both in terms of precission and in terms of processing time, making in idoneous to be integrated within a system with real time restrictions 4. Assisted-as-needed intelligent control: an assisted-as-needed control algorithm with anticipatory actuation capabilities has been designed, developed and validated for a robotic orthosis of which there is an already implemented prototype. Obtained results demonstrate that the control system is able to adapt to the dysfunctional profile of the patient by triggering the assistance right before an incorrect movement is going to take place. This strategy implies an increase in the participation of the patients and in his or her muscle activity, encouraging the neural plasticity processes in charge of the motor learning 5. Planification with a robotic simulator: in this work a robotic simulator is proposed as a planification tool for personalized rehabilitation sessions under a certain clinical criterium. Obtained results indicate that, after the execution of simple parameter selection algorithms, it is possible to automatically choose a specific configuration that makes the assisted-as-needed control algorithm to adapt both to the clinical criteria and to the patient. These results invite researchers to work in the development of more complex parameter selection algorithms departing from simulation batteries Obtained results have been useful to corroborate the hypotheses set out at the beginning of this PhD Thesis. Besides, they have allowed the creation of new research lines in all the studied application fields.

Generación y Gestión Optimizadas de la Base de Datos de un Visual para su Implementación en un Simulador de Formación

Los Sistemas de Información Geográfica están desarrollados para gestionar grandes volúmenes de datos, y disponen de numerosas funcionalidades orientadas a la captura, almacenamiento, edición, organización, procesado, análisis, o a la representación de información geográficamente referenciada. Por otro lado, los simuladores industriales para entrenamiento en tareas de conducción son aplicaciones en tiempo real que necesitan de un entorno virtual, ya sea geoespecífico, geogenérico, o combinación de ambos tipos, sobre el cual se ejecutarán los programas propios de la simulación. Este entorno, en última instancia, constituye un lugar geográfico, con sus características específicas geométricas, de aspecto, funcionales, topológicas, etc. Al conjunto de elementos que permiten la creación del entorno virtual de simulación dentro del cual se puede mover el usuario del simulador se denomina habitualmente Base de Datos del Visual (BDV). La idea principal del trabajo que se desarrolla aborda un tema del máximo interés en el campo de los simuladores industriales de formación, como es el problema que presenta el análisis, la estructuración, y la descripción de los entornos virtuales a emplear en los grandes simuladores de conducción. En este artículo se propone una metodología de trabajo en la que se aprovechan las capacidades y ventajas de los Sistemas de Información Geográfica para organizar, optimizar y gestionar la base de datos visual del simulador, y para mejorar la calidad y el rendimiento del simulador en general. ABSTRACT Geographic Information Systems are developed to handle enormous volumes of data and are equipped with numerous functionalities intended to capture, store, edit, organise, process and analyse or represent the geographically referenced information. On the other hand, industrial simulators for driver training are real-time applications that require a virtual environment, either geospecific, geogeneric or a combination of the two, over which the simulation programs will be run. In the final instance, this environment constitutes a geographic location with its specific characteristics of geometry, appearance, functionality, topography, etc. The set of elements that enables the virtual simulation environment to be created and in which the simulator user can move, is usually called the Visual Database (VDB). The main idea behind the work being developed approaches a topic that is of major interest in the field of industrial training simulators, which is the problem of analysing, structuring and describing the virtual environments to be used in large driving simulators. This paper sets out a methodology that uses the capabilities and benefits of Geographic Information Systems for organising, optimising and managing the visual Database of the simulator and for generally enhancing the quality and performance of the simulator.

Mechanical design optimization for multi-finger haptic devices applied to virtual grasping manipulation

This paper describes the design of a modular multi-finger haptic device for virtual object manipulation. Mechanical structures are based on one module per finger and can be scaled up to three fingers. Mechanical configurations for two and three fingers are based on the use of one and two redundant axes, respectively. As demonstrated, redundant axes significantly increase workspace and prevent link collisions, which is their main asset with respect to other multi-finger haptic devices. The location of redundant axes and link dimensions have been optimized in order to guarantee a proper workspace, manipulability, force capability, and inertia for the device. The mechanical haptic device design and a thimble adaptable to different finger sizes have also been developed for virtual object manipulation.

A UGV Navigation System for Large Outdoor Environments Including Virtual Obstacles for No-Go Zones

This work presents a navigation system for UGVs in large outdoor environments; virtual obstacles are added to the system in order to avoid zones that may present risks to the UGV or the elements in its surroundings. The platform, software architecture and the modifications necessary to handle the virtual obstacles are explained in detail. Several tests have been performed and their results show that the system proposed is capable of performing safe navigation in complex environments.

ROSPHERE: Diseño, Construcción y Aplicación de una Esfera Robótica

Este trabajo fin de máster presenta la concepción, diseño, modelado, simulación y construcción de un robot móvil terrestre con forma esférica, el cual presenta un mecanismo alternativo de locomoción respecto a opciones tradicionales como son los vehículos con ruedas, orugas, extremidades, etc. El sistema denominado ROSPHERE (“RObotic SPHERE”), esta ́ compuesto por una coraza o cuerpo exterior de forma esférica y un mecanismo interno que le permite autoinducir movimiento.

New control architecturebased on PXI for a 3-finger haptic device applied to virtual manipulation

To perform advanced manipulation of remote environments such as grasping, more than one finger is required implying higher requirements for the control architecture. This paper presents the design and control of a modular 3-finger haptic device that can be used to interact with virtual scenarios or to teleoperate dexterous remote hands. In a modular haptic device, each module allows the interaction with a scenario by using a single finger; hence, multi-finger interaction can be achieved by adding more modules. Control requirements for a multifinger haptic device are analyzed and new hardware/software architecture for these kinds of devices is proposed. The software architecture described in this paper is distributed and the different modules communicate to allow the remote manipulation. Moreover, an application in which this haptic device is used to interact with a virtual scenario is shown.

Metodología para el desarrollo de un sistema de visualización multi-proyector con características cromáticas uniformes

Los sistemas de proyección multi-proyector han adquirido gran popularidad en los últimos años para su uso en un amplio rango de aplicaciones como sistemas de realidad virtual, simuladores y visualización de datos. Esto es debido a que normalmente estas aplicaciones necesitan representar sus datos a muy alta resolución y a lo largo de una gran superficie. Este tipo de sistemas de proyección son baratos en comparación con las resoluciones que pueden conseguir, se pueden configurar para proyectar sobre prácticamente cualquier tipo de superficie, sea cual sea su forma, y son fácilmente escalables. Sin embargo, para hacer que este tipo de sistemas generen una imagen sin discontinuidades geométricas o colorimétricas requieren de un ajuste preciso. En la presente tesis se analizan en detalle todos los problemas a los que hay que enfrentarse a la hora de diseñar y calibrar un sistema de proyección de este tipo y se propone una metodología con una serie de optimizaciones para hacer el ajuste de estos sistemas más sencillo y rápido. Los resultados de esta metodología se muestran aplicados a la salida gráfica de un simulador de entrenamiento. Multi-projector display systems have gained high popularity over the past years for its use in a wide range of applications such as virtual reality systems, simulators or data visualization where a high resolution image over a large projection surface is required. Such systems are cheap for the resolutions they can provide, can be configured to project images on almost any kind of screen shapes and are easily scalable, but in order to provide a seamless image with no photometric discontinuities they require a precise geometric and colour correction. In this thesis, we analyze all the problems that have to be faced in order to design and calibrate a multi-projector display. We propose a calibration methodology with some optimizations that make the adjustment of this kind of displays easier and faster. The results of the implementation of this methodology on a training simulator are presented and discussed

3D facial merging for virtual human reconstruction

There is an increasing need of easy and affordable technologies to automatically generate virtual 3D models from their real counterparts. In particular, 3D human reconstruction has driven the creation of many clever techniques, most of them based on the visual hull (VH) concept. Such techniques do not require expensive hardware; however, they tend to yield 3D humanoids with realistic bodies but mediocre faces, since VH cannot handle concavities. On the other hand, structured light projectors allow to capture very accurate depth data, and thus to reconstruct realistic faces, but they are too expensive to use several of them. We have developed a technique to merge a VH-based 3D mesh of a reconstructed humanoid and the depth data of its face, captured by a single structured light projector. By combining the advantages of both systems in a simple setting, we are able to reconstruct realistic 3D human models with believable faces.

Internet-Based Supervisory Teleoperation of a Virtual Humanoid Robot

This paper describes the approach used by the Sarbot-Team for controlling the Atlas humanoid robot during the DARPA Virtual Robotics Challenge that took place in June 2013. Herein we present a proposal for overcoming the restrictions on performance caused by limited bandwidth, high latency and the effects of signal degradation induced by beyond line of sight (BLOS) conditions, RF interference, and other related circumstances. Experimental evaluation confirmed the effectiveness of our approach and present an alternative for coping with constrained communication conditions during the control of humanoid robot deployed at unattended areas.

A sensorless virtual slave control scheme for kinematically dissimilar master-slave teleoperation

The use of telerobotic systems is essential for remote handling (RH) operations in radioactive areas of scientific facilities that generate high doses of radiation. Recent developments in remote handling technology has seen a great deal of effort being directed towards the design of modular remote handling control rooms equipped with a standard master arm which will be used to separately control a range of different slave devices. This application thus requires a kinematically dissimilar master-slave control scheme. In order to avoid drag and other effects such as friction or other non-linear and unmodelled slave arm effects of the common position-position architecture in nonbackdrivable slaves, this research has implemented a force-position control scheme. End-effector force is derived from motor torque values which, to avoid the use of radiation intolerant and costly sensing devices, are inferred from motor current measurement. This has been demonstrated on a 1-DOF test-rig with a permanent magnet synchronous motor teleoperated by a Sensable Phantom Omni® haptic master. This has been shown to allow accurate control while realistically conveying dynamic force information back to the operator.