Desarrollo de una Interfaz de sustitución sensorial para el estudio de la percepción del flujo vibrotáctil (retina táctil)

En el presente trabajo fin de máster se ha concebido, diseñado e utilizado una interfaz háptica, adecuada para ser utilizada como dispositivo de sustitución sensorial, la cual hemos llamado retina táctil. Por cuanto trata de proporcionar información propia del sentido de la vista a través del sentido del tacto. Durante este trabajo, que fue desarrollado en el grupo de robótica y cibernética CAR UPM-CSIC, se ha trabajado en estrecha colaboración con el departamento de la facultad de psicología de la universidad autónoma de Madrid, los cuales han definido las bases de la información de alto orden, como podrían ser, gradientes de intensidades de vibración, mediante las cuales el individuo llega a tener una mejor comprensión del ambiente. El proyecto maneja teorías psicológicas recientes, como las teorías ecológicas y dinámicas que entienden que la percepción se basa en variables informacionales de alto orden. Ejemplos de tales variables son el flujo óptico, gradientes de movimiento, gradientes de intensidades, cambios en gradientes, etc. Sorprendentemente, nuestra percepción visual es mucho más sensible a variables de alto orden que a variables de bajo orden, lo cual descarta que variables de alto orden se infieran o calculen en base a variables de bajo orden. La hipótesis que maneja la teoría ecológica es que las variables de alto orden se detectan como unidades básicas, sin descomponerlas en variables de bajo orden. Imaginemos el caso de un objeto acercándose, intuitivamente pensaríamos que calculamos la distancia y la velocidad del objeto para determinar el momento en el cual este nos impactaría, ¿pero es este realmente el modo en el que actúa nuestro cerebro?, ¿no seremos capaces en determinar directamente el tiempo de contacto como una variable de alto orden presente en el entorno?, por ejemplo, determinar directamente la relación entre el tamaño del objeto y la tasa de crecimiento. También cabe preguntarse si todas estas suposiciones son válidas para estimulaciónes a través de los receptores táctiles en la piel. El dispositivo desarrollado está conformado por 13 módulos cada uno de los cuales maneja 6 tactores o vibradores, para hacer un total de 78 vibradores (ampliables al agregar módulos adicionales), cada uno de los tactores tiene 8mm de diámetro y proporciona información del flujo óptico asociado al entorno que rodea al usuario a través de información táctil, él mismo puede ser utilizado inalámbricamente a pesar de que el procesamiento de los datos se este realizando en una computadora de mesa, lo cual es muy útil al trabajar con ambientes virtuales. También se presenta la integración de la interfaz con el sistema operativo de robots ROS para usarlo en conjunto con las librerías que han sido desarrolladas para el control de la cámara Microsoft Kinect con la cual se puede obtener una matriz de distancias de puntos en el espacio, permitiendo de esta manera utilizar la interfaz en ambientes reales. Finalmente se realizaron experimentos para comprobar hipótesis sobre la variable de percepción del tiempo de contacto además de verificar el correcto funcionamiento del dispositivo de sustitución sensorial tanto en ambientes reales como en ambientes simulados así como comprobar hipótesis sobre la validéz del uso del flujo vibrotáctil para la determinación del tiempo de contacto.

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.

El concepto de límite en el B-mu de François Roche

Algunos proyectos, como el Dusty relief/B-mu (2002) de François Roche demuestran como edificios complejos, que toman distancia desde los modelos mecanicistas para referirse a nuevos paradigmas, se pueden interpretar y comprenderse mejor gracias a un análisis perceptivo que acerca el proyecto de arquitectura a cuestiones como la relación psicológica del hombre con la arquitectura, el miedo al espacio, y las patologías vinculadas a la percepción y a las neurosis modernas. En este caso, aparte de las repercusiones que la fachada de polvo podría tener en el ámbito de la ecología urbana, es interesante analizar algunos aspectos ligados a la dicotomía entre forma externa y volúmenes internos para la que François Roche cita como referencia el raumplan de Adolf Loos, pero que presenta motivos para una reflexión vinculada a los aspectos perceptivos. El artículo trata de analizar como François Roche proyecta sus edificios extremando la dicotomía entre interior/visual y exterior/táctil, desarrollando así una nueva relación con el lugar. Roche diseña la fachada exterior del B-mu autoimponiéndose una limitación del sentido de la vista, a favor de una dimensión háptica del proyecto y lo hace envolviendo los ámbitos arquitectónicos más familiares de una interfaz abstracta y táctil.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Percepción dispersa: Arquitectura y tactilidad en la sociedad de la comunicación

El tema de la tesis se centra en el pensamiento de Walter Benjamin y en el concepto de percepción distraída, desarrollado en el ensayo La obra de arte en la época de su reproducibilidad técnica (1936). El título percepción dispersa deriva de una profundización de los conceptos benjaminianos en términos lingüísticos, adoptando otros significados de la palabra distracción que relacionan este concepto a cuestiones de ámbito espacial y atmosférico. Benjamin sostiene que la arquitectura, en una época en la que se desarrollan y se difunden nuevas técnicas de reproducción/ comunicación, no se puede percibir solo de manera visual sino también táctil, interrelacionando la difusión de nuevas técnicas de reproducción, la tensión entre diferentes modalidades perceptivas y la arquitectura: según él, la dispersión de la vista a favor de la percepción táctil/háptica es un rasgo característico de una sociedad en la que se desarrollan y se difunden nuevas técnicas de reproducción. La tesis profundiza en estos temas, actualizando el concepto de distracción/dispersión para valorar las repercusiones de esta intuición en el ámbito de una parte de la producción arquitectónica contemporánea: se propone una contextualización histórica y una conceptual, relativas a los proyectos recientes de algunos de los autores que profundizan en el impacto de las nuevas tecnologías en el ámbito del proyecto de arquitectura. La hipótesis que se quiere demostrar es que se está desarrollando una tendencia que lleva proyectos o edificios de alto nivel tecnológico y informático desde un ámbito de (supuesto) predominio de la percepción visual, hasta una arquitectura que proporciona experiencias multisensoriales: espacios que se pueden medir con el movimiento, los músculos y el tacto, que desarrollan un conjunto de sensaciones táctiles/hápticas y no solo visuales. Finalmente se quiere verificar si, revertiendo siglos de evolución visual, la visión táctil y cercana siga siendo uno de los polos dialécticos que estructuran la experiencia de la arquitectura, como previsto por Benjamin hace 75 años. ABSTRACT The thesis focuses on the thought of Walter Benjamin and the concept of distracted perception, developed in the essay The Work of Art in the Age of Mechanical Reproduction (1936). The title derives from a linguistic approach to this concept which further explores the meaning of the word distraction, finally relating this kind of perception to spatial and atmospheric issues. Benjamin argues that architecture, thanks to the development of new reproduction/communication technologies, cannot be perceived exclusively in a visual way but also in a tactile way, interrelating new technologies of reproduction, perceptual modalities and architecture: according to him, the dispersion of the view in favor of tactile/ haptic perception is a fundamental characteristic of a technologically developed society. The thesis explores these issues, updating the concept of distraction/dispersion to assess its implications in the works of some architects that are exploring with their buildings the impact of new communication technologies in the field of architectural design. The hypothesis at the base of this work is that we are facing a new trend in this particular field: many of the most advanced buildings provide multisensory experience, and define spaces that can be better perceived with the sense of touch (haptic sense), going beyond a mere visual perception. Finally the thesis wants to verify if, reversing centuries of visual evolution, tactile and close vision remains one of the dialectical poles that stay at the base of the experience of architecture, as foreseen by Benjamin 75 years ago. ABSTRACT La tesi si basa sul pensiero di Walter Benjamin e sul concetto di percezione distratta, sviluppato nel saggio La opera d’arte nell’epoca della sua riproducibilità tecnica (1936). Il titolo, percezione dispersa, deriva da un approfondimento dei concetti benjaminiani in termini linguistici, adottando ulteriori significati della parola che il filosofo utilizza per indicare la distrazione e che relazionano questo termine a questioni di ambito spaziale ed atmosferico. Benjamin sostiene che l’architettura, in un’epoca nella quale si sviluppano e si diffondono nuove tecniche di riproduzione (o meglio: nuove tecnologie di comunicazione), non possa essere percepita solamente in maniera visuale, ma anche tattile, mettendo in relazione la diffusione di nuove tecnologie, la tensione tra differenti modalità percettive e l’architettura: secondo Benjamin, la dispersione della vista a favore di una ricezione tattile/aptica della realtà è una caratteristica tipica di quei momenti storici nei quali si manifestano grandi trasformazioni di ambito sociale e culturale dovute allo sviluppo di nuove tecnologie di comunicazione. La tesi approfondisce questi temi, aggiornando il concetto di distrazione/dispersione per valutarne le ripercussioni su una certa parte della produzione architettonica contemporanea: si propone una contestualizzazione storica ed una concettuale, relative ai progetti di alcuni architetti che lavorano da tempo sull’impatto delle nuove tecnologie nell’ambito del progetto di architettura. La ipotesi che si dimostra con questa tesi è che si sta sviluppando una contro-tendenza tattile, a seguito della quale molti degli edifici tecnologicamente ed informaticamente più avanzati strutturano la relazione con i propri utenti sulla base di esperienze multisensoriali, definendo spazi che possono essere percepiti attraverso una percezione aptica, piuttosto che visuale. In definitiva la tesi verifica che, superando secoli di evoluzione visuale, la visione tattile e ravvicinata e - più in generale - una percezione di tipo aptico continuano ad essere uno dei poli dialettici che strutturano l’esperienza dell’architettura, come previsto da Benjamin più di 75 anni fa.

Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Desarrollo de un dispositivo háptico con reflexión de esfuerzos y con percepción inercial y de proximidad.

Este documento recoge el desarrollo del proyecto “desarrollo de un dispositivo háptico con reflexión de esfuerzos y con percepción inercial y de proximidad". El proyecto comprende el desarrollo y adaptación de una interfaz háptica para teleoperación. Dicha interfaz se concibió en un principio para su funcionamiento en entornos virtuales, llegando a desarrollarse un primer prototipo, para posteriormente tratar de adaptar dicha investigación a una aplicación más realista. El documento recoge desde la concepción del diseño inicial del sistema para la teleoperación en entornos virtuales hasta la adaptación de la misma a la teleoperación del robot humanoide submarino. Tras conocer la ingeniería de requerimientos llevada a cabo se exponen los primeros bocetos del sistema para, posteriormente, tratar el problema desde un punto técnico pasando por las diferentes ideas y, finalmente, llegar hasta los prototipos finales. En el apartado Anexos se exponen los códigos de Labview de una manera detallada a fin de comprender mejor el funcionamiento y concepción del sistema.

Lo intermedio como lugar : lo intersticial, lo fronterizo y lo impreciso en la arquitectura contemporánea

1. Nuestra investigación se centra en el estudio de los “ámbitos o espacios intermedios” en momentos de la arquitectura contemporánea, en un período de transición entre finales de los años 80 y nuestros días. Pretendemos analizar cómo se presenta el ámbito intermedio en el objeto o lugar arquitectónico y su función o relación con el entorno cercano, desde el proyecto hasta su repercusión en la experiencia vivida. 2. El concepto de intermedio entendido como ámbito o espacio intersticial, fronterizo y ambivalente (o multivalente), atraviesa en la presente investigación el campo de la etimología, de la ciencia, del pensamiento y del arte, para detenerse en la arquitectura actual, llevándose a cabo una indagación concreta en el proceso de concepción, en la propuesta formal, espacial y funcional, así como en la percepción y demás experiencias o vivencias en el lugar arquitectónico. 3. En primer lugar nos proponemos estudiar y explorar el concepto de “intermedio” en sus características, funciones y ubicaciones dentro de la cultura contemporánea, detectando sus antecedentes culturales más importantes, para a continuación aplicarlo reflexivamente a obras significativas de arquitectura. La investigación se enfoca en la modalidad figural (imprecisa) de lo intermedio (en alusión al “figural” deleuziano), cuyas metáforas base son lo translúcido, la penumbra y la espuma, vinculadas al actual paradigma cultural de la complejidad (C. Jencks). A continuación se analizan las relaciones o implicaciones de dicha modalidad figural en obras de arquitectos como Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel y Bos, y Siza, comprobando su valor operativo y poniendo de manifiesto su sentido e importancia en la actualidad y en la disciplina. El estudio tiene como trasfondo el concepto de in-between de la obra de Eisenman, y utiliza conceptos de la filosofía del límite de Trías como algunos de sus principales fundamentos. 4. En cada una de las obras de arquitectura presentadas esta modalidad imprecisa se traduce en un ámbito o espacio intermedio figural específico. Son obras en las que real y virtual, matricial y objetual, arquitectura y territorio, existente y nuevo, colectivo e individual, social e íntimo, interior y exterior, y demás usos y funciones se entrelazan o funden. Son arquitecturas cuya geometría ya no se encuentra tan determinada por aspectos bi o tridimensionales del dibujo o de la construcción. A través de la manipulación de estas geometrías más o menos complejas, dinámicas e intersticiales, estas obras reflejan (o intuyen) las premisas del actual Zeitgeist: un cambio de esquemas de objetos a relaciones basado en un pensamiento más holístico, transdisciplinar, sistémico o complejo (E. Morin), y una nueva conciencia colectiva sobre la realidad que anuncia la crisis de la percepción, el cambio de paradigma y nuevos valores (F. Capra). Emerge otra forma de sentir y percibir el mundo, los lugares y los espacios, que poco a poco está cambiando el modo de pensar y dibujar la arquitectura, y consecuentemente de interaccionar con ella. 5. El sentido del espacio intermedio figural, emerge en las cada vez más complejas cualidades morfológico-espaciales y funcionales de una parte importante de la arquitectura actual. Arquitectura, geometría y tecnología informática están más entrelazadas que nunca, y de un modo más libre, para así poder indagar en nuevas formas de pensar y crear lugares en que los “espacios intermedios” que investigamos son un testimonio. El espacio arquitectónico se vuelve afectivo e interactivo, un lugar intermedio figural, formalizado por espacialidades intersticiales que parecen aludir a lo líquido, donde la forma es más matriz que configuración, el espacio más espacialidad que compartimiento, la función más versátil y multivalente que específica o autónoma, y la perplejidad, la imaginación y la evocación se entrecruzan y vuelven patentes. 6. La arquitectura de los lugares intermedios valora no solamente el “plano”, la “configuración” y la “transparencia”, sino sobre todo el “espacio” y la “relación” en sus interrelaciones con los usuarios y demás contextos. De la identidad a la relacionalidad, de la representación a la presentación, es una arquitectura que propone “otros espacios” que más que espacios son topografías y espacialidades intersticiales, de tensión, transición, transformación, relación, intercambio e interacción. Son lugares intermedios reales y virtuales, que se sirven tanto de la morfología como de la topología para conquistar nuevas espacialidades, pretendiendo salir de la estricta operación de “forming”/”morphing”/formación/”conformación” para explorar la de “spacing”/espaciamiento. Son lugares que se basan en conceptos como la zona de indiscernibilidad de Deleuze, la imagen- flujo de Buci-Glucksmann, la suspensión-entre de Sloterdijk, o el espacio no-objetivo al que se refiere José Gil, plasmándose en la arquitectura contemporánea como tropos de lo intersticial. 7. Son los lugares intermedios de la arquitectura actual, de espacialidad háptica, más “afectiva”, generativa e interactiva, donde ese ámbito intermedio transforma y es transformado, “afecta”, “con-mueve” (nos hace mover/accionar) y evoca otros lugares, otras posibilidades de espacio habitable u ocupable. Emerge lo intermedio como lugar, algo que anuncia y exhibe, de manera paradigmática y manifiesta, el monumento de Eisenman en Berlín. ABSTRACT 1. Our research focuses on the study of “in-between spaces or environments” at particular times in contemporary architecture, in a transition period from the end of the 1980’s through to today. We aim to analyse how in-between environments are presented in the architectural object or place and their function or their relationship with the nearby surroundings, from the project through to the experience had. 2. In this research, the in-between concept, understood as an interstitial, border and ambivalent (or multi-purpose) environment or space, is assessed from the viewpoint of etymology, science, thought and art, to conclude in current architecture, with specific exploration of the conception process, of the formal, spatial and functional proposal, together with the perception and other experiences in the architectural place. 3. Firstly, we aim to study and explore the “in-between” concept as regards its features, functions and locations within contemporary culture, revealing its most important cultural background, to then apply it reflexively to important works of architecture. The research focuses on the figural (imprecise) mode of in-between (in allusion to Deleuze’s “figural” approach) whose base metaphors are the translucent, semi-darkness and foam, linked to the current cultural paradigm of complexity (C. Jenks). We then go on to assess the relationships or implications of said figural mode in architectural works by Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel and Bos, and Siza, verifying their operational worth and revealing their meaning and importance today and in this discipline. The backdrop of the study is the in-between concept of Eisenman’s work and it also uses concepts from the philosophy of the limit of Trías as its main underpinnings. 4. In each of the architectural works presented, this imprecise mode is translated into a specific in-between environment or space. They are works in which real and virtual, matricial and objectual, architecture and territory, existing and new, collective and individual, social and intimate, interior and exterior and other uses and functions all intertwine or blend together. They are architectures the geometry of which is not so much determined by bi- or tri-dimensional aspects of the drawing or construction. Through the manipulation of these more or less complex, dynamic and interstitial geometries, these works reflect (or insinuate) the premises of the current Zeitgeist: A change in the scheme of objects to relationships towards a more holistic, transdisciplinary, systemic or complex thought (E. Morin), and a new collective conscience about the reality which announces the crisis of perception, the change in paradigm and new values (F. Capra). Another way of feeling and perceiving the world, places and spaces, which little by little is changing the way of thinking and drawing architecture and hence of interacting with it. 5. The meaning of figural in-between space emerges in the increasingly complex, morphological-spatial and functional qualities of a large part of architecture today. Architecture, geometry and computer technology are more than ever intertwined in a freer way to inquire into other ways of thinking and making places, where the “in-between” spaces we research are a testimony. Architectural space becomes affective and interactive, a figural in-between place, formed by interstitial spatiality which seems to allude to something liquid, where shape is more matrix than configuration, space more spatiality than compartment, its function more versatile and multi-purpose than specific or autonomous, and perplexity, imagination and evocation criss-cross each other, becoming obvious. 6. The architecture of in-between places values not only “flat”, “configuration” and “transparency”, but above all “space” and the “relationship” in its interrelations with users and other contexts. From identity to relationality, from representation to presentation, it is an architecture that proposes “other spaces”, which more than spaces are topographies and interstitial spatialities, of tension, transition, transformation, relation, exchange and interaction. They are real and virtual in-between places, that take in both morphology and topology to conquer new spatialities, aiming to depart from the strict “forming”/”morphing” operation in order to explore “spacing”. They are places that derive both from Deleuze’s indiscernibility zone concept, from Buci-Glucksmann´s image-flow concept, from Sloterdijk’s suspension-between, and from the non-objective space referred to by José Gil, and they are embodied in contemporary architecture as tropes of the interstitial. 7. They are the in-between places in architecture today, of haptic spatiality, more “affective”, generative and interactive, where that in-between environment transforms and is transformed, “affects”, “moves” (it makes us move/act) and evokes other places, other possibilities of habitable or occupiable space. The in-between emerges as a place, which paradigmatically and declaredly, Eisenman´s monument in Berlin announces and exhibits. RESUMO 1. A investigação centra-se no estudo dos “âmbitos ou espaços intermédios” em momentos da arquitectura contemporânea, no período de transição entre os finais dos anos 80 e os nossos dias. Pretende-se analisar como se apresenta o âmbito intermédio no objecto ou lugar arquitectónico e sua função ou relação com o meio envolvente, desde o projecto até à sua repercussão na experiencia vivenciada. 2. O conceito de intermédio entendido como âmbito ou espaço intersticial, fronteiriço e ambivalente (ou multivalente), atravessa na presente investigação o campo da etimologia, da ciência, do pensamento e da arte, para deter-se na arquitectura actual, realizando-se uma indagação concreta no processo de concepção, na proposta formal, espacial e funcional, assim como na percepção e demais experiencias ou vivencias no lugar arquitectónico. 3. Em primeiro lugar, explora-se o conceito de “intermédio” nas suas características, funções e concretizações na cultura contemporânea, detectando os seus antecedentes culturais mais importantes, para em seguida aplicá-lo reflexivamente a obras significativas de arquitectura. A investigação centra-se na modalidade figural (imprecisa) do intermédio (alusão ao figural deleuziano) cujas metáforas base são o translúcido, a penumbra e a espuma, relacionadas com o actual paradigma da complexidade (C. Jencks). Em seguida analisam-se as relações ou implicações da referida modalidade figural em obras de arquitectos como Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel e Bos, e Siza, como modo de comprovar o seu valor operativo e revelar o seu sentido e importância na actualidade e na disciplina. O estudo tem como referencia o conceito de in-between da obra de Eisenman, e utiliza conceitos da filosofia do limite de Trias como alguns dos seus principais fundamentos. 4. Em cada uma das obras de arquitectura apresentadas esta modalidade imprecisa traduz-se num âmbito ou espaço intermédia figural especifico. São obras nas quais real e virtual, matricial e objectual, arquitectura e território, existente e novo, colectivo e individual, social e intimo, interior e exterior, e outros usos e funções se entrelaçam ou fundem. São arquitecturas cuja geometria já não está tão determinada por aspectos bi ou tridimensionais do desenho ou da construção. Através do uso destas geometrias mais ou menos complexas, dinâmicas e intersticiais, estas obras reflectem (ou intuem) as premissas do actual zeitgeist: uma mudança de esquemas de objectos a relações para um pensamento mais holístico, transdisciplinar, sistémico ou complexo (E. Morin) e uma nova consciência colectiva sobre a realidade, que anuncia a crise da percepção, a mudança de paradigma e novos valores (F. Capra). Emerge uma outra forma de sentir e perceber o mundo, os lugares e os espaços, que gradualmente vai alterando o modo de pensar e desenhar a arquitectura, e consequentemente de interagir com ela. 5. O sentido do espaço intermédio figural, emerge nas cada vez mais complexas qualidades morfológico-espaciais e funcionais de uma parte importante da arquitectura actual. Cada vez mais, arquitectura, geometria e tecnologia informática, relacionam-se de um modo mais livre para indagar outras formas de pensar e fazer lugares, onde os espaços intermédios que investigamos são um testemunho. O espaço arquitectónico torna-se afectivo e interactivo, um lugar intermédio figural, formalizado por espacialidades intersticiais que parecem aludir ao estado liquido, onde a forma é mais matriz que configuração, o espaço mais espacialidade que compartimento, a função mais versátil e multivalente que especifica ou autónoma, e a perplexidade, a imaginação e a evocação entrecruzam-se e tornam-se patentes. 6. A arquitectura dos lugares intermédios valoriza não só o “plano”, a “configuração” e a “transparência”, mas sobretudo o” espaço” e a ”relação” nas suas inter-relações com os utentes e restante contextos. Da identidade à relacionalidade, da representação à apresentação, é uma arquitectura que propõe “outros espaços”, que além de espaços são topografias e espacialidades intersticiais, de tensão, transição, transformação, relação, intercambio e interacção. São lugares intermédios reais e virtuais que utilizam tanto a morfologia como a topologia para conquistar novas espacialidades, pretendendo ultrapassar a estrita operação de “forming”/“morphing”/formação para explorar a de “spacing”/espaçamento. São lugares que se apoiam tanto no conceito de zona de indescernibilidade de Deleuze, como na de imagem-fluxo de Buci-Glucksmann como no de suspensão–entre de Sloterdijk ou de espaço-não objectivo que refere José Gil, e se plasmam na arquitectura contemporânea como tropos do intersticial. 7. São os lugares intermédios da arquitectura actual, de espacialidade háptica, mais “afectiva”, generativa e interactiva, onde esse âmbito intermédio transforma e é transformado, “afecta”, ”co-move “(nos faz mover/agir) e evoca outros lugares, outras possibilidades de espaço habitável ou ocupável. Emerge o intermédio como lugar que, paradigmática e manifestamente, o monumento de Eisenmann em Berlim, anuncia e exibe.

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

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