An Agent Architecture to fulfill Real-Time Requirements

In this paper we present AMSIA, an agent architecture that combines the possibility of using di erent reasoning methods with a mechanism to control the resources needed by the agent to ful ll its high level objectives. The architecture is based on the blackboard paradigm which o ers the possibility of combining di erent reasoning techniques and opportunistic behavior. The AMSIA architecture adds a representation of plans of objectives allowing di erent reasoning activities to create plans to guide the future behavior of the agent. The opportunism is in the acquisition of high-level objectives and in the modi cation of the predicted activity when something doesn't happen as expected. A control mechanism is responsible for the translation of plans of objectives to concrete activities, considering resource-boundedness. To do so, all the activity in the agent (including control) is explicitly scheduled, but allowing the necessary exibility to make changes in the face of contingencies that are expected in dynamic environments. Experimental work is also presented.

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.

Analysis of alternative tendering mechanisms for transportation Public-Private Partnerships

This paper describes a theoretical model based primarily on transaction costs, for comparing the various tendering mechanisms used for transportation Public-Private Partnership (PPP) projects. In particular, the model contrasts negotiated procedures with the open procedure, as defined by the current European Union legislation on public tendering. The model includes both ex ante transaction costs (borne during the tendering stage) and ex post transaction costs (such as enforcement costs, re-negotiation costs, and costs arising from litigation between partners), explaining the trade-off between them. Generally speaking, it is assumed that the open procedure implies lower transaction costs ex ante, while the negotiated procedure reduces the probability of the appearance of new contingencies not foreseen in the contract, hence diminishing the expected value of transaction costs ex post. Therefore, the balance between ex ante and ex post transaction costs is the main criterion for deciding whether the open or negotiated procedure would be optimal. Notwithstanding, empirical evidence currently exists only on ex ante transaction costs in transportation infrastructure projects. This evidence has shown a relevant difference between the two procedures as far as ex ante costs are concerned, favouring the open procedure. The model developed in this paper also demonstrates that a larger degree of complexity in a contract does not unequivocally favour the use of a negotiated procedure. Only in those cases dealing with very innovative projects, where important dimensions of the quality of the asset or service are not verifiable, may we observe an advantage in favour of the negotiated procedure. The bottom line is that we find it difficult to justify the employment of negotiated procedures in most transportation PPP contracts, especially in the field of roads. Nevertheless, the field remains open for future empirical work and research on the levels of transaction costs borne ex post in PPP contracts, as well as on the probabilities of such costs appearing under any of the procurement procedures.

Principios Modernos y Organización de Proyectos

La tesis desvela el origen moderno del modo de afrontar el proyecto de arquitectura mediante métodos de ordenación. Estos procedimientos, fieles a la poética que los respalda, establecen unos principios que anteceden y constituyen la base del método y estos son técnicos, funcionales y sociales. Una cartografía de los principios propuestos por los arquitectos y los teóricos de la arquitectura nos aporta el medio de investigación de la tesis, los libros de arquitecto. La intelectualización y conceptualización que conlleva la arquitectura durante el siglo XX, favorecida por la asociación de los arquitectos, los historiadores y los críticos en encuentros y debates, fomentará la aparición de textos en los que el proyecto de arquitectura se contextualice en su entorno. De esta manera se deja de lado la resolución de un proyecto concreto, mediante la elección entre diversas posibilidades contingentes, para establecer que el acto de proyectar constituye un problema abstracto. Esta postura modifica la resolución del proyecto de arquitectura que ahora se acomete como un caso particular a resolver según los principios y métodos propuestos. Los libros de arquitecto se evidencian como el medio privilegiado para exponer los principios y los métodos de organización de estos, posicionándolos en el ambiente cultural y social. Los principios técnica, función y ciudad que fascinan a los arquitectos desde los años veinte, sufren un proceso de puesta en crisis entre el final de la II Guerra Mundial y la crisis del petróleo del año 1973. A partir de los años setenta pierden su vigencia y ya no deslumbran. Quedan relegados a un principio más, que afecta al proyecto de arquitectura, pero no lo determina. Este desplazamiento en vez de debilitarlos hace que se manifiesten en todo su poder creativo. Las herramientas que explicitan estos principios tales como, la seriación, la modulación, el cambio de escala, los métodos de organización jerarquizados o adaptables, las taxonomías, los diagramas y los relatos, pierden su carga de novedad y de certeza, y su poder metafórico alcanzando la contemporaneidad convertidas en una estructura conceptual sobre la que se organizan los proyectos de arquitectura. ABSTRACT This dissertation reveals the modernist origins of approaching architectural design through organizational methods. These procedures, true to the poetics that back them, establish certain principles that precede and constitute the foundations of the method, and they are technical, functional and social. A map of the principles proposed by architects and architecture theorists provides the means of research of this dissertation; architect’s books. The intellectualization and conceptualization regarding architecture during the 20th century, assisted by the association of architects, historians and critics through conferences and debates, encouraged the advent of texts in which the architectural project is contextualized in its surroundings. In this way, the issue of solving a specific design is set aside by choosing between a diverse set of possible contingencies, establishing that the act of designing constitutes an abstract problem. This stance changed the way the architectural project was carried out by becoming a specific case to be worked out according to the principles and methods proposed. Architect’s books become the privileged means to present the principles and organizational methods of architects, positioning them in cultural and social circles. The principles of technology, functionality and urbanity that had fascinated architects since the 1920s, were put into question between the end of World War II and the 1973 oil crisis. After the 1970s these principles were no longer valid and ceased to amaze. But this displacement, instead of debilitating them, made them appear in their full creative force. The tools that assert these principles, such as serial production, modulation, change of scales, hierarchical or adaptable organizational methods, taxonomies, diagrams and narratives, lose their novel and undisputed content as well as their metaphorical power, reaching us, nowadays, turned into a conceptual structure upon which we organize architectural design.

La transformación de la morada: una investigación sobre los invariantes arquitectónicos en la vivienda contemporánea

Le Corbusier denominó la nueva casa como la "machine à habiter / máquina de habitar", adaptándola a la revolución industrial que desde el inicio del siglo XX estaba cambiando el mundo. La casa, entendida como una máquina, sería un objeto útil, fabricado mediante el ensamblaje de piezas industrializadas al igual que un coche, un avión o un barco. Pero más adelante, en el prólogo del libro ‘Precisiones’, titulado ‘Prólogo americano’. Le Corbusier traslada sus ideas después del viaje a las Américas, escritas en el barco de regreso a Europa y en ellas encontramos la prueba más evidente de que algo está cambiando en él. En este nuevo enfoque contribuyen probablemente muchas cosas, tal vez algunas nunca lleguemos a saberlas, pero entre las que con toda probabilidad lo hacen de forma decisiva, están algunos de sus viajes. Norte de África, España o América del Sur. En los suburbios de Buenos Aires o en Río, llenos de casas hechas de plancha ondulada, sin corazón y sin alma, y que, a pesar de todo, tienen uno y otra; Le Corbusier recibe una lección de arquitectura que nunca olvidará y que le llevará a decir: “he visto una vivienda obrera de plancha ondulada, pero muy bien puesta, en la cual un rosal adornaba la puerta. Era todo un poema de los tiempos modernos” O bien “busco con verdadero afán esas casas que son casas de hombres y no casas de arquitectos". Al final de su vida, libre de un compromiso político o de una atadura excesivamente estricta con la construcción; sus propuestas son más orgánicas y no tan estructurales, basta ver la Cabanon que se construye para él y su mujer. En este trabajo; iniciado sobre la base de la conferencia que Martin Heidegger pronuncia el 5 de agosto de 1951 en Darmstadt, “Bauen Wohnen Denken”, apoyándose en el escrito de Santa Teresa de Cepeda (1515-1582), y guiados por sus siete Moradas del “Castillo Interior”, escrito del año 1577; se estudia la transformación de la casa y la invariancia de la morada. La casa posee uno de los mayores poderes de integración para los pensamientos, los recuerdos y los sueños del hombre. La casa en la vida del hombre, suplanta contingencias, multiplica sus consejos de continuidad. Sin ella el hombre sería un ser disperso. Es cuerpo y alma. Es el primer mundo del ser humano... Y siempre, en sus sueños, la casa es una gran cuna, como nos dice Bachelard. Ha habido una evidente evolución del concepto de vivienda, a lo largo del tiempo pero aún así todas las moradas siguen siendo reflejo de sus habitantes. La casa y la morada son dos cosas distintas. Cuando un hombre hace suya una casa, encuentra su morada. ABSTRACT Le Corbusier named the new house as the "machine à habiter / machine for living", adapting it to the industrial revolution that was changing the world from the beginning of the twentieth century. The house, resembled as a machine, was a useful object made by the assembly of industrial pieces like a car, an airplane or a boat. But later, after his trip to the Americas, and reflected at the preface, 'American Prologue', of his book called 'Clarifications', Le Corbusier evolved his ideas into a new way of thinking. Wrote on the boat back to Europe, the lines written in this book are the clear evidence that something has changed in him. We might never get to know all of the variables that influenced his new approach, but we can be certain that the trips to South America, North Africa and Spain played a pivotal role on the evolution of his thinking. In the suburbs of Buenos Aires or Rio, where he was exposed to roughly made houses, without any heart or soul, but nevertheless owned by men, Le Corbusier learnt an unforgettable lesson. Hence, he would retrospect: "I saw a corrugated iron worker house, but very well decorated with a rosebush garnishing the front door. It was a poem of the modern times" or "I deeply look forward for those houses that are people’s homes not architect’s ones". At the end of his life, free of political commitment or an overly strict attachment to the construction, his proposals are more organic and less structural, as represented by the Cabanon built for himself and his wife. In this paper, based on Martin’s Heidegger conference in Darmstadt “Bauen Wohnen Denken” (august 5th of 1951) and supported by Santa Teresa de Cepeda’s (1515-1582) letter and her Seven Mansions of the Interior Castle, transformation and invariance is studied. The house has one of the greatest powers of integration for the thoughts, memories and dreams of men. The house, in the life of an individual, overcome men contingencies and multiplies men advice for continuity. Without it, men would be a dispersed human being. The house is body and soul. It is the first world of the human being ... And always, in his dreams, “the house is a large cradle”, as said by Bachelard. There has been a clear evolution of the concept of housing over time. But after all, the house still remains as a reflection of its inhabitants. When a man makes a house his own, we can conclude, he has found what he can call his “morada”.