Distributes award protocol: A cooperation and communication method for robots.

In this Master’s Thesis a new Distributed Award Protocol (DAP) for robot communication and cooperation is presented. Task assignment (contract awarding) is done dynamically with contracts assigned to robots based upon the best bid received. Instead of having a manager and a contractor it is proposed a fully distributed bidding/awarding mechanism without a distinguished master. The best bidding robots are awarded with contract for execution. The contractors make decisions locally. This brings the following benefits: no communication bottleneck, low computational power requirement, increased robustness. DAP can handle multitasking. Tasks can be injected into system during the execution of already allocated tasks. As tasks have priorities, in the next cycle after taking into account actual bid parameters of all robots, tasks can be re-allocated. The aim is to minimize a global cost function which is a compromise between cost of task execution and cost of resources usage. Information about tasks and bid values is spread among robots with the use of a Round Robin Route, which is a novel solution proposed in this work. This method allows also identifying failed robots. Such failed robot is eliminated from the list of awarded robots and its replacement is found so the task is still executed by a team. If the failure of a robot was temporary (e.g. communication noise) and the robot can recover, it can again participate in the next bidding/awarding process. Using a bidding/awarding mechanism allows robots to dynamically relocate among tasks. This is also contributes to system robustness. DAP was evaluated through multiple experiments done in the multi-robot simulation system. Various scenarios were tested to check the idea of the main algorithm. Different failures of robots (communication failures, partial hardware malfunctions) were simulated and observations were made regarding how DAP recovers from them. Also the DAP flexibility to environment changes was watched. The experiments in the simulated environment confirmed the above features of DAP.

Caracterización de un robot para aplicaciones de mecanizado con requerimientos de tolerancias

El presente Trabajo fin Fin de Máster, versa sobre una caracterización preliminar del comportamiento de un robot de tipo industrial, configurado por 4 eslabones y 4 grados de libertad, y sometido a fuerzas de mecanizado en su extremo. El entorno de trabajo planteado es el de plantas de fabricación de piezas de aleaciones de aluminio para automoción. Este tipo de componentes parte de un primer proceso de fundición que saca la pieza en bruto. Para series medias y altas, en función de las propiedades mecánicas y plásticas requeridas y los costes de producción, la inyección a alta presión (HPDC) y la fundición a baja presión (LPC) son las dos tecnologías más usadas en esta primera fase. Para inyección a alta presión, las aleaciones de aluminio más empleadas son, en designación simbólica según norma EN 1706 (entre paréntesis su designación numérica); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). Para baja presión, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). En los 3 primeros casos, los límites de Silicio permitidos pueden superan el 10%. En el cuarto caso, es inferior al 10% por lo que, a los efectos de ser sometidas a mecanizados, las piezas fabricadas en aleaciones con Si superior al 10%, se puede considerar que son equivalentes, diferenciándolas de la cuarta. Las tolerancias geométricas y dimensionales conseguibles directamente de fundición, recogidas en normas como ISO 8062 o DIN 1688-1, establecen límites para este proceso. Fuera de esos límites, las garantías en conseguir producciones con los objetivos de ppms aceptados en la actualidad por el mercado, obligan a ir a fases posteriores de mecanizado. Aquellas geometrías que, funcionalmente, necesitan disponer de unas tolerancias geométricas y/o dimensionales definidas acorde a ISO 1101, y no capaces por este proceso inicial de moldeado a presión, deben ser procesadas en una fase posterior en células de mecanizado. En este caso, las tolerancias alcanzables para procesos de arranque de viruta se recogen en normas como ISO 2768. Las células de mecanizado se componen, por lo general, de varios centros de control numérico interrelacionados y comunicados entre sí por robots que manipulan las piezas en proceso de uno a otro. Dichos robots, disponen en su extremo de una pinza utillada para poder coger y soltar las piezas en los útiles de mecanizado, las mesas de intercambio para cambiar la pieza de posición o en utillajes de equipos de medición y prueba, o en cintas de entrada o salida. La repetibilidad es alta, de centésimas incluso, definida según norma ISO 9283. El problema es que, estos rangos de repetibilidad sólo se garantizan si no se hacen esfuerzos o éstos son despreciables (caso de mover piezas). Aunque las inercias de mover piezas a altas velocidades hacen que la trayectoria intermedia tenga poca precisión, al inicio y al final (al coger y dejar pieza, p.e.) se hacen a velocidades relativamente bajas que hacen que el efecto de las fuerzas de inercia sean menores y que permiten garantizar la repetibilidad anteriormente indicada. No ocurre así si se quitara la garra y se intercambia con un cabezal motorizado con una herramienta como broca, mandrino, plato de cuchillas, fresas frontales o tangenciales… Las fuerzas ejercidas de mecanizado generarían unos pares en las uniones tan grandes y tan variables que el control del robot no sería capaz de responder (o no está preparado, en un principio) y generaría una desviación en la trayectoria, realizada a baja velocidad, que desencadenaría en un error de posición (ver norma ISO 5458) no asumible para la funcionalidad deseada. Se podría llegar al caso de que la tolerancia alcanzada por un pretendido proceso más exacto diera una dimensión peor que la que daría el proceso de fundición, en principio con mayor variabilidad dimensional en proceso (y por ende con mayor intervalo de tolerancia garantizable). De hecho, en los CNCs, la precisión es muy elevada, (pudiéndose despreciar en la mayoría de los casos) y no es la responsable de, por ejemplo la tolerancia de posición al taladrar un agujero. Factores como, temperatura de la sala y de la pieza, calidad constructiva de los utillajes y rigidez en el amarre, error en el giro de mesas y de colocación de pieza, si lleva agujeros previos o no, si la herramienta está bien equilibrada y el cono es el adecuado para el tipo de mecanizado… influyen más. Es interesante que, un elemento no específico tan común en una planta industrial, en el entorno anteriormente descrito, como es un robot, el cual no sería necesario añadir por disponer de él ya (y por lo tanto la inversión sería muy pequeña), puede mejorar la cadena de valor disminuyendo el costo de fabricación. Y si se pudiera conjugar que ese robot destinado a tareas de manipulación, en los muchos tiempos de espera que va a disfrutar mientras el CNC arranca viruta, pudiese coger un cabezal y apoyar ese mecanizado; sería doblemente interesante. Por lo tanto, se antoja sugestivo poder conocer su comportamiento e intentar explicar qué sería necesario para llevar esto a cabo, motivo de este trabajo. La arquitectura de robot seleccionada es de tipo SCARA. La búsqueda de un robot cómodo de modelar y de analizar cinemática y dinámicamente, sin limitaciones relevantes en la multifuncionalidad de trabajos solicitados, ha llevado a esta elección, frente a otras arquitecturas como por ejemplo los robots antropomórficos de 6 grados de libertad, muy populares a nivel industrial. Este robot dispone de 3 uniones, de las cuales 2 son de tipo par de revolución (1 grado de libertad cada una) y la tercera es de tipo corredera o par cilíndrico (2 grados de libertad). La primera unión, de tipo par de revolución, sirve para unir el suelo (considerado como eslabón número 1) con el eslabón número 2. La segunda unión, también de ese tipo, une el eslabón número 2 con el eslabón número 3. Estos 2 brazos, pueden describir un movimiento horizontal, en el plano X-Y. El tercer eslabón, está unido al eslabón número 4 por la unión de tipo corredera. El movimiento que puede describir es paralelo al eje Z. El robot es de 4 grados de libertad (4 motores). En relación a los posibles trabajos que puede realizar este tipo de robot, su versatilidad abarca tanto operaciones típicas de manipulación como operaciones de arranque de viruta. Uno de los mecanizados más usuales es el taladrado, por lo cual se elige éste para su modelización y análisis. Dentro del taladrado se elegirá para acotar las fuerzas, taladrado en macizo con broca de diámetro 9 mm. El robot se ha considerado por el momento que tenga comportamiento de sólido rígido, por ser el mayor efecto esperado el de los pares en las uniones. Para modelar el robot se utiliza el método de los sistemas multicuerpos. Dentro de este método existen diversos tipos de formulaciones (p.e. Denavit-Hartenberg). D-H genera una cantidad muy grande de ecuaciones e incógnitas. Esas incógnitas son de difícil comprensión y, para cada posición, hay que detenerse a pensar qué significado tienen. Se ha optado por la formulación de coordenadas naturales. Este sistema utiliza puntos y vectores unitarios para definir la posición de los distintos cuerpos, y permite compartir, cuando es posible y se quiere, para definir los pares cinemáticos y reducir al mismo tiempo el número de variables. Las incógnitas son intuitivas, las ecuaciones de restricción muy sencillas y se reduce considerablemente el número de ecuaciones e incógnitas. Sin embargo, las coordenadas naturales “puras” tienen 2 problemas. El primero, que 2 elementos con un ángulo de 0 o 180 grados, dan lugar a puntos singulares que pueden crear problemas en las ecuaciones de restricción y por lo tanto han de evitarse. El segundo, que tampoco inciden directamente sobre la definición o el origen de los movimientos. Por lo tanto, es muy conveniente complementar esta formulación con ángulos y distancias (coordenadas relativas). Esto da lugar a las coordenadas naturales mixtas, que es la formulación final elegida para este TFM. Las coordenadas naturales mixtas no tienen el problema de los puntos singulares. Y la ventaja más importante reside en su utilidad a la hora de aplicar fuerzas motrices, momentos o evaluar errores. Al incidir sobre la incógnita origen (ángulos o distancias) controla los motores de manera directa. El algoritmo, la simulación y la obtención de resultados se ha programado mediante Matlab. Para realizar el modelo en coordenadas naturales mixtas, es preciso modelar en 2 pasos el robot a estudio. El primer modelo se basa en coordenadas naturales. Para su validación, se plantea una trayectoria definida y se analiza cinemáticamente si el robot satisface el movimiento solicitado, manteniendo su integridad como sistema multicuerpo. Se cuantifican los puntos (en este caso inicial y final) que configuran el robot. Al tratarse de sólidos rígidos, cada eslabón queda definido por sus respectivos puntos inicial y final (que son los más interesantes para la cinemática y la dinámica) y por un vector unitario no colineal a esos 2 puntos. Los vectores unitarios se colocan en los lugares en los que se tenga un eje de rotación o cuando se desee obtener información de un ángulo. No son necesarios vectores unitarios para medir distancias. Tampoco tienen por qué coincidir los grados de libertad con el número de vectores unitarios. Las longitudes de cada eslabón quedan definidas como constantes geométricas. Se establecen las restricciones que definen la naturaleza del robot y las relaciones entre los diferentes elementos y su entorno. La trayectoria se genera por una nube de puntos continua, definidos en coordenadas independientes. Cada conjunto de coordenadas independientes define, en un instante concreto, una posición y postura de robot determinada. Para conocerla, es necesario saber qué coordenadas dependientes hay en ese instante, y se obtienen resolviendo por el método de Newton-Rhapson las ecuaciones de restricción en función de las coordenadas independientes. El motivo de hacerlo así es porque las coordenadas dependientes deben satisfacer las restricciones, cosa que no ocurre con las coordenadas independientes. Cuando la validez del modelo se ha probado (primera validación), se pasa al modelo 2. El modelo número 2, incorpora a las coordenadas naturales del modelo número 1, las coordenadas relativas en forma de ángulos en los pares de revolución (3 ángulos; ϕ1, ϕ 2 y ϕ3) y distancias en los pares prismáticos (1 distancia; s). Estas coordenadas relativas pasan a ser las nuevas coordenadas independientes (sustituyendo a las coordenadas independientes cartesianas del modelo primero, que eran coordenadas naturales). Es necesario revisar si el sistema de vectores unitarios del modelo 1 es suficiente o no. Para este caso concreto, se han necesitado añadir 1 vector unitario adicional con objeto de que los ángulos queden perfectamente determinados con las correspondientes ecuaciones de producto escalar y/o vectorial. Las restricciones habrán de ser incrementadas en, al menos, 4 ecuaciones; una por cada nueva incógnita. La validación del modelo número 2, tiene 2 fases. La primera, al igual que se hizo en el modelo número 1, a través del análisis cinemático del comportamiento con una trayectoria definida. Podrían obtenerse del modelo 2 en este análisis, velocidades y aceleraciones, pero no son necesarios. Tan sólo interesan los movimientos o desplazamientos finitos. Comprobada la coherencia de movimientos (segunda validación), se pasa a analizar cinemáticamente el comportamiento con trayectorias interpoladas. El análisis cinemático con trayectorias interpoladas, trabaja con un número mínimo de 3 puntos máster. En este caso se han elegido 3; punto inicial, punto intermedio y punto final. El número de interpolaciones con el que se actúa es de 50 interpolaciones en cada tramo (cada 2 puntos máster hay un tramo), resultando un total de 100 interpolaciones. El método de interpolación utilizado es el de splines cúbicas con condición de aceleración inicial y final constantes, que genera las coordenadas independientes de los puntos interpolados de cada tramo. Las coordenadas dependientes se obtienen resolviendo las ecuaciones de restricción no lineales con el método de Newton-Rhapson. El método de las splines cúbicas es muy continuo, por lo que si se desea modelar una trayectoria en el que haya al menos 2 movimientos claramente diferenciados, es preciso hacerlo en 2 tramos y unirlos posteriormente. Sería el caso en el que alguno de los motores se desee expresamente que esté parado durante el primer movimiento y otro distinto lo esté durante el segundo movimiento (y así sucesivamente). Obtenido el movimiento, se calculan, también mediante fórmulas de diferenciación numérica, las velocidades y aceleraciones independientes. El proceso es análogo al anteriormente explicado, recordando la condición impuesta de que la aceleración en el instante t= 0 y en instante t= final, se ha tomado como 0. Las velocidades y aceleraciones dependientes se calculan resolviendo las correspondientes derivadas de las ecuaciones de restricción. Se comprueba, de nuevo, en una tercera validación del modelo, la coherencia del movimiento interpolado. La dinámica inversa calcula, para un movimiento definido -conocidas la posición, velocidad y la aceleración en cada instante de tiempo-, y conocidas las fuerzas externas que actúan (por ejemplo el peso); qué fuerzas hay que aplicar en los motores (donde hay control) para que se obtenga el citado movimiento. En la dinámica inversa, cada instante del tiempo es independiente de los demás y tiene una posición, una velocidad y una aceleración y unas fuerzas conocidas. En este caso concreto, se desean aplicar, de momento, sólo las fuerzas debidas al peso, aunque se podrían haber incorporado fuerzas de otra naturaleza si se hubiese deseado. Las posiciones, velocidades y aceleraciones, proceden del cálculo cinemático. El efecto inercial de las fuerzas tenidas en cuenta (el peso) es calculado. Como resultado final del análisis dinámico inverso, se obtienen los pares que han de ejercer los cuatro motores para replicar el movimiento prescrito con las fuerzas que estaban actuando. La cuarta validación del modelo consiste en confirmar que el movimiento obtenido por aplicar los pares obtenidos en la dinámica inversa, coinciden con el obtenido en el análisis cinemático (movimiento teórico). Para ello, es necesario acudir a la dinámica directa. La dinámica directa se encarga de calcular el movimiento del robot, resultante de aplicar unos pares en motores y unas fuerzas en el robot. Por lo tanto, el movimiento real resultante, al no haber cambiado ninguna condición de las obtenidas en la dinámica inversa (pares de motor y fuerzas inerciales debidas al peso de los eslabones) ha de ser el mismo al movimiento teórico. Siendo así, se considera que el robot está listo para trabajar. Si se introduce una fuerza exterior de mecanizado no contemplada en la dinámica inversa y se asigna en los motores los mismos pares resultantes de la resolución del problema dinámico inverso, el movimiento real obtenido no es igual al movimiento teórico. El control de lazo cerrado se basa en ir comparando el movimiento real con el deseado e introducir las correcciones necesarias para minimizar o anular las diferencias. Se aplican ganancias en forma de correcciones en posición y/o velocidad para eliminar esas diferencias. Se evalúa el error de posición como la diferencia, en cada punto, entre el movimiento teórico deseado en el análisis cinemático y el movimiento real obtenido para cada fuerza de mecanizado y una ganancia concreta. Finalmente, se mapea el error de posición obtenido para cada fuerza de mecanizado y las diferentes ganancias previstas, graficando la mejor precisión que puede dar el robot para cada operación que se le requiere, y en qué condiciones. -------------- This Master´s Thesis deals with a preliminary characterization of the behaviour for an industrial robot, configured with 4 elements and 4 degrees of freedoms, and subjected to machining forces at its end. Proposed working conditions are those typical from manufacturing plants with aluminium alloys for automotive industry. This type of components comes from a first casting process that produces rough parts. For medium and high volumes, high pressure die casting (HPDC) and low pressure die casting (LPC) are the most used technologies in this first phase. For high pressure die casting processes, most used aluminium alloys are, in simbolic designation according EN 1706 standard (between brackets, its numerical designation); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). For low pressure, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). For the 3 first alloys, Si allowed limits can exceed 10% content. Fourth alloy has admisible limits under 10% Si. That means, from the point of view of machining, that components made of alloys with Si content above 10% can be considered as equivalent, and the fourth one must be studied separately. Geometrical and dimensional tolerances directly achievables from casting, gathered in standards such as ISO 8062 or DIN 1688-1, establish a limit for this process. Out from those limits, guarantees to achieve batches with objetive ppms currently accepted by market, force to go to subsequent machining process. Those geometries that functionally require a geometrical and/or dimensional tolerance defined according ISO 1101, not capable with initial moulding process, must be obtained afterwards in a machining phase with machining cells. In this case, tolerances achievables with cutting processes are gathered in standards such as ISO 2768. In general terms, machining cells contain several CNCs that they are interrelated and connected by robots that handle parts in process among them. Those robots have at their end a gripper in order to take/remove parts in machining fixtures, in interchange tables to modify position of part, in measurement and control tooling devices, or in entrance/exit conveyors. Repeatibility for robot is tight, even few hundredths of mm, defined according ISO 9283. Problem is like this; those repeatibilty ranks are only guaranteed when there are no stresses or they are not significant (f.e. due to only movement of parts). Although inertias due to moving parts at a high speed make that intermediate paths have little accuracy, at the beginning and at the end of trajectories (f.e, when picking part or leaving it) movement is made with very slow speeds that make lower the effect of inertias forces and allow to achieve repeatibility before mentioned. It does not happens the same if gripper is removed and it is exchanged by an spindle with a machining tool such as a drilling tool, a pcd boring tool, a face or a tangential milling cutter… Forces due to machining would create such big and variable torques in joints that control from the robot would not be able to react (or it is not prepared in principle) and would produce a deviation in working trajectory, made at a low speed, that would trigger a position error (see ISO 5458 standard) not assumable for requested function. Then it could be possible that tolerance achieved by a more exact expected process would turn out into a worst dimension than the one that could be achieved with casting process, in principle with a larger dimensional variability in process (and hence with a larger tolerance range reachable). As a matter of fact, accuracy is very tight in CNC, (its influence can be ignored in most cases) and it is not the responsible of, for example position tolerance when drilling a hole. Factors as, room and part temperature, manufacturing quality of machining fixtures, stiffness at clamping system, rotating error in 4th axis and part positioning error, if there are previous holes, if machining tool is properly balanced, if shank is suitable for that machining type… have more influence. It is interesting to know that, a non specific element as common, at a manufacturing plant in the enviroment above described, as a robot (not needed to be added, therefore with an additional minimum investment), can improve value chain decreasing manufacturing costs. And when it would be possible to combine that the robot dedicated to handling works could support CNCs´ works in its many waiting time while CNCs cut, and could take an spindle and help to cut; it would be double interesting. So according to all this, it would be interesting to be able to know its behaviour and try to explain what would be necessary to make this possible, reason of this work. Selected robot architecture is SCARA type. The search for a robot easy to be modeled and kinematically and dinamically analyzed, without significant limits in the multifunctionality of requested operations, has lead to this choice. Due to that, other very popular architectures in the industry, f.e. 6 DOFs anthropomorphic robots, have been discarded. This robot has 3 joints, 2 of them are revolute joints (1 DOF each one) and the third one is a cylindrical joint (2 DOFs). The first joint, a revolute one, is used to join floor (body 1) with body 2. The second one, a revolute joint too, joins body 2 with body 3. These 2 bodies can move horizontally in X-Y plane. Body 3 is linked to body 4 with a cylindrical joint. Movement that can be made is paralell to Z axis. The robt has 4 degrees of freedom (4 motors). Regarding potential works that this type of robot can make, its versatility covers either typical handling operations or cutting operations. One of the most common machinings is to drill. That is the reason why it has been chosen for the model and analysis. Within drilling, in order to enclose spectrum force, a typical solid drilling with 9 mm diameter. The robot is considered, at the moment, to have a behaviour as rigid body, as biggest expected influence is the one due to torques at joints. In order to modelize robot, it is used multibodies system method. There are under this heading different sorts of formulations (f.e. Denavit-Hartenberg). D-H creates a great amount of equations and unknown quantities. Those unknown quatities are of a difficult understanding and, for each position, one must stop to think about which meaning they have. The choice made is therefore one of formulation in natural coordinates. This system uses points and unit vectors to define position of each different elements, and allow to share, when it is possible and wished, to define kinematic torques and reduce number of variables at the same time. Unknown quantities are intuitive, constrain equations are easy and number of equations and variables are strongly reduced. However, “pure” natural coordinates suffer 2 problems. The first one is that 2 elements with an angle of 0° or 180°, give rise to singular positions that can create problems in constrain equations and therefore they must be avoided. The second problem is that they do not work directly over the definition or the origin of movements. Given that, it is highly recommended to complement this formulation with angles and distances (relative coordinates). This leads to mixed natural coordinates, and they are the final formulation chosen for this MTh. Mixed natural coordinates have not the problem of singular positions. And the most important advantage lies in their usefulness when applying driving forces, torques or evaluating errors. As they influence directly over origin variable (angles or distances), they control motors directly. The algorithm, simulation and obtaining of results has been programmed with Matlab. To design the model in mixed natural coordinates, it is necessary to model the robot to be studied in 2 steps. The first model is based in natural coordinates. To validate it, it is raised a defined trajectory and it is kinematically analyzed if robot fulfils requested movement, keeping its integrity as multibody system. The points (in this case starting and ending points) that configure the robot are quantified. As the elements are considered as rigid bodies, each of them is defined by its respectively starting and ending point (those points are the most interesting ones from the point of view of kinematics and dynamics) and by a non-colinear unit vector to those points. Unit vectors are placed where there is a rotating axis or when it is needed information of an angle. Unit vectors are not needed to measure distances. Neither DOFs must coincide with the number of unit vectors. Lengths of each arm are defined as geometrical constants. The constrains that define the nature of the robot and relationships among different elements and its enviroment are set. Path is generated by a cloud of continuous points, defined in independent coordinates. Each group of independent coordinates define, in an specific instant, a defined position and posture for the robot. In order to know it, it is needed to know which dependent coordinates there are in that instant, and they are obtained solving the constraint equations with Newton-Rhapson method according to independent coordinates. The reason to make it like this is because dependent coordinates must meet constraints, and this is not the case with independent coordinates. When suitability of model is checked (first approval), it is given next step to model 2. Model 2 adds to natural coordinates from model 1, the relative coordinates in the shape of angles in revoluting torques (3 angles; ϕ1, ϕ 2 and ϕ3) and distances in prismatic torques (1 distance; s). These relative coordinates become the new independent coordinates (replacing to cartesian independent coordinates from model 1, that they were natural coordinates). It is needed to review if unit vector system from model 1 is enough or not . For this specific case, it was necessary to add 1 additional unit vector to define perfectly angles with their related equations of dot and/or cross product. Constrains must be increased in, at least, 4 equations; one per each new variable. The approval of model 2 has two phases. The first one, same as made with model 1, through kinematic analysis of behaviour with a defined path. During this analysis, it could be obtained from model 2, velocities and accelerations, but they are not needed. They are only interesting movements and finite displacements. Once that the consistence of movements has been checked (second approval), it comes when the behaviour with interpolated trajectories must be kinematically analyzed. Kinematic analysis with interpolated trajectories work with a minimum number of 3 master points. In this case, 3 points have been chosen; starting point, middle point and ending point. The number of interpolations has been of 50 ones in each strecht (each 2 master points there is an strecht), turning into a total of 100 interpolations. The interpolation method used is the cubic splines one with condition of constant acceleration both at the starting and at the ending point. This method creates the independent coordinates of interpolated points of each strecht. The dependent coordinates are achieved solving the non-linear constrain equations with Newton-Rhapson method. The method of cubic splines is very continuous, therefore when it is needed to design a trajectory in which there are at least 2 movements clearly differents, it is required to make it in 2 steps and join them later. That would be the case when any of the motors would keep stopped during the first movement, and another different motor would remain stopped during the second movement (and so on). Once that movement is obtained, they are calculated, also with numerical differenciation formulas, the independent velocities and accelerations. This process is analogous to the one before explained, reminding condition that acceleration when t=0 and t=end are 0. Dependent velocities and accelerations are calculated solving related derivatives of constrain equations. In a third approval of the model it is checked, again, consistence of interpolated movement. Inverse dynamics calculates, for a defined movement –knowing position, velocity and acceleration in each instant of time-, and knowing external forces that act (f.e. weights); which forces must be applied in motors (where there is control) in order to obtain requested movement. In inverse dynamics, each instant of time is independent of the others and it has a position, a velocity, an acceleration and known forces. In this specific case, it is intended to apply, at the moment, only forces due to the weight, though forces of another nature could have been added if it would have been preferred. The positions, velocities and accelerations, come from kinematic calculation. The inertial effect of forces taken into account (weight) is calculated. As final result of the inverse dynamic analysis, the are obtained torques that the 4 motors must apply to repeat requested movement with the forces that were acting. The fourth approval of the model consists on confirming that the achieved movement due to the use of the torques obtained in the inverse dynamics, are in accordance with movements from kinematic analysis (theoretical movement). For this, it is necessary to work with direct dynamics. Direct dynamic is in charge of calculating the movements of robot that results from applying torques at motors and forces at the robot. Therefore, the resultant real movement, as there was no change in any condition of the ones obtained at the inverse dynamics (motor torques and inertial forces due to weight of elements) must be the same than theoretical movement. When these results are achieved, it is considered that robot is ready to work. When a machining external force is introduced and it was not taken into account before during the inverse dynamics, and torques at motors considered are the ones of the inverse dynamics, the real movement obtained is not the same than the theoretical movement. Closed loop control is based on comparing real movement with expected movement and introducing required corrrections to minimize or cancel differences. They are applied gains in the way of corrections for position and/or tolerance to remove those differences. Position error is evaluated as the difference, in each point, between theoretical movemment (calculated in the kinematic analysis) and the real movement achieved for each machining force and for an specific gain. Finally, the position error obtained for each machining force and gains are mapped, giving a chart with the best accuracy that the robot can give for each operation that has been requested and which conditions must be provided.

Induced Damping on Vibrating Circular Plates Submerged in still Fluid

When a structure vibrates immersed in a fluid it is known that the dynamic properties of the system are modified. The surrounding fluid will, in general, contribute to the inertia, the rigidity and the damping coefficient of the coupled fluid-structure system. For light structures, like spacecraft antennas, even when the fluid is air the contribution to the dynamic properties can be important. For not so light structures the ratio of the equivalent fluid/structure mass and rigidity can be very small and the fluid contribution could be neglected. For the ratio of equivalent fluid/structure damping both terms are of the same order and therefore the fluid contribution must be studied. The working life of the spacecraft structure would be on space and so without any surrounding fluid. The response of a spacecraft structure on its operational life would be attenuated by the structural damping alone but when the structure is dynamically tested on the earth the dynamic modal test is performed with the fluid surrounding it. The results thus are contaminated by the effects of the fluid. If the damping added by the fluid is of the same order as the structural damping the response of the structure in space can be quite different to the response predicted on earth. It is therefore desirable to have a method able to determine the amount of damping induced by the fluid and that should be subtracted of the total damping measured on the modal vibration test. In this work, a method for the determination of the effect of the surrounding fluid on the dynamic characteristics of a circular plate has been developed. The plate is assumed to vibrate harmonically with the vacuum modes and the generalized forces matrix due to the fluid is thus computed. For a compressible fluid this matrix is formed by complex numbers including terms of inertia, rigidity and damping. The matrix due to the fluid loading is determined by a boundary element method (BEM). The BEM used is of circular rings on the plate surface so the number of elements to obtain an accurate result is very low. The natural frequencies of the system are computed by an iteration procedure one by one and also the damping fluid contribution. Comparisons of the present method with various experimental data and other theories show the efficiency and accuracy of the method for any support condition of the plate.

Medidas de propiedades dieléctricas de materiales de construcción mediante elipsometría

A set of measurements of electromagnetic properties of building materials is presented in this work. The method is based on the measurement of the polarization state of the reflected signal from the material under study at a fixed angle of incidence. From the measured data, by using the Fresnel equations, it has been obtained the dielectric constant. Measurements were done by using two horn antennas at the frequency of 9 GHz. The obtained results are compared with the free space reflexion and transmission Fresnel method and other reflection methods based on a conductor waveguide. The method explained in this work can be used for other type of materials and its main advantage is the non-destructive character and the ease implementation.

Arquitecto, obra y método. Análisis comparado de diferentes estrategias metodológicas singulares de la creación arquitectónica contemporánea

La tesis se acerca a la cuestión del método en arquitectura focalizando su análisis principalmente en 5 obras concretas del panorama contemporáneo, tratando de desvelar las motivaciones últimas que las constituyen. El objeto y la obra arquitectónica se consideran así los elementos susceptibles de ofrecer el conocimiento material que permite desentrañar el modo y la metodología por el que éstos han sido concebidos. Con esta particular aproximación se desafían los tradicionales estudios que han comprendido al método como una sistemática universal o reglada, ya que en este caso el propósito consiste más bien en esclarecer los fundamentos y principios que subyacen a cada objeto arquitectónico más específico. Este hecho ha llevado al índice de la tesis a ordenarse según una lista de arquitectos y obras que no presentan otra particularidad que la de ser recientes y muy diferentes entre sí. Esta aparente arbitrariedad con la que las obras se eligen cobra sentido a lo largo del propio análisis y recorrido, ya que éste apuesta por recabar el suficiente contenido que diversifique y singularice cada elección, de tal modo que ya en sí, ésta obtenga rango paradigmático. El hecho de que la tesis evite los planteamientos totalitarios no quiere decir que trate de promover el relativismo de las diferentes opciones, dado que más bien pretende analizar hasta el fondo las cuestiones últimas y lo más valioso que cada opción representa. Por su parte, la conclusión de la tesis muestra una complementariedad al carácter específico de los capítulos previos, ya que ésta se atreve a avanzar con cierta voluntad conclusiva hacia la definición de los principios más sustanciales del método en arquitectura hoy. Y precisamente, una de las claves esenciales que ha mostrado la arquitectura del hoy que nos toca vivir consiste en la condición más específica de la obra arquitectónica misma por encima de cualquier connotación genérica o transcendente que ésta pueda sugerir. De tal modo que los arquitectos elegidos, por muy diferentes que aparentan ser, han tomado como punto de partida la condición objetual de la obra más allá de cualquier contenido ideal que a ésta pueda adscribírsele. En todos los casos, si bien de diferente manera, la obra arquitectónica en sí misma se ha constituido en una nueva clave en la que tratan de dirimirse las eternas dialécticas entre el objeto y su significado, entre la estructura conceptual y su connotación simbólica. De este modo, las dialécticas relativas a la unidad de la diversidad, la identidad de la multiplicidad, la síntesis que pretende la integración de lo complejo, o en su caso, la indispensable sostenibilidad de lo inconsistente, se han convertido en la temática principal de este análisis que ha comprendido al método a partir la misma paradoja por la que la arquitectura actual se ve afectada. La misma dialéctica imposible de resolver que ha conducido a la arquitectura más reciente a decantarse a favor de la consustancialidad intrínseca a la misma obra. La tesis por su parte también se ha focalizado en la obra y en el hecho arquitectónico puntual, siguiendo la tendencia de la misma arquitectura que se analizaba. Sin embargo, sus extensos análisis nos han llevado a desentrañar el sentido y la posición estratégica personal que se encuentra más allá de la exacerbación inmanente de la arquitectura de estos últimos años. Es decir, tal y como se ha insistido, el análisis de la obra nos ha llevado, a través de la pregunta por su método, al arquitecto que la ha proyectado. Y así se ha creado este triángulo trinitario, ‘Arquitecto, obra y método’, tratando de preguntarse hasta el final por la singularidad más específica del método de cada arquitecto, en el convencimiento de que método y obra se vinculan precisamente ahí, en las experiencias personales singulares que han posibilitado las mayores creaciones y más sustantivas novedades. ABSTRACT This thesis approaches the question of Method in architecture by focusing its analysis on 5 specific contemporary projects, trying to unveil their underlying constitutive motivations. Thus, architectonical object and work are considered the susceptible elements that provide the material knowledge that unravels the manner and the methodology by which they were conceived. With this particular approach, this thesis challenges other traditional studies, those that regard the Method in architecture as a regulated or universal systematic procedure. On the contrary, the purpose of this thesis is to clarify the foundations and principles that underlie each specific architectonical object. This has led to the ordering of the thesis index according to a list of architects and projects that do not present any other distinctiveness except that they are recent and very different to each other. However, this apparent arbitrariness of the choice of each architect becomes meaningful during its analytical development. This analysis attempts to seek out the content which diversifies each choice enough, and makes it singular enough, so that each selected candidate acquires paradigmatic range by itself. Therefore, the fact that the thesis avoids totalitarian approaches does not lead it to promote the relativism of different choices, but rather the thesis tries to thoroughly analyze the most valuable achievements of each option. Nonetheless, the conclusion of the thesis shows a position that complements the specific character of the previous chapters, since it dares to move forward conclusively towards the definition of the essential principles of the Method in architecture today. Indeed, the thesis shows one of the basic keys of today’s architecture, which is the specific condition of the architectural work itself above any generic or transcendental connotation. Thus, the selected architects, however different they appear to be, take the objectual condition of the work (thingness) as their starting point beyond any ideal content that might be ascribed to their architecture. Although differently, in each case the architectonical work itself has become the new indispensable key to deal with the eternal dialectics between the object and its meaning, between conceptual structure and its symbolic connotation. Thus, the dialectics between unity and diversity, the identity of multiplicity, the synthesis that aims at the integration of complexity, or even, the indispensable consistency of the unavoidable inconsistency, have all become the main themes of this analysis, an analysis that understands the issue of Method from the same paradoxical situation of today’s architecture. This is the same paradox which has led the latest architecture to align itself with the intrinsic consubstantiality of the architectonical work itself. Therefore, the thesis is also focused on the Work, on the specific architectonical fact, following the course of the same architecture that it analyses. However, extensive analyses of the thesis have led us to clarify the sense and personal strategic position that is beyond the immanent exacerbation of architecture in recent years. Therefore, as stressed throughout the text, the analysis, that has explored the Method of architectonical Work, has led us to the architect who conceived it. Thus, this trinitarian triangle, ‘Architect, Work and Method’, has been created, attempting to explore in depth the specific uniqueness of each architect’s method, convinced that Method and Work do actually connect in the singular experiences that have achieved the greatest and most substantial creations.

Iteración creativa. El uso de la maqueta como herramienta de proyecto en OMA

El texto aborda el uso de la maqueta como herramienta en los procesos proyectuales de OMA. Lejos de entender el proyecto como una gran elucubración individual, mística, puntual y fugaz, se plantea su visión desde los procesos diarios y rutinarios del trabajo colectivo. El texto ofrece una aproximación crítica a los sistemas de trabajo de una de las oficinas más destacadas de la arquitectura contemporanea, la reconocida OMA, de Rem Koolhaas. Además de analizar su sistema de trabajo pone el enfasis principal en el estudio del uso de la maqueta como elemento vertebrador de su práctica arquitectónica y como elemento constituyente de un lenguaje que permite que OMA cree una arquitectura libre de ataduras formales y unicamente comprometida con el valor de las ideas. ABSTRACT. The text raises the use of the model as a tool in the OMA project processes. Far from understanding the project as a great personal lucubration, mystical, punctual and fleeting, a vision arises from the daily and routine processes of collective work. The text offers a critical approach to the work systems of one of the most important offices of contemporary architecture, the renowned OMA, directed by Rem Koolhaas. In addition to discussing their work system, the text puts the main emphasis on the study of the use of the model as the structuring element of his architectural practice and as a constitutive element of a language that allows OMA to create a formal untrammeled architecture and only committed to the value of ideas.

Arquitecto, obra y método. Análisis comparado de diferentes estrategias metodológicas singulares de la creación arquitectónica contemporánea

La tesis se acerca a la cuestión del método en arquitectura focalizando su análisis principalmente en 5 obras concretas del panorama contemporáneo, tratando de desvelar las motivaciones últimas que las constituyen. El objeto y la obra arquitectónica se consideran así los elementos susceptibles de ofrecer el conocimiento material que permite desentrañar el modo y la metodología por el que éstos han sido concebidos. Con esta particular aproximación se desafían los tradicionales estudios que han comprendido al método como una sistemática universal o reglada, ya que en este caso el propósito consiste más bien en esclarecer los fundamentos y principios que subyacen a cada objeto arquitectónico más específico. Este hecho ha llevado al índice de la tesis a ordenarse según una lista de arquitectos y obras que no presentan otra particularidad que la de ser recientes y muy diferentes entre sí. Esta aparente arbitrariedad con la que las obras se eligen cobra sentido a lo largo del propio análisis y recorrido, ya que éste apuesta por recabar el suficiente contenido que diversifique y singularice cada elección, de tal modo que ya en sí, ésta obtenga rango paradigmático. El hecho de que la tesis evite los planteamientos totalitarios no quiere decir que trate de promover el relativismo de las diferentes opciones, dado que más bien pretende analizar hasta el fondo las cuestiones últimas y lo más valioso que cada opción representa. Por su parte, la conclusión de la tesis muestra una complementariedad al carácter específico de los capítulos previos, ya que ésta se atreve a avanzar con cierta voluntad conclusiva hacia la definición de los principios más sustanciales del método en arquitectura hoy. Y precisamente, una de las claves esenciales que ha mostrado la arquitectura del hoy que nos toca vivir consiste en la condición más específica de la obra arquitectónica misma por encima de cualquier connotación genérica o transcendente que ésta pueda sugerir. De tal modo que los arquitectos elegidos, por muy diferentes que aparentan ser, han tomado como punto de partida la condición objetual de la obra más allá de cualquier contenido ideal que a ésta pueda adscribírsele. En todos los casos, si bien de diferente manera, la obra arquitectónica en sí misma se ha constituido en una nueva clave en la que tratan de dirimirse las eternas dialécticas entre el objeto y su significado, entre la estructura conceptual y su connotación simbólica. De este modo, las dialécticas relativas a la unidad de la diversidad, la identidad de la multiplicidad, la síntesis que pretende la integración de lo complejo, o en su caso, la indispensable sostenibilidad de lo inconsistente, se han convertido en la temática principal de este análisis que ha comprendido al método a partir la misma paradoja por la que la arquitectura actual se ve afectada. La misma dialéctica imposible de resolver que ha conducido a la arquitectura más reciente a decantarse a favor de la consustancialidad intrínseca a la misma obra. La tesis por su parte también se ha focalizado en la obra y en el hecho arquitectónico puntual, siguiendo la tendencia de la misma arquitectura que se analizaba. Sin embargo, sus extensos análisis nos han llevado a desentrañar el sentido y la posición estratégica personal que se encuentra más allá de la exacerbación inmanente de la arquitectura de estos últimos años. Es decir, tal y como se ha insistido, el análisis de la obra nos ha llevado, a través de la pregunta por su método, al arquitecto que la ha proyectado. Y así se ha creado este triángulo trinitario, ‘Arquitecto, obra y método’, tratando de preguntarse hasta el final por la singularidad más específica del método de cada arquitecto, en el convencimiento de que método y obra se vinculan precisamente ahí, en las experiencias personales singulares que han posibilitado las mayores creaciones y más sustantivas novedades. ABSTRACT This thesis approaches the question of Method in architecture by focusing its analysis on 5 specific contemporary projects, trying to unveil their underlying constitutive motivations. Thus, architectonical object and work are considered the susceptible elements that provide the material knowledge that unravels the manner and the methodology by which they were conceived. With this particular approach, this thesis challenges other traditional studies, those that regard the Method in architecture as a regulated or universal systematic procedure. On the contrary, the purpose of this thesis is to clarify the foundations and principles that underlie each specific architectonical object. This has led to the ordering of the thesis index according to a list of architects and projects that do not present any other distinctiveness except that they are recent and very different to each other. However, this apparent arbitrariness of the choice of each architect becomes meaningful during its analytical development. This analysis attempts to seek out the content which diversifies each choice enough, and makes it singular enough, so that each selected candidate acquires paradigmatic range by itself. Therefore, the fact that the thesis avoids totalitarian approaches does not lead it to promote the relativism of different choices, but rather the thesis tries to thoroughly analyze the most valuable achievements of each option. Nonetheless, the conclusion of the thesis shows a position that complements the specific character of the previous chapters, since it dares to move forward conclusively towards the definition of the essential principles of the Method in architecture today. Indeed, the thesis shows one of the basic keys of today’s architecture, which is the specific condition of the architectural work itself above any generic or transcendental connotation. Thus, the selected architects, however different they appear to be, take the objectual condition of the work (thingness) as their starting point beyond any ideal content that might be ascribed to their architecture. Although differently, in each case the architectonical work itself has become the new indispensable key to deal with the eternal dialectics between the object and its meaning, between conceptual structure and its symbolic connotation. Thus, the dialectics between unity and diversity, the identity of multiplicity, the synthesis that aims at the integration of complexity, or even, the indispensable consistency of the unavoidable inconsistency, have all become the main themes of this analysis, an analysis that understands the issue of Method from the same paradoxical situation of today’s architecture. This is the same paradox which has led the latest architecture to align itself with the intrinsic consubstantiality of the architectonical work itself. Therefore, the thesis is also focused on the Work, on the specific architectonical fact, following the course of the same architecture that it analyses. However, extensive analyses of the thesis have led us to clarify the sense and personal strategic position that is beyond the immanent exacerbation of architecture in recent years. Therefore, as stressed throughout the text, the analysis, that has explored the Method of architectonical Work, has led us to the architect who conceived it. Thus, this trinitarian triangle, ‘Architect, Work and Method’, has been created, attempting to explore in depth the specific uniqueness of each architect’s method, convinced that Method and Work do actually connect in the singular experiences that have achieved the greatest and most substantial creations.

The flexibility matrix o timber composite beams with a discrete connection system

This work presents a method for the analysis of timber composite beams which considers the slip in the connection system, based on assembling the flexibility matrix of the whole structure. This method is based on one proposed by Tommola and Jutila (2001). This paper extends the method to the case of a gap between two pieces with an arbitrary location at the first connector, which notably broadens its practical application. The addition of the gap makes it possible to model a cracked zone in concrete topping, as well as the case in which forming produces the gap. The consideration of induced stresses due to changes in temperature and moisture content is also described, while the concept of equivalent eccentricity is generalized. This method has important advantages in connection with the current European Standard EN 1995-1-1: 2004, as it is able to deal with any type of load, variable section, discrete and non-regular connection systems, a gap between the two pieces, and variations in temperature and moisture content. Although it could be applied to any structural system, it is specially suited for the case of simple supported and continuous beams. Working examples are presented at the end, showing that the arrangement of the connection notably modifies shear force distribution. A first interpretation of the results is made on the basis of the strut and tie theory. The examples prove that the use of EC-5 is unsafe when, as a rule of thumb, the strut or compression field between the support and the first connector is at an angle with the axis of the beam of less than 60º.

Ultra-compact SWIR telephoto lens design with SMS method

In this work, we propose two new optical structures, using the Simultaneous Multiple Surfaces (SMS) method, comprised of 2 reflecting surfaces and 2 refracting surfaces, 800mm focal length, f/8 (aperture diameter 100 mm) and 1.18 0 diagonal field of view in the SWIR band. The lens surfaces are rotational symmetric and calculated to have good control of non-paraxial rays. We have achieved designs with excellent performance, and with total system length of less than 60 mm.

Image Segmentation Using Ant System-based Clustering Algorithm

Industrial applications of computer vision sometimes require detection of atypical objects that occur as small groups of pixels in digital images. These objects are difficult to single out because they are small and randomly distributed. In this work we propose an image segmentation method using the novel Ant System-based Clustering Algorithm (ASCA). ASCA models the foraging behaviour of ants, which move through the data space searching for high data-density regions, and leave pheromone trails on their path. The pheromone map is used to identify the exact number of clusters, and assign the pixels to these clusters using the pheromone gradient. We applied ASCA to detection of microcalcifications in digital mammograms and compared its performance with state-of-the-art clustering algorithms such as 1D Self-Organizing Map, k-Means, Fuzzy c-Means and Possibilistic Fuzzy c-Means. The main advantage of ASCA is that the number of clusters needs not to be known a priori. The experimental results show that ASCA is more efficient than the other algorithms in detecting small clusters of atypical data.

Student Reciprocal Peer Teaching as a Method for Active Learning: An Experience in an Electrotechnical Laboratory

Active learning is one of the most efficient mechanisms for learning, according to the psychology of learning. When students act as teachers for other students, the communication is more fluent and knowledge is transferred easier than in a traditional classroom. This teaching method is referred to in the literature as reciprocal peer teaching. In this study, the method is applied to laboratory sessions of a higher education institution course, and the students who act as teachers are referred to as ‘‘laboratory monitors.’’ A particular way to select the monitors and its impact in the final marks is proposed. A total of 181 students participated in the experiment, experiences with laboratory monitors are discussed, and methods for motivating and training laboratory monitors and regular students are proposed. The types of laboratory sessions that can be led by classmates are discussed. This work is related to the changes in teaching methods in the Spanish higher education system, prompted by the Bologna Process for the construction of the European Higher Education Area

A Method for Developing Ontologies from User-Generated Classication Systems

Abstract Web 2.0 applications enabled users to classify information resources using their own vocabularies. The bottom-up nature of these user-generated classification systems have turned them into interesting knowledge sources, since they provide a rich terminology generated by potentially large user communities. Previous research has shown that it is possible to elicit some emergent semantics from the aggregation of individual classifications in these systems. However the generation of ontologies from them is still an open research problem. In this thesis we address the problem of how to tap into user-generated classification systems for building domain ontologies. Our objective is to design a method to develop domain ontologies from user-generated classifications systems. To do so, we rely on ontologies in the Web of Data to formalize the semantics of the knowledge collected from the classification system. Current ontology development methodologies have recognized the importance of reusing knowledge from existing resources. Thus, our work is framed within the NeOn methodology scenario for building ontologies by reusing and reengineering non-ontological resources. The main contributions of this work are: An integrated method to develop ontologies from user-generated classification systems. With this method we extract a domain terminology from the classification system and then we formalize the semantics of this terminology by reusing ontologies in the Web of Data. Identification and adaptation of existing techniques for implementing the activities in the method so that they can fulfill the requirements of each activity. A novel study about emerging semantics in user-generated lists. Resumen La web 2.0 permitió a los usuarios clasificar recursos de información usando su propio vocabulario. Estos sistemas de clasificación generados por usuarios son recursos interesantes para la extracción de conocimiento debido principalmente a que proveen una extensa terminología generada por grandes comunidades de usuarios. Se ha demostrado en investigaciones previas que es posible obtener una semántica emergente de estos sistemas. Sin embargo la generación de ontologías a partir de ellos es todavía un problema de investigación abierto. Esta tesis trata el problema de cómo aprovechar los sistemas de clasificación generados por usuarios en la construcción de ontologías de dominio. Así el objetivo de la tesis es diseñar un método para desarrollar ontologías de dominio a partir de sistemas de clasificación generados por usuarios. El método propuesto reutiliza conceptualizaciones existentes en ontologías publicadas en la Web de Datos para formalizar la semántica del conocimiento que se extrae del sistema de clasificación. Por tanto, este trabajo está enmarcado dentro del escenario para desarrollar ontologías mediante la reutilización y reingeniería de recursos no ontológicos que se ha definido en la Metodología NeOn. Las principales contribuciones de este trabajo son: Un método integrado para desarrollar una ontología de dominio a partir de sistemas de clasificación generados por usuarios. En este método se extrae una terminología de dominio del sistema de clasificación y posteriormente se formaliza su semántica reutilizando ontologías en la Web de Datos. La identificación y adaptación de un conjunto de técnicas para implementar las actividades propuestas en el método de tal manera que puedan cumplir automáticamente los requerimientos de cada actividad. Un novedoso estudio acerca de la semántica emergente en las listas generadas por usuarios en la Web.

Advances in the Simultaneous Multiple Surface optical design method for imaging and non-imaging applications

Classical imaging optics has been developed over centuries in many areas, such as its paraxial imaging theory and practical design methods like multi-parametric optimization techniques. Although these imaging optical design methods can provide elegant solutions to many traditional optical problems, there are more and more new design problems, like solar concentrator, illumination system, ultra-compact camera, etc., that require maximum energy transfer efficiency, or ultra-compact optical structure. These problems do not have simple solutions from classical imaging design methods, because not only paraxial rays, but also non-paraxial rays should be well considered in the design process. Non-imaging optics is a newly developed optical discipline, which does not aim to form images, but to maximize energy transfer efficiency. One important concept developed from non-imaging optics is the “edge-ray principle”, which states that the energy flow contained in a bundle of rays will be transferred to the target, if all its edge rays are transferred to the target. Based on that concept, many CPC solar concentrators have been developed with efficiency close to the thermodynamic limit. When more than one bundle of edge-rays needs to be considered in the design, one way to obtain solutions is to use SMS method. SMS stands for Simultaneous Multiple Surface, which means several optical surfaces are constructed simultaneously. The SMS method was developed as a design method in Non-imaging optics during the 90s. The method can be considered as an extension to the Cartesian Oval calculation. In the traditional Cartesian Oval calculation, one optical surface is built to transform an input wave-front to an out-put wave-front. The SMS method however, is dedicated to solve more than 1 wave-fronts transformation problem. In the beginning, only 2 input wave-fronts and 2 output wave-fronts transformation problem was considered in the SMS design process for rotational optical systems or free-form optical systems. Usually “SMS 2D” method stands for the SMS procedure developed for rotational optical system, and “SMS 3D” method for the procedure for free-form optical system. Although the SMS method was originally employed in non-imaging optical system designs, it has been found during this thesis that with the improved capability to design more surfaces and control more input and output wave-fronts, the SMS method can also be applied to imaging system designs and possesses great advantage over traditional design methods. In this thesis, one of the main goals to achieve is to further develop the existing SMS-2D method to design with more surfaces and improve the stability of the SMS-2D and SMS-3D algorithms, so that further optimization process can be combined with SMS algorithms. The benefits of SMS plus optimization strategy over traditional optimization strategy will be explained in details for both rotational and free-form imaging optical system designs. Another main goal is to develop novel design concepts and methods suitable for challenging non-imaging applications, e.g. solar concentrator and solar tracker. This thesis comprises 9 chapters and can be grouped into two parts: the first part (chapter 2-5) contains research works in the imaging field, and the second part (chapter 6-8) contains works in the non-imaging field. In the first chapter, an introduction to basic imaging and non-imaging design concepts and theories is given. Chapter 2 presents a basic SMS-2D imaging design procedure using meridian rays. In this chapter, we will set the imaging design problem from the SMS point of view, and try to solve the problem numerically. The stability of this SMS-2D design procedure will also be discussed. The design concepts and procedures developed in this chapter lay the path for further improvement. Chapter 3 presents two improved SMS 3 surfaces’ design procedures using meridian rays (SMS-3M) and skew rays (SMS-1M2S) respectively. The major improvement has been made to the central segments selections, so that the whole SMS procedures become more stable compared to procedures described in Chapter 2. Since these two algorithms represent two types of phase space sampling, their image forming capabilities are compared in a simple objective design. Chapter 4 deals with an ultra-compact SWIR camera design with the SMS-3M method. The difficulties in this wide band camera design is how to maintain high image quality meanwhile reduce the overall system length. This interesting camera design provides a playground for the classical design method and SMS design methods. We will show designs and optical performance from both classical design method and the SMS design method. Tolerance study is also given as the end of the chapter. Chapter 5 develops a two-stage SMS-3D based optimization strategy for a 2 freeform mirrors imaging system. In the first optimization phase, the SMS-3D method is integrated into the optimization process to construct the two mirrors in an accurate way, drastically reducing the unknown parameters to only few system configuration parameters. In the second optimization phase, previous optimized mirrors are parameterized into Qbfs type polynomials and set up in code V. Code V optimization results demonstrates the effectiveness of this design strategy in this 2-mirror system design. Chapter 6 shows an etendue-squeezing condenser optics, which were prepared for the 2010 IODC illumination contest. This interesting design employs many non-imaging techniques such as the SMS method, etendue-squeezing tessellation, and groove surface design. This device has theoretical efficiency limit as high as 91.9%. Chapter 7 presents a freeform mirror-type solar concentrator with uniform irradiance on the solar cell. Traditional parabolic mirror concentrator has many drawbacks like hot-pot irradiance on the center of the cell, insufficient use of active cell area due to its rotational irradiance pattern and small acceptance angle. In order to conquer these limitations, a novel irradiance homogenization concept is developed, which lead to a free-form mirror design. Simulation results show that the free-form mirror reflector has rectangular irradiance pattern, uniform irradiance distribution and large acceptance angle, which confirm the viability of the design concept. Chapter 8 presents a novel beam-steering array optics design strategy. The goal of the design is to track large angle parallel rays by only moving optical arrays laterally, and convert it to small angle parallel output rays. The design concept is developed as an extended SMS method. Potential applications of this beam-steering device are: skylights to provide steerable natural illumination, building integrated CPV systems, and steerable LED illumination. Conclusion and future lines of work are given in Chapter 9. Resumen La óptica de formación de imagen clásica se ha ido desarrollando durante siglos, dando lugar tanto a la teoría de óptica paraxial y los métodos de diseño prácticos como a técnicas de optimización multiparamétricas. Aunque estos métodos de diseño óptico para formación de imagen puede aportar soluciones elegantes a muchos problemas convencionales, siguen apareciendo nuevos problemas de diseño óptico, concentradores solares, sistemas de iluminación, cámaras ultracompactas, etc. que requieren máxima transferencia de energía o dimensiones ultracompactas. Este tipo de problemas no se pueden resolver fácilmente con métodos clásicos de diseño porque durante el proceso de diseño no solamente se deben considerar los rayos paraxiales sino también los rayos no paraxiales. La óptica anidólica o no formadora de imagen es una disciplina que ha evolucionado en gran medida recientemente. Su objetivo no es formar imagen, es maximazar la eficiencia de transferencia de energía. Un concepto importante de la óptica anidólica son los “rayos marginales”, que se pueden utilizar para el diseño de sistemas ya que si todos los rayos marginales llegan a nuestra área del receptor, todos los rayos interiores también llegarán al receptor. Haciendo uso de este principio, se han diseñado muchos concentradores solares que funcionan cerca del límite teórico que marca la termodinámica. Cuando consideramos más de un haz de rayos marginales en nuestro diseño, una posible solución es usar el método SMS (Simultaneous Multiple Surface), el cuál diseña simultáneamente varias superficies ópticas. El SMS nació como un método de diseño para óptica anidólica durante los años 90. El método puede ser considerado como una extensión del cálculo del óvalo cartesiano. En el método del óvalo cartesiano convencional, se calcula una superficie para transformar un frente de onda entrante a otro frente de onda saliente. El método SMS permite transformar varios frentes de onda de entrada en frentes de onda de salida. Inicialmente, sólo era posible transformar dos frentes de onda con dos superficies con simetría de rotación y sin simetría de rotación, pero esta limitación ha sido superada recientemente. Nos referimos a “SMS 2D” como el método orientado a construir superficies con simetría de rotación y llamamos “SMS 3D” al método para construir superficies sin simetría de rotación o free-form. Aunque el método originalmente fue aplicado en el diseño de sistemas anidólicos, se ha observado que gracias a su capacidad para diseñar más superficies y controlar más frentes de onda de entrada y de salida, el SMS también es posible aplicarlo a sistemas de formación de imagen proporcionando una gran ventaja sobre los métodos de diseño tradicionales. Uno de los principales objetivos de la presente tesis es extender el método SMS-2D para permitir el diseño de sistemas con mayor número de superficies y mejorar la estabilidad de los algoritmos del SMS-2D y SMS-3D, haciendo posible combinar la optimización con los algoritmos. Los beneficios de combinar SMS y optimización comparado con el proceso de optimización tradicional se explican en detalle para sistemas con simetría de rotación y sin simetría de rotación. Otro objetivo importante de la tesis es el desarrollo de nuevos conceptos de diseño y nuevos métodos en el área de la concentración solar fotovoltaica. La tesis está estructurada en 9 capítulos que están agrupados en dos partes: la primera de ellas (capítulos 2-5) se centra en la óptica formadora de imagen mientras que en la segunda parte (capítulos 6-8) se presenta el trabajo del área de la óptica anidólica. El primer capítulo consta de una breve introducción de los conceptos básicos de la óptica anidólica y la óptica en formación de imagen. El capítulo 2 describe un proceso de diseño SMS-2D sencillo basado en los rayos meridianos. En este capítulo se presenta el problema de diseñar un sistema formador de imagen desde el punto de vista del SMS y se intenta obtener una solución de manera numérica. La estabilidad de este proceso se analiza con detalle. Los conceptos de diseño y los algoritmos desarrollados en este capítulo sientan la base sobre la cual se realizarán mejoras. El capítulo 3 presenta dos procedimientos para el diseño de un sistema con 3 superficies SMS, el primero basado en rayos meridianos (SMS-3M) y el segundo basado en rayos oblicuos (SMS-1M2S). La mejora más destacable recae en la selección de los segmentos centrales, que hacen más estable todo el proceso de diseño comparado con el presentado en el capítulo 2. Estos dos algoritmos representan dos tipos de muestreo del espacio de fases, su capacidad para formar imagen se compara diseñando un objetivo simple con cada uno de ellos. En el capítulo 4 se presenta un diseño ultra-compacto de una cámara SWIR diseñada usando el método SMS-3M. La dificultad del diseño de esta cámara de espectro ancho radica en mantener una alta calidad de imagen y al mismo tiempo reducir drásticamente sus dimensiones. Esta cámara es muy interesante para comparar el método de diseño clásico y el método de SMS. En este capítulo se presentan ambos diseños y se analizan sus características ópticas. En el capítulo 5 se describe la estrategia de optimización basada en el método SMS-3D. El método SMS-3D calcula las superficies ópticas de manera precisa, dejando sólo unos pocos parámetros libres para decidir la configuración del sistema. Modificando el valor de estos parámetros se genera cada vez mediante SMS-3D un sistema completo diferente. La optimización se lleva a cabo variando los mencionados parámetros y analizando el sistema generado. Los resultados muestran que esta estrategia de diseño es muy eficaz y eficiente para un sistema formado por dos espejos. En el capítulo 6 se describe un sistema de compresión de la Etendue, que fue presentado en el concurso de iluminación del IODC en 2010. Este interesante diseño hace uso de técnicas propias de la óptica anidólica, como el método SMS, el teselado de las lentes y el diseño mediante grooves. Este dispositivo tiene un límite teórica en la eficiencia del 91.9%. El capítulo 7 presenta un concentrador solar basado en un espejo free-form con irradiancia uniforme sobre la célula. Los concentradores parabólicos tienen numerosas desventajas como los puntos calientes en la zona central de la célula, uso no eficiente del área de la célula al ser ésta cuadrada y además tienen ángulos de aceptancia de reducido. Para poder superar estas limitaciones se propone un novedoso concepto de homogeneización de la irrandancia que se materializa en un diseño con espejo free-form. El análisis mediante simulación demuestra que la irradiancia es homogénea en una región rectangular y con mayor ángulo de aceptancia, lo que confirma la viabilidad del concepto de diseño. En el capítulo 8 se presenta un novedoso concepto para el diseño de sistemas afocales dinámicos. El objetivo del diseño es realizar un sistema cuyo haz de rayos de entrada pueda llegar con ángulos entre ±45º mientras que el haz de rayos a la salida sea siempre perpendicular al sistema, variando únicamente la posición de los elementos ópticos lateralmente. Las aplicaciones potenciales de este dispositivo son varias: tragaluces que proporcionan iluminación natural, sistemas de concentración fotovoltaica integrados en los edificios o iluminación direccionable con LEDs. Finalmente, el último capítulo contiene las conclusiones y las líneas de investigación futura.

Analytic design method for optimal imaging: coupling three ray sets using two free-form lens profiles

In this work, a new two-dimensional optics design method is proposed that enables the coupling of three ray sets with two lens surfaces. The method is especially important for optical systems designed for wide field of view and with clearly separated optical surfaces. Fermat’s principle is used to deduce a set of functional differential equations fully describing the entire optical system. The presented general analytic solution makes it possible to calculate the lens profiles. Ray tracing results for calculated 15th order Taylor polynomials describing the lens profiles demonstrate excellent imaging performance and the versatility of this new analytic design method.

Novel system for bite-force sensing and monitoring based on magnetic eear field communication

Intraoral devices for bite-force sensing have several applications in odontology and maxillofacial surgery, as bite-force measurements provide additional information to help understand the characteristics of bruxism disorders and can also be of help for the evaluation of post-surgical evolution and for comparison of alternative treatments. A new system for measuring human bite forces is proposed in this work. This system has future applications for the monitoring of bruxism events and as a complement for its conventional diagnosis. Bruxism is a pathology consisting of grinding or tight clenching of the upper and lower teeth, which leads to several problems such as lesions to the teeth, headaches, orofacial pain and important disorders of the temporomandibular joint. The prototype uses a magnetic field communication scheme similar to low-frequency radio frequency identification (RFID) technology (NFC). The reader generates a low-frequency magnetic field that is used as the information carrier and powers the sensor. The system is notable because it uses an intra-mouth passive sensor and an external interrogator, which remotely records and processes information regarding a patient?s dental activity. This permits a quantitative assessment of bite-force, without requiring intra-mouth batteries, and can provide supplementary information to polysomnographic recordings, current most adequate early diagnostic method, so as to initiate corrective actions before irreversible dental wear appears. In addition to describing the system?s operational principles and the manufacture of personalized prototypes, this report will also demonstrate the feasibility of the system and results from the first in vitro and in vivo trials.