Insights into mechanism kinematics for protein motion simulation

Background: The high demanding computational requirements necessary to carry out protein motion simulations make it difficult to obtain information related to protein motion. On the one hand, molecular dynamics simulation requires huge computational resources to achieve satisfactory motion simulations. On the other hand, less accurate procedures such as interpolation methods, do not generate realistic morphs from the kinematic point of view. Analyzing a protein's movement is very similar to serial robots; thus, it is possible to treat the protein chain as a serial mechanism composed of rotational degrees of freedom. Recently, based on this hypothesis, new methodologies have arisen, based on mechanism and robot kinematics, to simulate protein motion. Probabilistic roadmap method, which discretizes the protein configurational space against a scoring function, or the kinetostatic compliance method that minimizes the torques that appear in bonds, aim to simulate protein motion with a reduced computational cost. Results: In this paper a new viewpoint for protein motion simulation, based on mechanism kinematics is presented. The paper describes a set of methodologies, combining different techniques such as structure normalization normalization processes, simulation algorithms and secondary structure detection procedures. The combination of all these procedures allows to obtain kinematic morphs of proteins achieving a very good computational cost-error rate, while maintaining the biological meaning of the obtained structures and the kinematic viability of the obtained motion. Conclusions: The procedure presented in this paper, implements different modules to perform the simulation of the conformational change suffered by a protein when exerting its function. The combination of a main simulation procedure assisted by a secondary structure process, and a side chain orientation strategy, allows to obtain a fast and reliable simulations of protein motion.

Diseño y verificación del sistema de interpolación de trayectorias de un mecanismo de cinemática paralela

[ES]El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Grado es diseñar un interpolador de trayectorias y programarlo en Labview. Para ello, se ha de analizar primeramente la cinemática del mecanismo a utilizar, un robot de cinemática paralela 5R, y calcular su espacio de trabajo. Después, se deducirán y programarán diversos perfiles de velocidades (trapezoidal de velocidades, trapezoidal de aceleraciones y sinusoidal) para moverse en rectas, así como el movimiento en curvas mediante splines. También se hallarán experimentalmente las características de los motores disponibles y se averiguarán las velocidades máximas que puede alcanzar el mecanismo. Así podremos presentar un software que sirva para generar trayectorias para el robot 5R. Se presentan también, entre otros, el presupuesto del proyecto y los riesgos en los que se puede incurrir. El documento finaliza con unos anexos de planos CAD, resultados y código de programación.

Diseño, fabricación y montaje de un robot de cinemática paralela de dos grados de libertad

[ES]Este Trabajo consiste en diseñar un robot de cinemática paralela de dos grados de libertad partiendo de unos requisitos mínimos necesarios que habrán de verificarse. A continuación, se fabricará siguiendo dicho diseño para finalmente montarlo sobre unas guías lineales constituyendo así una máquina de cinemática paralela, objetivo final conjunto de este Trabajo añadido al mencionado control de las guías. Resulta de especial interés su particular arquitectura, aspecto clave cuando se pretende un sistema preciso y reducir las vibraciones.

Desarrollo de software para la realización de ensayos dinámicos de mecanismos de cinemática paralela

[ES]El presente Trabajo de Fin de Grado tiene como objetivo contribuir al desarrollo de un proyecto de investigación mediante la programación y control del movimiento de mecanismos de cinemática paralela para la realización de ensayos dinámicos. Dicho proyecto está enmarcado dentro de una línea de investigación del grupo de investigación CompMech de la UPV-­‐EHU que gira en torno al desarrollo y estudio de este tipo de mecanismos. Esto es; este trabajo, más allá de la utilidad que pudiera tener por sí mismo, está pensado para formar parte de un proyecto de mayor envergadura, para cuyo éxito será imprescindible la colaboración con otros investigadores y la integración de este trabajo con los realizados por ellos. Consiste en la creación de un software para el control y movimiento de mecanismos, generando vibraciones para la realización de ensayos dinámicos. Para ello, se programarán sobre la plataforma LabVIEW la interfaz de usuario y el motor de cálculo. Una vez se compruebe que el programa funciona correctamente, se integrará dentro de un programa principal, un control articular que será el encargado de comunicarse con la máquina. Posteriormente, se procederá a la realización de ensayos experimentales sobre los propios robots, en taller. Se tomarán medidas mediante acelerómetros y otros dispositivos, determinando las medidas más adecuadas para su correcta validación. Finalmente, se generalizará el trabajo realizado para posibilitar su empleo futuro en diferentes mecanismos

SCARA errobota: mugimendu gaitasunen eta ibilbide sorkuntzaren inplementazioa software grafikoan

[EU]Lan honen gaia SCARA errobot motaren mugimendu gaitasunen analisia egitea da, eta ibilbideen sorkuntzarako metodoekin batera software grafiko batean inplementatzea mugimenduaren simulazioa egin ahal izateko. Errobot serieen zinematikaren oinarrizko ezagutzatik hasita, mota konkretu batetara aplikatu egiten da eta honek aurkezten dituen berezitasunak garatu egiten dira, bi helburutara bideratuta: SCARA errobotaren mugimendu gaitasunak ezagutzea. Ibilbideen sorkuntzarako metodo baten inplementazioa. Hasteko, gaiaren egoera aztertu da, aplikazio nagusien eta ibilbide moten informazioa batzeko. Halaber ibilbideen sorkuntzarako metodoak arakatu dira, erabilera honetarako aproposena aurkitzeko. Jarraian, errobotaren analisia burutu da, ohizko erreminta matematikoak erabiliz, funtsezkoak diren lan eremua eta kokapen singularrak lortzeko. Ostean, software grafikoa garatu da mugimendu gaitasun hauek simulatzeko. Ohiko aplikazioetan oinarritutako ibilbideak sortzeko aukerak gehitu dira. Amaitzeko, oztopoak saihesten dituen ibilbideen sorkuntzarako metodoa inplementatu da, “pick and place” ibilbide motaren barruan.

Algoritmo para la identificación de las ganancias óptimas del algoritmo de control de posición de un mecanismo de cinemática paralela

[ES]Este trabajo presenta un algoritmo automatizado cuyo resultado es la determinación de las ganancias óptimas del lazo de control de un mecanismo de cinemática paralela. En concreto se ha aplicado al mecanismo 5R, aunque el método es válido para cualquier otro mecanismo introduciendo el modelo mecatrónico correspondiente. Permite disponer de un procedimiento para poder elegir en un futuro la combinación de motor y reductora más apropiada para un determinado mecanismo evitando realizar adquisiciones sobredimensionadas, como ocurrió con el mecanismo en cuestión.

Análisis y comparación de movimientos parásitos en manipuladores de cinemática paralela 3PRS

[ES]Por lo tanto el objetivo de este trabajo es resolver el problema de posición de un manipulador paralelo analizando los movimientos parásitos y la influencia de los mismos sobre el problema. Para ello inicialmente se realizará un modelo del manipulador en un programa de CAD. Posteriormente se resolverán las ecuaciones de posición y se implementará esta resolución en un programa de cálculo como MATLAB. Finalmente se compararán los resultados obtenidos con un manipulador de características similares pero una configuración ligeramente distinta.

Diseño cinemático de un mecanismo espacial de cinemática paralela

[ES]Este Trabajo Fin de Grado está enmarcado dentro de un proyecto del grupo de investigación CompMech. El proyecto consiste en el diseño y construcción de un mecanismo de cinemática paralela para ensayos dinámicos. Este trabajo fin de grado engloba las tareas necesarias para el estudio del espacio de trabajo del mecanismo y la determinación de las dimensiones más apropiadas desde consideraciones cinemáticas. Se partirá de tres posibles mecanismos, de los que más adelante se seleccionará uno con el que terminar el ciclo de diseño. Para ello el primer paso es el análisis cinemático de los mecanismos. Se resolverán los problemas de posición y de velocidades, que serán los necesarios para el posterior estudio del espacio de trabajo. La resolución de estos problemas se programará en un programa Matlab. Después se obtendrán los espacios de trabajo de cada uno de los mecanismos, así como las posiciones singulares dentro del mismo, y su variación ante variaciones en las dimensiones. Será también de interés determinar las regiones del espacio de trabajo en las que más fácil es efectuar el movimiento del mecanismo. Conocidos los espacios de trabajo de cada mecanismo y su variabilidad con cambios en las dimensiones, se elegirá el mecanismo más apropiado para continuar con el ciclo de diseño. Para la elección se tendrán también en cuenta consideraciones adicionales aportadas por otros miembros del grupo.

Análisis cinemático de robots antropomórficos con cuaterniones duales

[ES]Este documento presenta una teoría de análisis cinemático capaz de unificar posición/orientación describiendo el movimiento de la herramienta de un robot mediante un cuaternión dual que envuelve traslación y rotación. Se desarrolla la cinemática directa de dos robots, uno redundante y otro no redundante a fin de evaluar la validez del método en ambos casos. Por último, se comparan los resultados de dicha teoría con los resultados que ofrece la conocida teoría de las matrices de transformación homogéneas.

Simulación del robot Delta mediante MATLAB

[ES]El presente Trabajo Fin de Grado: SIMULACIÓN DEL ROBOT DELTA MEDIANTE MATLAB trata sobre el robot Delta. El objetivo principal del trabajo es servir de base para futuros proyectos. Incluye información sobre los robots Delta, así como de sus aplicaciones. Este tipo de robots tienen numerosas aplicaciones y beneficios gracias a las numerosas características favorables que se mencionan a lo largo del trabajo, como lo es por ejemplo la gran velocidad a la que se puede mover. En el trabajo se verán las resoluciones de los problemas cinemáticos: directo e inverso. Además, se podrán describir trayectorias tomando como base los anteriores problemas cinemáticos. Finalmente, es especialmente interesante la introducción de los interpoladores en la generación de trayectorias y los beneficios que ello trae consigo.

Estudio, análisis y clasificación de mecanismos con aplicación industrial

[ES]El uso de maquinaria en la industria es algo muy habitual en la actualidad. Dicha maquinaria necesita una serie de mecanismos para realizar una acción deseada, y en función de esa acción, se hará uso de un mecanismo u otro. Este informe representa el estudio y análisis cinemático que se ha llevado a cabo para la posterior clasificación de mecanismos planos que tengan un grado de libertad con aplicación industrial. Para todo ello se ha partido de un previo conocimiento de la materia que se ha ido complementando con diferentes fuentes de información especializadas. La clasificación de los mecanismos que se va a realizar en este trabajo no es más que una de las muchas posibilidades que hay a la hora de clasificarlos ya que se han hecho bastantes intentos para realizar clasificaciones de mecanismos, pero dada la complejidad de la tarea no se ha llegado a una clasificación general unificada. La línea de trabajo que se presenta aquí consiste en el análisis cinemático de diferentes mecanismos para la posterior creación de un prototipo de uno de ellos. La estructura de los contenidos que se desarrollan a continuación es la siguiente: En primer lugar se ha realizado una búsqueda de mecanismos que cumplan la condición de ser mecanismos planos que tengan un grado de libertad y que tengan utilidad demostrada. En segundo lugar se han recopilado los resultados cinemáticos del mecanismo, construcciones gráficas de los elementos que lo componen y se añadirán animaciones de cada mecanismo, haciendo después una valoración en función de los resultados obtenidos de los mismos. En tercer lugar se han clasificado en diferentes grupos dependiendo de su función o aplicación. En cuarto lugar, se ha realizado un prototipo de uno de los mecanismos para comprobar su funcionamiento.

Spinal circuits can accommodate interaction torques during multijoint limb movements

The dynamic interaction of limb segments during movements that involve multiple joints creates torques in one joint due to motion about another. Evidence shows that such interaction torques are taken into account during the planning or control of movement in humans. Two alternative hypotheses could explain the compensation of these dynamic torques. One involves the use of internal models to centrally compute predicted interaction torques and their explicit compensation through anticipatory adjustment of descending motor commands. The alternative, based on the equilibrium-point hypothesis, claims that descending signals can be simple and related to the desired movement kinematics only, while spinal feedback mechanisms are responsible for the appropriate creation and coordination of dynamic muscle forces. Partial supporting evidence exists in each case. However, until now no model has explicitly shown, in the case of the second hypothesis, whether peripheral feedback is really sufficient on its own for coordinating the motion of several joints while at the same time accommodating intersegmental interaction torques. Here we propose a minimal computational model to examine this question. Using a biomechanics simulation of a two-joint arm controlled by spinal neural circuitry, we show for the first time that it is indeed possible for the neuromusculoskeletal system to transform simple descending control signals into muscle activation patterns that accommodate interaction forces depending on their direction and magnitude. This is achieved without the aid of any central predictive signal. Even though the model makes various simplifications and abstractions compared to the complexities involved in the control of human arm movements, the finding lends plausibility to the hypothesis that some multijoint movements can in principle be controlled even in the absence of internal models of intersegmental dynamics or learned compensatory motor signals.

Physiological modules for generating discrete and rhythmic movements: action identification by a dynamic recurrent neural network

In this study we employed a dynamic recurrent neural network (DRNN) in a novel fashion to reveal characteristics of control modules underlying the generation of muscle activations when drawing figures with the outstretched arm. We asked healthy human subjects to perform four different figure-eight movements in each of two workspaces (frontal plane and sagittal plane). We then trained a DRNN to predict the movement of the wrist from information in the EMG signals from seven different muscles. We trained different instances of the same network on a single movement direction, on all four movement directions in a single movement plane, or on all eight possible movement patterns and looked at the ability of the DRNN to generalize and predict movements for trials that were not included in the training set. Within a single movement plane, a DRNN trained on one movement direction was not able to predict movements of the hand for trials in the other three directions, but a DRNN trained simultaneously on all four movement directions could generalize across movement directions within the same plane. Similarly, the DRNN was able to reproduce the kinematics of the hand for both movement planes, but only if it was trained on examples performed in each one. As we will discuss, these results indicate that there are important dynamical constraints on the mapping of EMG to hand movement that depend on both the time sequence of the movement and on the anatomical constraints of the musculoskeletal system. In a second step, we injected EMG signals constructed from different synergies derived by the PCA in order to identify the mechanical significance of each of these components. From these results, one can surmise that discrete-rhythmic movements may be constructed from three different fundamental modules, one regulating the co-activation of all muscles over the time span of the movement and two others elliciting patterns of reciprocal activation operating in orthogonal directions.

Physiological modules for generating discrete and rhythmic movements: Component analysis of EMG signals

A central question in Neuroscience is that of how the nervous system generates the spatiotemporal commands needed to realize complex gestures, such as handwriting. A key postulate is that the central nervous system (CNS) builds up complex movements from a set of simpler motor primitives or control modules. In this study we examined the control modules underlying the generation of muscle activations when performing different types of movement: discrete, point-to-point movements in eight different directions and continuous figure-eight movements in both the normal, upright orientation and rotated 90 degrees. To test for the effects of biomechanical constraints, movements were performed in the frontal-parallel or sagittal planes, corresponding to two different nominal flexion/abduction postures of the shoulder. In all cases we measured limb kinematics and surface electromyographic activity (EMB) signals for seven different muscles acting around the shoulder. We first performed principal component analysis (PCA) of the EMG signals on a movement-by-movement basis. We found a surprisingly consistent pattern of muscle groupings across movement types and movement planes, although we could detect systematic differences between the PCs derived from movements performed in each sholder posture and between the principal components associated with the different orientations of the figure. Unexpectedly we found no systematic differences between the figute eights and the point-to-point movements. The first three principal components could be associated with a general co-contraction of all seven muscles plus two patterns of reciprocal activatoin. From these results, we surmise that both "discrete-rhythmic movements" such as the figure eight, and discrete point-to-point movement may be constructed from three different fundamental modules, one regulating the impedance of the limb over the time span of the movement and two others operating to generate movement, one aligned with the vertical and the other aligned with the horizontal.

Estudio de la resolución del problema de posición de mecanismos planos de cadena cerrada usando la Proyección cinemática de Study.

[ES]El presente documento versa sobre el desarrollo y posteriores resultados de un estudio elaborado en el campo de la cinemática teórica. Se plantea como objetivo del estudio mostrar las posibles ventajas que puede aportar el uso de la proyección cinemática tanto al análisis como a la síntesis de mecanismos. Los resultados obtenidos reflejan que la metodología propuesta para el análisis es adecuada para mecanismos sencillos, pero puede no serlo tanto para mecanismos de varios lazos cinemáticos. En cuanto al procedimiento propuesto para la síntesis, pese a obtenerse unos interesantes resultados, aún queda mucho por avanzar en ese campo.