Some applications of fractional calculus in engineering

Fractional Calculus FC goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades, due to the progress in the area of chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses FC in the study of system dynamics and control. In this perspective, this paper investigates the use of FC in the fields of controller tuning, legged robots, redundant robots, heat diffusion, and digital circuit synthesis.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Ferramenta de estudo para alunos de medicina na especialidade de dermatologia

A vulgarização do uso de dispositivos móveis promoveu a proliferação de aplicações dos mais diversos âmbitos para estes dispositivos não sendo a área clínica uma excepção. Tanto a nível profissional, como a nível de ensino, as tecnologias móveis foram já há muito adoptadas nesta área para as mais diversas finalidades. O trabalho aqui apresentado pretende essencialmente provar a real importância desempenhada pelo mobile learning no contexto da aprendizagem clínica. Mais do que implementar um simples recurso educativo, pretendeu-se conceber um sistema integrado que respondesse a todas as necessidades do aluno quer durante o estudo nas suas diversas fases e locais, como também no próprio serviço hospitalar onde se encontre a desempenhar funções como interno da especialidade. Após uma exaustiva análise das aplicações móveis relevantes da área médica, verificou-se a inexistência de uma ferramenta integradora de vários módulos de aprendizagem com um custo comportável para a maioria dos alunos. Desta forma, idealizou-se uma aplicação capaz de superar esta lacuna que será detalhada ao longo desta tese. Para o desenvolvimento deste trabalho contou-se com a preciosa colaboração dos possíveis utilizadores finais desta ferramenta uma vez que a escolha dos módulos a integrar foi essencialmente baseada nas suas opiniões. Ainda no âmbito desta tese, encontra-se a avaliação do protótipo por parte dos alunos. Esta avaliação pretende validar a efectiva importância de uma ferramenta desta natureza para um aluno de medicina assim como o impacto que o protótipo teve na sua opinião acerca do conceito de mobile learning na aprendizagem clínica. Com vista a uma futura implementação de um recurso educativo deste âmbito, foram também recolhidos os pontos negativos e positivos mais relevantes para o aluno. Em suma, este trabalho valida a importância do papel que as aplicações de aprendizagem para dispositivos móveis podem desempenhar para um aluno de medicina tanto nos seus locais de estudo, como no serviço onde se possa encontrar.

Climbing robots: a survey of technologies and applications

The interest in the development of climbing robots is growing rapidly. Motivations are typically to increase the operation efficiency by obviating the costly assembly of scaffolding or to protect human health and safety in hazardous tasks. Climbing robots are starting to be developed for applications ranging from cleaning to inspection of difficult to reach constructions. These robots should be capable of travelling on different types of surfaces, with varying inclinations, such as floors, walls, ceilings, and to walk between such surfaces. Furthermore, these machines should be capable of adapting and reconfiguring for various environment conditions and to be self-contained. Regarding the adhesion to the surface, they should be able to produce a secure gripping force using a light-weight mechanism. This paper presents a survey of different applications and technologies proposed for the implementation of climbing robots.

Discretization of complex-order algorithms for control applications

In this article we describe several methods for the discretization of the differintegral operator sa, where α = u + jv is a complex value. The concept of the conjugated-order differintegral is also introduced, which enables the use of complex-order differintegrals while still producing real-valued time responses and transfer functions. The performance of the resulting approximations is analysed in both the time and frequency domains. Several results are presented that demonstrate its utility in control system design.

Sistemas de prevenção de cuidados de saúde

A tomada de decisão na saúde pode-se tornar um processo complexo e moroso. A complexidade associada ao processo de decisão na saúde advém da diversidade de opções clinicamente razoáveis, ou seja, nenhuma opção se sobrepõem _a outra, visto que cada uma possui os seus riscos e benefícios, que são normalmente interpretados de modo diferente entre os indivíduos. Desta forma, cabe ao paciente e _a sua equipa médica optarem pela opção que melhor se enquadra na situação clínica do paciente Para tornar este processo menos complexo, cada vez mais se utiliza as chamadas "ferramentas de decisão", que se caraterizam por fornecer informação sobre as diferentes opções clínicas, traduzindo-se numa diminuição da dificuldade da tomada de decisão. De uma forma geral, as ferramentas de decisão são desenvolvidas com o intuito de facilitar a tomada de decisão, através do aumento do conhecimento científico sobre um determinado problema (tomada de decisão informada) e uma mudança de atitude do paciente face aos seus cuidados de saúde. Na realização da presente dissertação foi desenvolvido um sistema de informação na web, que engloba informação relativa ao rastreio do cancro da próstata. Este sistema também surge acoplado a um conjunto de componentes de decisão, que têm como objetivo auxiliar os indivíduos no processo de decisão para a realização do rastreio do cancro da próstata, assim como a prevenção de doenças relacionadas com a próstata. A implementação desta aplicação web teve como base as necessidades do indivíduo, ou seja informações clínicas sobre possíveis riscos e benefícios associados ao rastreio, assim como fornecer uma maior interatividade com o utilizador. A primeira versão da aplicação já foi testada e avaliada através da participação de um conjunto de indivíduos que compõem o público-alvo para este tipo de aplicações. Os resultados obtidos permitiram concluir que os requisitos definidos para esta aplicação, permitem o aumento do conhecimento do indivíduo e o auxílio na tomada de decisão para a realização do rastreio do cancro da próstata.

Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.

Cloud-assisted Wireless Body Area Networks

Wireless Body Area Networks (WBANs) have emerged as a promising technology for medical and non-medical applications. WBANs consist of a number of miniaturized, portable, and autonomous sensor nodes that are used for long-term health monitoring of patients. These sensor nodes continuously collect information of patients, which are used for ubiquitous health monitoring. In addition, WBANs may be used for managing catastrophic events and increasing the effectiveness and performance of rescue forces. The huge amount of data collected by WBAN nodes demands scalable, on-demand, powerful, and secure storage and processing infrastructure. Cloud computing is expected to play a significant role in achieving the aforementioned objectives. The cloud computing environment links different devices ranging from miniaturized sensor nodes to high-performance supercomputers for delivering people-centric and context-centric services to the individuals and industries. The possible integration of WBANs with cloud computing (WBAN-cloud) will introduce viable and hybrid platform that must be able to process the huge amount of data collected from multiple WBANs. This WBAN-cloud will enable users (including physicians and nurses) to globally access the processing and storage infrastructure at competitive costs. Because WBANs forward useful and life-critical information to the cloud – which may operate in distributed and hostile environments, novel security mechanisms are required to prevent malicious interactions to the storage infrastructure. Both the cloud providers and the users must take strong security measures to protect the storage infrastructure.

Spent coffee grounds for biodiesel production and other applications

This work evaluates the possibility of using spent coffee grounds (SCG) for biodiesel production and other applications. An experimental study was conducted with different solvents showing that lipid content up to 6 wt% can be obtained from SCG. Results also show that besides biodiesel production, SCG can be used as fertilizer as it is rich in nitrogen, and as solid fuel with higher heating value (HHV) equivalent to some agriculture and wood residues. The extracted lipids were characterized for their properties of acid value, density at 15 °C, viscosity at 40 °C, iodine number, and HHV, which are negatively influenced by water content and solvents used in lipid extraction. Results suggest that for lipids with high free fatty acids (FFA), the best procedure for conversion to biodiesel would be a two-step process of acid esterification followed by alkaline transesterification, instead of a sole step of direct transesterification with acid catalyst. Biodiesel was characterized for its properties of iodine number, acid value, and ester content. Although these quality parameters were not within the limits of NP EN 14214:2009 standard, SCG lipids can be used for biodiesel, blended with higher-quality vegetable oils before transesterification, or the biodiesel produced from SCG can be blended with higher-quality biodiesel or even with fossil diesel, in order to meet the standard requirements.

Some pioneers of the applications of fractional calculus

In the last decades fractional calculus (FC) became an area of intensive research and development. This paper goes back and recalls important pioneers that started to apply FC to scientific and engineering problems during the nineteenth and twentieth centuries. Those we present are, in alphabetical order: Niels Abel, Kenneth and Robert Cole, Andrew Gemant, Andrey N. Gerasimov, Oliver Heaviside, Paul Lévy, Rashid Sh. Nigmatullin, Yuri N. Rabotnov, George Scott Blair.

Creating and optimizing client-server applications on mobile devices

Mobile devices are embedded systems with very limited capacities that need to be considered when developing a client-server application, mainly due to technical, ergonomic and economic implications to the mobile user. With the increasing popularity of mobile computing, many developers have faced problems due to low performance of devices. In this paper, we discuss how to optimize and create client-server applications for in wireless/mobile environments, presenting techniques to improve overall performance.