Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

Academic and social adjustment of teenagers in social rehabilitation : the role of intrinsic need satisfaction and autonomy support

Les études antérieures ont démontré les bénéfices de la satisfaction des besoins intrinsèques et du soutien à l’autonomie dans le domaine de l’éducation. Or, l’applicabilité des tenants principaux de la Théorie de l’Auto-Détermination (TAD; Deci & Ryan, 2000) n’a pas été investiguée auprès d’une population clinique d’adolescents. L’objectif de cette thèse doctorale est de faire la lumière sur la façon dont l'adaptation scolaire et sociale peut être favorisée par les agents de socialisation dans le contexte de la réadaptation sociale. Cette thèse est composée de deux études s’intéressant à l’application des tenants clés de la TAD auprès de deux échantillons d’adolescents vivant des problèmes d’adaptation et recevant des services d’éducation spécialisée et de réadaptation sociale. Les relations entre les concepts motivationnels de base sont étudiés afin de déterminer si, comme la TAD le propose, la satisfaction des besoins intrinsèques des jeunes peut être soutenue par le style interpersonnel des agents de socialisation (c.-à-d., le soutien à l’autonomie, l’implication et la structure). Il est aussi vérifié si ces concepts motivationnels améliorent la motivation ainsi que d’autres conséquences qui résultent de leur expérience, proposées par la TAD. La première étude a évalué si le style interpersonnel des enseignants peut favoriser la satisfaction des besoins des élèves, leur style de motivationl, tout comme leur ajustement scolaire. Les élèves en difficulté d’adaptation (N = 115) inscrits aux écoles internes des Centres de Réadaptation en raison de leurs problématiques émotionnelles et comportementales ont rempli les questionnaires à deux reprises, au début et à la fin de l’année scolaire. Les analyses de modèles d’équations structurelles révèlent que l’augmentation du soutien à l’autonomie et de l’implication (mais pas de la structure) des enseignants pendant l’année est associée à une augmentation de la satisfaction des besoins des élèves qui, conséquemment, conduit à une motivation scolaire plus auto-déterminée et à une diminution d’intentions de décrochage à la fin de l’année scolaire. De plus, l’amélioration de la satisfaction des besoins mène directement à une meilleure expérience affective à l’école. La deuxième étude consiste en une recherche expérimentale conduite auprès d’adolescentes en difficulté d’adaptation (N = 29). Le devis expérimental a permis de comparer l’impact de la présence (c. absence) du soutien à l’autonomie sur l’internalisation d’une tâche et sur les conséquences motivationnelles et expérientielles des jeunes. La tâche, fastidieuse mais importante, consistait à de la résolution de problèmes interpersonnels (activité clinique). Les résultats suggèrent qu’un style interpersonnel soutenant l’autonomie a augmenté la motivation auto-déterminée, la perception de la valeur de la tâche et son appréciation, ainsi que diminué les affects négatifs comparativement à la condition sans soutien à l’autonomie. Les résultats sont discutés en lien avec les implications théoriques et pratiques d’étendre la portée de la TAD à une population clinique d’adolescents aux prises avec des difficultés d’adaptation.

Residence and Autonomy in Postcolonial Maharashtra

Réalisé à l'aide de données harmonisées par le Integrated Public Use Microdata Series (IPUMS).

An Encoded Infrared Sheet Of Light Navigational Beacon System For Precise Localization Of Indoor Mobile Robot Vehicles

A new localization approach to increase the navigational capabilities and object manipulation of autonomous mobile robots, based on an encoded infrared sheet of light beacon system, which provides position errors smaller than 0.02m is presented in this paper. To achieve this minimal position error, a resolution enhancement technique has been developed by utilising an inbuilt odometric/optical flow sensor information. This system respects strong low cost constraints by using an innovative assembly for the digitally encoded infrared transmitter. For better guidance of mobile robot vehicles, an online traffic signalling capability is also incorporated. Other added features are its less computational complexity and online localization capability all these without any estimation uncertainty. The constructional details, experimental results and computational methodologies of the system are also described

Design and Development of a Remotely Operated Underwater Multi-Robot Manipulator Controller

For the scientific and commercial utilization of Ocean resources, the role of intelligent underwater robotic systems are of great importance. Scientific activities like Marine Bio-technology, Hydrographic mapping, and commercial applications like Marine mining, Ocean energy, fishing, aquaculture, cable laying and pipe lining are a few utilization of ocean resources. As most of the deep undersea exploration are beyond the reachability of divers and also as the use of operator controlled and teleoperated Remotely Operated Vehicles (ROVs) and Diver Transport Vehicles (DTVs) turn out to be highly inefficient, it is essential to have a fully automated system capable providing stable control and communication links for the unstructured undersea environment.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Enhancing the Dexterity of a Robot Hand Using Controlled Slip

Humans can effortlessly manipulate objects in their hands, dexterously sliding and twisting them within their grasp. Robots, however, have none of these capabilities, they simply grasp objects rigidly in their end effectors. To investigate this common form of human manipulation, an analysis of controlled slipping of a grasped object within a robot hand was performed. The Salisbury robot hand demonstrated many of these controlled slipping techniques, illustrating many results of this analysis. First, the possible slipping motions were found as a function of the location, orientation, and types of contact between the hand and object. Second, for a given grasp, the contact types were determined as a function of the grasping force and the external forces on the object. Finally, by changing the grasping force, the robot modified the constraints on the object and affect controlled slipping slipping motions.

Structural Dynamics Model of a Cartesian Robot

Methods are developed for predicting vibration response characteristics of systems which change configuration during operation. A cartesian robot, an example of such a position-dependent system, served as a test case for these methods and was studied in detail. The chosen system model was formulated using the technique of Component Mode Synthesis (CMS). The model assumes that he system is slowly varying, and connects the carriages to each other and to the robot structure at the slowly varying connection points. The modal data required for each component is obtained experimentally in order to get a realistic model. The analysis results in prediction of vibrations that are produced by the inertia forces as well as gravity and friction forces which arise when the robot carriages move with some prescribed motion. Computer simulations and experimental determinations are conducted in order to calculate the vibrations at the robot end-effector. Comparisons are shown to validate the model in two ways: for fixed configuration the mode shapes and natural frequencies are examined, and then for changing configuration the residual vibration at the end of the mode is evaluated. A preliminary study was done on a geometrically nonlinear system which also has position-dependency. The system consisted of a flexible four-bar linkage with elastic input and output shafts. The behavior of the rocker-beam is analyzed for different boundary conditions to show how some limiting cases are obtained. A dimensional analysis leads to an evaluation of the consequences of dynamic similarity on the resulting vibration.

Analysis and Control of Robot Manipulators with Kinematic Redundancy

A closed-form solution formula for the kinematic control of manipulators with redundancy is derived, using the Lagrangian multiplier method. Differential relationship equivalent to the Resolved Motion Method has been also derived. The proposed method is proved to provide with the exact equilibrium state for the Resolved Motion Method. This exactness in the proposed method fixes the repeatability problem in the Resolved Motion Method, and establishes a fixed transformation from workspace to the joint space. Also the method, owing to the exactness, is demonstrated to give more accurate trajectories than the Resolved Motion Method. In addition, a new performance measure for redundancy control has been developed. This measure, if used with kinematic control methods, helps achieve dexterous movements including singularity avoidance. Compared to other measures such as the manipulability measure and the condition number, this measure tends to give superior performances in terms of preserving the repeatability property and providing with smoother joint velocity trajectories. Using the fixed transformation property, Taylor's Bounded Deviation Paths Algorithm has been extended to the redundant manipulators.

Modeling Robot Dynamic Performance for Endpoint Force Control

This research aims to understand the fundamental dynamic behavior of servo-controlled machinery in response to various types of sensory feedback. As an example of such a system, we study robot force control, a scheme which promises to greatly expand the capabilities of industrial robots by allowing manipulators to interact with uncertain and dynamic tasks. Dynamic models are developed which allow the effects of actuator dynamics, structural flexibility, and workpiece interaction to be explored in the frequency and time domains. The models are used first to explain the causes of robot force control instability, and then to find methods of improving this performance.

Task-Level Robot Learning

We are investigating how to program robots so that they learn from experience. Our goal is to develop principled methods of learning that can improve a robot's performance of a wide range of dynamic tasks. We have developed task-level learning that successfully improves a robot's performance of two complex tasks, ball-throwing and juggling. With task- level learning, a robot practices a task, monitors its own performance, and uses that experience to adjust its task-level commands. This learning method serves to complement other approaches, such as model calibration, for improving robot performance.

Design and Implementation of a Flexible Robot

This robot has low natural frequencies of vibration. Insights into the problems of designing joint and link flexibility are discussed. The robot has three flexible rotary actuators and two flexible, interchangeable links, and is controlled by three independent processors on a VMEbus. Results from experiments on the control of residual vibration for different types of robot motion are presented. Impulse prefiltering and slowly accelerating moves are compared and shown to be effective at reducing residual vibration.

On Probabilistic Strategies for Robot Tasks

Robots must act purposefully and successfully in an uncertain world. Sensory information is inaccurate or noisy, actions may have a range of effects, and the robot's environment is only partially and imprecisely modeled. This thesis introduces active randomization by a robot, both in selecting actions to execute and in focusing on sensory information to interpret, as a basic tool for overcoming uncertainty. An example of randomization is given by the strategy of shaking a bin containing a part in order to orient the part in a desired stable state with some high probability. Another example consists of first using reliable sensory information to bring two parts close together, then relying on short random motions to actually mate the two parts, once the part motions lie below the available sensing resolution. Further examples include tapping parts that are tightly wedged, twirling gears before trying to mesh them, and vibrating parts to facilitate a mating operation.