Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Laboratorio remoto eLab3D: un mundo virtual inmersivo para el aprendizaje de la electrónica

En este artículo se presenta un recurso educativo novedoso, basado en un laboratorio remoto, que permite a los estudiantes, a través de Internet, la realización de experimentos reales en el área de la electrónica. Se ha creado un mundo virtual 3D donde los usuarios, a través de sus avatares, pueden interaccionar con réplicas virtuales de instrumentos, placas de circuitos, componentes o cables y con compañeros y profesores, de forma similar a como lo harían en un laboratorio presencial. Este recurso ofrece múltiples posibilidades que pueden ser muy útiles en los diferentes niveles educativos. Se han llevado a cabo algunas experiencias educativas de utilización de la plataforma con el fin de valorar sus posibilidades docentes y los resultados obtenidos han sido muy positivos. ABSTRACT. This paper presents an innovative educational resource, based on a remote laboratory, which allows users to conduct real experiments through Internet in the area of electronics. A 3D virtual world has been created in which users, by means of their avatars, can interact with virtual replicas of instruments, circuit boards, components or cables and with peers and teachers, as they would in a traditional laboratory. This resource offers multiple possibilities that can be very useful in the different education levels. Some educative experiences have been carried out using the platform to evaluate its educational possibilities and the obtained results have been very positive.

Algoritmos de decisión para priorizar las acciones de restauración en el mantenimiento de redes

En la actualidad, cualquier compañía de telecomunicaciones que posea su propia red debe afrontar el problema del mantenimiento de la misma. Ofrecer un mínimo de calidad de servicio a sus clientes debe ser uno de sus objetivos principales. Esta calidad debe mantenerse aunque ocurran incidencias en la red. El presente trabajo pretende resolver el problema de priorizar el orden en que se restauran los cables, caminos y circuitos, dañados por una incidencia, dentro de una red troncal de transporte perteneciente a una operadora de telecomunicaciones. Tras un planteamiento detallado del problema y de todos los factores que influirán en la toma de decisión, en primer lugar se acomete una solución basada en Métodos Multicriterio Discretos, concretamente con el uso de ELECTRE I y AHP. A continuación se realiza una propuesta de solución basada en Redes Neuronales (con dos aproximaciones diferentes al problema). Por último se utiliza un método basado en la Optimización por Enjambre de Partículas (PSO), adaptado a un problema de permutación de enteros (ordenación), y con una forma particular de evaluar la mejor posición global del enjambre. Complementariamente se realiza una exposición de lo que es una empresa Operadora de telecomunicaciones, de sus departamentos y procesos internos, de los servicios que ofrece, de las redes sobre las que se soportan, y de los puntos clave a tener en cuenta en la implementación de sus sistemas informáticos de gestión integral. ABSTRACT: Nowadays, any telecommunications company that owns its own network must face the problem of maintaining it (service assurance). Provide a minimum quality of service to its customers must be one of its main objectives. This quality should be maintained although any incidents happen to occur in the network. This thesis aims to solve the problem of prioritizing the order in which the damaged cables, trails, path and circuits, within a backbone transport network, should be restored. This work begins with a detailed explanation about network maintenance issues and all the factors that influence decision-making problem. First of all, one solution based on Discrete Multicriteria methods is tried (ELECTRE I and AHP algorithms are used). Also, a solution based on neural networks (with two different approaches to the problem) is analyzed. Finally, this thesis proposes an algorithm based on Particle Swarm Optimization (PSO), adapted to a problem of integers permutation, and a particular way of evaluating the best overall position of the swarm method. In addition, there is included an exhibition about telecommunications companies, its departments, internal processes, services offered to clients, physical networks, and key points to consider when implementing its integrated management systems.

Criterios de dimensionamiento en estado límite de servicio de tableros de puentes con sistema de atirantamiento extradosado

Los criterios de dimensionamiento en tableros de hormigón pretensado están claramente establecidos para sistemas de pretensado convencional adherente o no, interior o exterior a la losa del tablero así como para sistemas de atirantamiento convencionales. Pero no para sistemas de atirantamiento no convencional como los puentes de atirantamiento extradosado. Con la realización de este trabajo, se pretende llegar a unos criterios de dimensionamiento en Estado Límite de Servicio (ELS), analizando los criterios de dimensionamiento ya existentes en sistemas de atirantamiento convencional, estableciendo las bases para su generalización al sistema de atirantamiento extradosado. El desarrollo del presente proyecto comenzará con una breve introducción sobre los sistemas estructurales con cables y tirantes, explicando sus características y comportamientos estructurales y dará paso al desarrollo del proyecto, utilizando para dicho estudio la modelización de un puente atirantado y otro dos extradosados, uno cuyos tirantes soportarán el 100% de la carga permanente mientras que en el otro soportarán el 60%. Se ha utilizado el programa de elementos finitos SAP 2000 v.17 para su modelación. Para llegar al dimensionamiento óptimo del puente extradosado, se han llevado a cabo diferentes cálculos para el predimensionamiento del pretensado, el efecto de la fluencia y el dimensionamiento final del pretensado. Llegando finalmente al coste que supondría el acero de cada una de las tipologías estudiadas.

Nuevas tendencias en el proyecto de buques cableros

Esta tesis tiene como objetivo actualizar los criterios de proyecto de los buques cableros, analizando las nuevas tendencias en el uso de este tipo de barcos. Se estudian las operaciones realizadas para la instalación y reparación de los cables submarinos. Del estudio de estas técnicas se extraen unos requisitos para el proyecto. Se comprueba cómo han evolucionado a lo largo de la historia las características de los buques cableros. Comparando esta evolución con las características necesarias extraídas del estudio de las operaciones de cables, se concluyen los aspectos fundamentales a tener en cuenta por los ingenieros navales en el proyecto de estos buques cableros. Se presentan: datos concretos para el dimensionamiento, equipamiento, distribución y disposición general; soluciones utilizadas y desarrolladas por el autor para la configuración del manejo del cable de tiro del arado submarino; y se propone una disposición general más acorde con las necesidades modernas de uso de estos barcos. Todo está basado en la experiencia del autor de más de 20 años operando buques cableros de la empresa Transoceanic Cableship Company, Ltd.1 y TE Conectivity SubCom SL (antes TEMASA2), ambas filiales de la empresa norteamericana de telecomunicaciones submarinas TE SubCom, por ello su utilidad práctica queda garantizada. ABSTRACT The goal of this thesis is to update the design criteria applied to cableships by analyzing the new trends in the use of this type of ships. The methods of procedure for the installation and repair of fiber optic submarine cables are also explored. The study of these techniques draws conclusions regarding the design requirements. The evolution of the characteristics of the cableships throughout the history is also approached. The primary aspect that has to be taken into account by the naval architect is also stated, when comparing the evolution and the necessary requirements extracted from the study of cable operations. Specific data for dimensioning, outfitting, distribution and arrangement are presented, as well as solutions found and developed by the author for the tow wire handling configuration. Furthermore, a new general arrangement more in line with the modern needs for the purpose of these ships is suggested. Everything is based in the author´s experience of over twenty years in the operation of cableships owned by Transoceanic Cableship Company Ltd. and TE Connectivity SubCom SL (formerly called TEMASA), both subsidiaries of the US based company TE SubCom. For this reason, the practical value of the study is guaranteed.

Regulation of the Actin Cytoskeleton by Thrombin in Human Endothelial Cells: Role of Rho Proteins in Endothelial Barrier Function

Endothelial barrier function is regulated at the cellular level by cytoskeletal-dependent anchoring and retracting forces. In the present study we have examined the signal transduction pathways underlying agonist-stimulated reorganization of the actin cytoskeleton in human umbilical vein endothelial cells. Receptor activation by thrombin, or the thrombin receptor (proteinase-activated receptor 1) agonist peptide, leads to an early increase in stress fiber formation followed by cortical actin accumulation and cell rounding. Selective inhibition of thrombin-stimulated signaling systems, including Gi/o (pertussis toxin sensitive), p42/p44, and p38 MAP kinase cascades, Src family kinases, PI-3 kinase, or S6 kinase pathways had no effect on the thrombin response. In contrast, staurosporine and KT5926, an inhibitor of myosin light chain kinase, effectively blocked thrombin-induced cell rounding and retraction. The contribution of Rho to these effects was analyzed by using bacterial toxins that either activate or inhibit the GTPase. Escherichia coli cytotoxic necrotizing factor 1, an activator of Rho, induced the appearance of dense actin cables across cells without perturbing monolayer integrity. Accordingly, lysophosphatidic acid, an activator of Rho-dependent stress fiber formation in fibroblasts, led to reorganization of polymerized actin into stress fibers but failed to induce cell rounding. Inhibition of Rho with Clostridium botulinum exoenzyme C3 fused to the B fragment of diphtheria toxin caused loss of stress fibers with only partial attenuation of thrombin-induced cell rounding. The implication of Rac and Cdc42 was analyzed in transient transfection experiments using either constitutively active (V12) or dominant-interfering (N17) mutants. Expression of RacV12 mimicked the effect of thrombin on cell rounding, and RacN17 blocked the response to thrombin, whereas Cdc42 mutants were without effect. These observations suggest that Rho is involved in the maintenance of endothelial barrier function and Rac participates in cytoskeletal remodeling by thrombin in human umbilical vein endothelial cells.

The metabolic implications of intracellular circulation

Two views currently dominate research into cell function and regulation. Model I assumes that cell behavior is quite similar to that expected for a watery bag of enzymes and ligands. Model II assumes that three-dimensional order and structure constrain and determine metabolite behavior. A major problem in cell metabolism is determining why essentially all metabolite concentrations are remarkably stable (are homeostatic) over large changes in pathway fluxes—for convenience, this is termed the [s] stability paradox. For muscle cells, ATP and O2 are the most perfectly homeostatic, even though O2 delivery and metabolic rate correlate in a 1:1 fashion. In total, more than 60 metabolites are known to be remarkably homeostatic in differing metabolic states. Several explanations of [s] stability are usually given by traditional model I studies—none of which apply to all enzymes in a pathway, and all of which require diffusion as the means for changing enzyme–substrate encounter rates. In contrast, recent developments in our understanding of intracellular myosin, kinesin, and dyenin motors running on actin and tubulin tracks or cables supply a mechanistic basis for regulated intracellular circulation systems with cytoplasmic streaming rates varying over an approximately 80-fold range (from 1 to >80 μm × sec−1). These new studies raise a model II hypothesis of intracellular perfusion or convection as a primary means for bringing enzymes and substrates together under variable metabolic conditions. In this view, change in intracellular perfusion rates cause change in enzyme–substrate encounter rates and thus change in pathway fluxes with no requirement for large simultaneous changes in substrate concentrations. The ease with which this hypothesis explains the [s] stability paradox is one of its most compelling features.

Identification of Two Type V Myosins in Fission Yeast, One of Which Functions in Polarized Cell Growth and Moves Rapidly in the Cell

We characterized the novel Schizosaccharomyces pombe genes myo4+ and myo5+, both of which encode myosin-V heavy chains. Disruption of myo4 caused a defect in cell growth and led to an abnormal accumulation of secretory vesicles throughout the cytoplasm. The mutant cells were rounder than normal, although the sites for cell polarization were still established. Elongation of the cell ends and completion of septation required more time than in wild-type cells, indicating that Myo4 functions in polarized growth both at the cell ends and during septation. Consistent with this conclusion, Myo4 was localized around the growing cell ends, the medial F-actin ring, and the septum as a cluster of dot structures. In living cells, the dots of green fluorescent protein-tagged Myo4 moved rapidly around these regions. The localization and movement of Myo4 were dependent on both F-actin cables and its motor activity but seemed to be independent of microtubules. Moreover, the motor activity of Myo4 was essential for its function. These results suggest that Myo4 is involved in polarized cell growth by moving with a secretory vesicle along the F-actin cables around the sites for polarization. In contrast, the phenotype of myo5 null cells was indistinguishable from that of wild-type cells. This and other data suggest that Myo5 has a role distinct from that of Myo4.

Nuevas tecnologías y participación política en tiempos de globalización

Lo primero que se encontrará el lector y lectora en este cuadernillo es una breve y esquemática aproximación o contextualización histórica al uso de las redes telemáticas en política (2). Decía Wright Mills que “muchas veces tenemos que estudiar la historia para librarnos de ella”. De esta forma, una vez enmarcados y ubicados nuestros principales protagonistas, podemos olvidarnos (temporalmente) de esa historia que los ha llevado hasta donde ahora estamos. Además, en este trabajo hemos preferido optar por ecamino empírico, aquel que busca y encuentra casos prácticos a cada paso y que iluminan la senda. Muchas teorizaciones yerran sus análisis o profecías por apresurarse a afirmar categóricamente sin mirar fuera. Nosotros hemos optado por observar de cerca y quedarnos con muchos de los procesos que están, actualmente, en marcha. Es por ello que hemos dedicado gran parte de nuestra aportación a describir algunos casos que hemos valorado como relevantes: el tipo de acceso de las organizaciones sociales a las nuevas tecnologías (3.1), las movilizaciones contra la guerra y el papel de Internet en ellas (3.2) y la aparición de un nuevo movimiento social, los hackers (3.3). A continuación introducimos una pequeña encuesta de producción propia (4) que nos permitirá comparar con otros estudios realizados y sacar alguna conclusión tal vez aventurada. Finalmente dedicamos una parte considerable del estudio (5) a eso que se ha venido denominando la antiglobalización (los movimientos de resistencia a la globalización capitalista) y, en concreto, al papel de un recurso telemático nuevo y sumamente interesante, Indymedia (6), que aparece como complemento de los movimientos antes señalados. La intención final no es otra que obtener una radiografía aproximada de qué pasa y qué se mueve por las fibras y los cables de las redes que nos surcan y surcamos.

Modelo tridimensional em elementos finitos para a análise de cabo umbilical STU submetido ao carregamento de crushing.

Este trabalho desenvolve e apresenta um modelo tridimensional em elementos finitos de um cabo umbilical do tipo STU (Steel Tube Umbilical) utilizado na extração offshore de petróleo. Tal modelo é utilizado para estudar o carregamento de crushing, que é imposto ao cabo umbilical pelas sapatas do tensionador durante o seu lançamento, de modo a obter de forma detalhada a distribuição de tensões nos componentes do núcleo, com foco nos tubos de aço utilizados para o transporte de fluidos. A metodologia empregada no desenvolvimento do modelo é descrita detalhadamente ao longo do trabalho, de forma que possa vir a ser utilizada no estudo de outras configurações de cabos umbilicais. O modelo elaborado é utilizado (i) como paradigma para a validação de um modelo bidimensional, que visa analisar o mesmo problema de forma mais simples e rápida, e (ii) para o estudo do comportamento das tensões nos tubos de aço na região de transição de entrada/saída da sapata. Na comparação entre os modelos bi e tridimensional, o trabalho conclui pela validade do modelo bidimensional na avaliação das tensões nos tubos de aço resultantes do carregamento de crushing, na região central do cabo. O estudo realizado na região de transição de entrada/saída da sapata permitiu verificar que ocorre um aumento dos níveis de tensão nos tubos de aço nessas regiões de transição, com redistribuição do campo de tensões após plastificação.

Decomposition of two types of electric wires considering the effect of the metal in the production of pollutants

Combustion runs at 700 °C in a horizontal laboratory furnace were carried out on two different electric wires (PVC and halogen-free wire). Tests were performed in the presence and in the absence of the metal conductor of the wires. The analyses of the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), chlorobenzenes (CBzs), chlorophenols (CPhs), mono- to octa-chlorodibenzo-p-dioxin and dibenzofurans (PCDD/Fs), and dioxin-like PCBs are shown. Regarding semivolatile compounds, PAHs production decreases in the presence of metal, while a higher amount of chlorinated compounds are emitted. Respect to the PCDD/Fs, the PVC wire in the presence of metal presents the highest emission, with a much more emission of furans than dioxins. The maximum emission is with 2 or 3 chlorine atom PCDD/Fs. PCBs emission correlates with PCDD/F production and represents 3–4% of total toxicity, determined by using WHO2005 factors.

Cost and leadtime estimates for improved pillar padding, automatic slack adjusters, visual brake adjustment indicators and tractor/trailer ABS connections. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Test and evaluation of the AMF, Inc. and Fairchild Industries experimental safety vehicles. Volume II. ESV program summary. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Motorcycle safety improvement. Volume I - summary report. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Motorcycle safety improvement. Volume II - technical report. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.