Passive and Active Grasping with a Prehensile Robot End-Effector

This report presents a design of a new type of robot end-effector with inherent mechanical grasping capabilities. Concentrating on designing an end-effector to grasp a simple class of objects, cylindrical, allowed a design with only one degree of actuation. The key features of this design are high bandwidth response to forces, passive grasping capabilities, ease of control, and ability to wrap around objects with simple geometries providing form closure. A prototype of this mechanism was built to evaluate these features.

Passive Dynamics in the Control of Gymnastic Maneuvers

The control of aerial gymnastic maneuvers is challenging because these maneuvers frequently involve complex rotational motion and because the performer has limited control of the maneuver during flight. A performer can influence a maneuver using a sequence of limb movements during flight. However, the same sequence may not produce reliable performances in the presence of off-nominal conditions. How do people compensate for variations in performance to reliably produce aerial maneuvers? In this report I explore the role that passive dynamic stability may play in making the performance of aerial maneuvers simple and reliable. I present a control strategy comprised of active and passive components for performing robot front somersaults in the laboratory. I show that passive dynamics can neutrally stabilize the layout somersault which involves an "inherently unstable" rotation about the intermediate principal axis. And I show that a strategy that uses open loop joint torques plus passive dynamics leads to more reliable 1 1/2 twisting front somersaults in simulation than a strategy that uses prescribed limb motion. Results are presented from laboratory experiments on gymnastic robots, from dynamic simulation of humans and robots, and from linear stability analyses of these systems.

Mission control system for dam inspection with an AUV

This paper presents a complete control architecture that has been designed to fulfill predefined missions with an autonomous underwater vehicle (AUV). The control architecture has three levels of control: mission level, task level and vehicle level. The novelty of the work resides in the mission level, which is built with a Petri network that defines the sequence of tasks that are executed depending on the unpredictable situations that may occur. The task control system is composed of a set of active behaviours and a coordinator that selects the most appropriate vehicle action at each moment. The paper focuses on the design of the mission controller and its interaction with the task controller. Simulations, inspired on an industrial underwater inspection of a dam grate, show the effectiveness of the control architecture

Propiedades psicométricas de la versión al español del cuestionario “Barriers to Being Active Quiz”, entre estudiantes universitarios de Colombia

Objetivo: El cuestionario Barriers to Being Active Quiz (BBAQ), indaga las barreras para ser físicamente activo. El cuestionario fue traducido al español por el mismo equipo que desarrolló la versión inglésa original, pero carece de estudios de validez en la versión española. El objetivo de esta investigación fue evaluar las propiedades psicométricas del BBAQ (en la versión completa de 21 ítems), centrándose en la fiabilidad y validez. Material y métodos: Un total de 2.634 (1.462 mujeres y 1.172 varones; 18-30 años de edad) estudiantes universitarios completaron el cuestionario BBAQ-21. El alfa de Crombach se estimó como indicador de consistencia interna. El coeficiente de correlación intra-clase (CCI) y el grado de acuerdo se calcularon para evaluar la estabilidad temporal con un periodo de 7 días entre ambas administraciones como estimadores de la reproducibilidad. Se aplicó un análisis factorial exploratorio (AFE) y confirmatorio (AFC) para analizar la validez del BBAQ-21 ítems. Resultados: El BBAQ-21 mostró valores de un alfa de Cronbach entre 0,812 y 0,844 y un CCI entre el 0,46 y 0,87. El porcentaje de acuerdo por todos los conceptos individuales varió de 45 a 80%. El AFE determinó cuatro factores que explicaron el 52,90% de la varianza y el AFC mostró moderadas cargas factoriales. Conclusiones: Los resultados obtenidos en este cuestionario avalan la utilización de este instrumento con este tipo de muestra, desde el punto de vista de la fiabilidad y validez. El BBAQ-21 está disponible para evaluar las barreras para la actividad física en América Latina.

Automatic generation of active coordinates for quantum dynamics calculations: application to the dynamics of benzene photochemistry

A new practical method to generate a subspace of active coordinates for quantum dynamics calculations is presented. These reduced coordinates are obtained as the normal modes of an analytical quadratic representation of the energy difference between excited and ground states within the complete active space self-consistent field method. At the Franck-Condon point, the largest negative eigenvalues of this Hessian correspond to the photoactive modes: those that reduce the energy difference and lead to the conical intersection; eigenvalues close to 0 correspond to bath modes, while modes with large positive eigenvalues are photoinactive vibrations, which increase the energy difference. The efficacy of quantum dynamics run in the subspace of the photoactive modes is illustrated with the photochemistry of benzene, where theoretical simulations are designed to assist optimal control experiments

Caracterització de metabòlits produïts per soques de "Pseudomonas fluorescens" efectives en el control biològic de fongs fitopatògens

El principal objectiu d'aquest treball ha estat estudiar la producció de metabòlits amb activitat antibiòtica per soques de l'espècie Pseudomonas fluorescens de la col·lecció EPS, i també avaluar la seva potencialitat com a agents de biocontrol. Es va disposar també de diverses soques de P. fluorescens, cedides per altres investigadors, que van utilitzar-se com a referència perquè algunes són actives en control biològic i produeixen metabòlits secundaris d'interès en el biocontrol de malalties de plantes. La present memòria s'estructura en cinc capítols, que són, introducció al control biològic, descripció de l'etapa de selecció de soques i cerca dels metabòlits produïts, estudi de la producció d'HCN per la soca EPS288, estudi de la producció de l'antibiòtic 2,4-diacetilfloroglucinol (DAPG), i finalment, el darrer capítol, on s'ha estudiat la producció de DAPG sobre material vegetal i la capacitat de colonitzar arrels per diverses soques d'interès. En l'etapa de prospecció, va demostrar-se que un 37% del total de les soques de la col·lecció EPS produïen HCN, totes de l'espècie P. fluorescens, i un 90% d'aquestes provenien de les arrels de plantes. Es va confirmar la producció dels metabòlits secundaris 2,4-diacetilfloroglucinol, àcid fenazina-1-carboxílic, i pirrolnitrina, per diverses soques de la col·lecció EPS seleccionades mitjançant tècniques moleculars. Així, de la col·lecció EPS, les soques EPS317 i EPS808 produeixen DAPG, la EPS263 àcid fenazina-1-carboxílic i pirrolnitrina i, EPS894, EPS895, EPS945 produeixen àcid fenazina-1-carboxílic. La producció d'HCN es va estudiar més exhaustivament en la soca EPS288, seleccionada per la seva activitat antifúngica i candidata a agent de biocontrol contra Stemphylium vesicarium, causant de la estemfiliosi de la perera, i contra Penicillium expansum, causant de la podridura blava en conservació de fruita a postcollita. Per aquest estudi, es va dissenyar i validar un sistema per recollir l'HCN a partir de cultius en medi líquid. S'ha demostrat que la temperatura d'incubació, la concentració cel·lular de sembra i la composició del medi de cultiu afectaven a la producció d'HCN. Els medis complexos i la glicina n'afavorien la síntesi i la font de carboni no afectava. La soca EPS288 va produir més HCN que P. fluorescens CHA0, soca de referència productora d'HCN i descrita com a activa en processos de biocontrol de fongs fitopatògens. En l'estudi de la producció de DAPG, les soques de la col·lecció EPS i de referència, es van comparar en diversos medis de cultiu estudiant l'efecte de la complexitat i consistència del medi, i l'addició de ferro o de glucosa. Va demostrar-se que la producció de DAPG depèn principalment de la soca i de les característiques del medi de cultiu. La glucosa estimula la producció, mentre que el ferro pràcticament no afecta, i en general, el medi sòlid i complex estimula la producció de DAPG. Tanmateix, aquests efectes varien en alguna de les soques assajades donant lloc a comportaments singulars. En el seguiment del creixement amb un sistema automàtic es va comprovar que la velocitat específica de creixement i la concentració cel·lular assolida al final del cultiu, estaven condicionades per la composició del medi de cultiu. En les proves d'antagonisme vers fitopatògens que foren seleccionats com a indicadors, va observar-se que tant l'antagonisme in vitro com la inhibició d'infeccions sobre material vegetal estaven parcialment relacionades amb la producció dels metabòlits secundaris estudiats. La promoció del creixement de portaempelts per aquestes soques depenia de la soca i de l'hoste, però no es pogué establir una relació causa-efecte amb el metabòlits produïts. També es va comprovar que algunes de les soques podien sobreviure en ferides de pomes i de peres, on produïren DAPG. Mutants resistents a rifampicina de diverses soques de la col·lecció EPS i de referència es van inocular en llavors de pomera i de tomatera que es van sembrar i incubar en condicions controlades. Es va fer el seguiment de la població bacteriana total i resistent a rifampicina present a les arrels durant 72 dies. Totes les soques van colonitzar les arrels de les plantes, mantenint una elevada població durant 37 dies, cap d'elles va estimular el creixement ni mostrar efectes fitotòxics, no afectant tampoc signicativament a la població bacteriana espontània de les arrels. La soca EPS808, una de les seleccionades pel treball, va aconseguir uns nivells de producció de DAPG, una velocitat de creixement i una supervivència relativa a les arrels similar a altres soques de referència descrites com a bons agents de biocontrol. En conseqüència, se la considera una candidata a agent de biocontrol que hauria de ser objecte de futurs estudis d'eficàcia.

Development of molecular monitoring methods and assessment of the environmental fate of the biological control agent of fire blight Pseudomonas fluorescens EPS62e

Pseudomonas fluorescens EPS62e es va seleccionar com a agent de biocontrol del foc bacterià per la seva eficàcia en el control de Erwinia amylovora. En aquest treball es van desenvolupar mètodes de traçabilitat que van permetre la seva detecció específica i quantificació. Mitjançant les tècniques RAPD i U-PCR es van obtenir fragments d'amplificació diferencial per EPS62e que es van seqüenciar i caracteritzar com marcadors SCAR per dissenyar una PCR en temps real. La PCR a temps real es va utilitzar simultàniament amb mètodes microbiològics per estudiar l'adaptabilitat epifítica de EPS62e en pomera i perera. L'ús combinat de mètodes microbiològics i moleculars va permetre la identificació de tres estats fisiològics de EPS62e: la colonització activa, l'entrada en un estat de viable però no cultivable, i la mort cel·lular. Aquest treball mostra que EPS62e està ben adaptada a la colonització de flors a camp, encoratjant la seva utilització dins d'una estratègia de control biològic contra el foc bacterià.

Image segmentation integrating colour, texture and boundary information

La tesis se centra en la Visión por Computador y, más concretamente, en la segmentación de imágenes, la cual es una de las etapas básicas en el análisis de imágenes y consiste en la división de la imagen en un conjunto de regiones visualmente distintas y uniformes considerando su intensidad, color o textura. Se propone una estrategia basada en el uso complementario de la información de región y de frontera durante el proceso de segmentación, integración que permite paliar algunos de los problemas básicos de la segmentación tradicional. La información de frontera permite inicialmente identificar el número de regiones presentes en la imagen y colocar en el interior de cada una de ellas una semilla, con el objetivo de modelar estadísticamente las características de las regiones y definir de esta forma la información de región. Esta información, conjuntamente con la información de frontera, es utilizada en la definición de una función de energía que expresa las propiedades requeridas a la segmentación deseada: uniformidad en el interior de las regiones y contraste con las regiones vecinas en los límites. Un conjunto de regiones activas inician entonces su crecimiento, compitiendo por los píxeles de la imagen, con el objetivo de optimizar la función de energía o, en otras palabras, encontrar la segmentación que mejor se adecua a los requerimientos exprsados en dicha función. Finalmente, todo esta proceso ha sido considerado en una estructura piramidal, lo que nos permite refinar progresivamente el resultado de la segmentación y mejorar su coste computacional. La estrategia ha sido extendida al problema de segmentación de texturas, lo que implica algunas consideraciones básicas como el modelaje de las regiones a partir de un conjunto de características de textura y la extracción de la información de frontera cuando la textura es presente en la imagen. Finalmente, se ha llevado a cabo la extensión a la segmentación de imágenes teniendo en cuenta las propiedades de color y textura. En este sentido, el uso conjunto de técnicas no-paramétricas de estimación de la función de densidad para la descripción del color, y de características textuales basadas en la matriz de co-ocurrencia, ha sido propuesto para modelar adecuadamente y de forma completa las regiones de la imagen. La propuesta ha sido evaluada de forma objetiva y comparada con distintas técnicas de integración utilizando imágenes sintéticas. Además, se han incluido experimentos con imágenes reales con resultados muy positivos.

Quantified real constraint solving using modal intervals with applications to control

Les restriccions reals quantificades (QRC) formen un formalisme matemàtic utilitzat per modelar un gran nombre de problemes físics dins els quals intervenen sistemes d'equacions no-lineals sobre variables reals, algunes de les quals podent ésser quantificades. Els QRCs apareixen en nombrosos contextos, com l'Enginyeria de Control o la Biologia. La resolució de QRCs és un domini de recerca molt actiu dins el qual es proposen dos enfocaments diferents: l'eliminació simbòlica de quantificadors i els mètodes aproximatius. Tot i això, la resolució de problemes de grans dimensions i del cas general, resten encara problemes oberts. Aquesta tesi proposa una nova metodologia aproximativa basada en l'Anàlisi Intervalar Modal, una teoria matemàtica que permet resoldre problemes en els quals intervenen quantificadors lògics sobre variables reals. Finalment, dues aplicacions a l'Enginyeria de Control són presentades. La primera fa referència al problema de detecció de fallades i la segona consisteix en un controlador per a un vaixell a vela.

A genetic algorithm for the design of a fuzzy controller for active queue management

Active queue management (AQM) policies are those policies of router queue management that allow for the detection of network congestion, the notification of such occurrences to the hosts on the network borders, and the adoption of a suitable control policy. This paper proposes the adoption of a fuzzy proportional integral (FPI) controller as an active queue manager for Internet routers. The analytical design of the proposed FPI controller is carried out in analogy with a proportional integral (PI) controller, which recently has been proposed for AQM. A genetic algorithm is proposed for tuning of the FPI controller parameters with respect to optimal disturbance rejection. In the paper the FPI controller design metodology is described and the results of the comparison with random early detection (RED), tail drop, and PI controller are presented.

Mapping and controlling molecular processes: The application of control theory and system identification algorithms to ASOPS and other fast pulse spectroscopies

Asynchronous Optical Sampling (ASOPS) [1,2] and frequency comb spectrometry [3] based on dual Ti:saphire resonators operated in a master/slave mode have the potential to improve signal to noise ratio in THz transient and IR sperctrometry. The multimode Brownian oscillator time-domain response function described by state-space models is a mathematically robust framework that can be used to describe the dispersive phenomena governed by Lorentzian, Debye and Drude responses. In addition, the optical properties of an arbitrary medium can be expressed as a linear combination of simple multimode Brownian oscillator functions. The suitability of a range of signal processing schemes adopted from the Systems Identification and Control Theory community for further processing the recorded THz transients in the time or frequency domain will be outlined [4,5]. Since a femtosecond duration pulse is capable of persistent excitation of the medium within which it propagates, such approach is perfectly justifiable. Several de-noising routines based on system identification will be shown. Furthermore, specifically developed apodization structures will be discussed. These are necessary because due to dispersion issues, the time-domain background and sample interferograms are non-symmetrical [6-8]. These procedures can lead to a more precise estimation of the complex insertion loss function. The algorithms are applicable to femtosecond spectroscopies across the EM spectrum. Finally, a methodology for femtosecond pulse shaping using genetic algorithms aiming to map and control molecular relaxation processes will be mentioned.

The role of visual and nonvisual information in the control of locomotion

During locomotion, retinal flow, gaze angle, and vestibular information can contribute to one's perception of self-motion. Their respective roles were investigated during active steering: Retinal flow and gaze angle were biased by altering the visual information during computer-simulated locomotion, and vestibular information was controlled through use of a motorized chair that rotated the participant around his or her vertical axis. Chair rotation was made appropriate for the steering response of the participant or made inappropriate by rotating a proportion of the veridical amount. Large steering errors resulted from selective manipulation of retinal flow and gaze angle, and the pattern of errors provided strong evidence for an additive model of combination. Vestibular information had little or no effect on steering performance, suggesting that vestibular signals are not integrated with visual information for the control of steering at these speeds.

Eye-movements aid the control of locomotion

Eye-movements have long been considered a problem when trying to understand the visual control of locomotion. They transform the retinal image from a simple expanding pattern of moving texture elements (pure optic flow), into a complex combination of translation and rotation components (retinal flow). In this article we investigate whether there are measurable advantages to having an active free gaze, over a static gaze or tracking gaze, when steering along a winding path. We also examine patterns of free gaze behavior to determine preferred gaze strategies during active locomotion. Participants were asked to steer along a computer-simulated textured roadway with free gaze, fixed gaze, or gaze tracking the center of the roadway. Deviation of position from the center of the road was recorded along with their point of gaze. It was found that visually tracking the middle of the road produced smaller steering errors than for fixed gaze. Participants performed best at the steering task when allowed to sample naturally from the road ahead with free gaze. There was some variation in the gaze strategies used, but sampling was predominantly of areas proximal to the center of the road. These results diverge from traditional models of flow analysis.

Reach & grasp therapy: Design and control of a 9-DOF robotic neuro-rehabilitation system

This paper presents the Gentle/G integrated system for reach & grasp therapy retraining following brain injury. The design, control and integration of an experimental grasp assistance unit is described for use in robot assisted stroke rehabilitation. The grasp assist unit is intended to work with the hardware and software of the Gentle/S robot although the hardware could be adapted to other rehabilitation applications. When used with the Gentle/S robot a total of 6 active and 3 passive degrees of freedom are available to provide active, active assist or passive grasp retraining in combination with reaching movements in a reach-grasp-transfer-release sequence.

Virtual reality Post Traumatic Stress Disorder (PTSD) exposure therapy results with active duty Iraq war combatants

Post Traumatic Stress Disorder (PTSD) is reported to be caused by traumatic events that are outside the range of usual human experience including (but not limited to) military combat, violent personal assault, being kidnapped or taken hostage and terrorist attacks. Initial data suggests that at least 1 out of 6 Iraq War veterans are exhibiting symptoms of depression, anxiety and PTSD. Virtual Reality (VR) delivered exposure therapy for PTSD has been used with reports of positive outcomes. The aim of the current paper is to present the rationale and brief description of a Virtual Iraq PTSD VR therapy application and present initial findings from its use with PTSD patients. Thus far, Virtual Iraq consists of a series of customizable virtual scenarios designed to represent relevant Middle Eastern VR contexts for exposure therapy, including a city and desert road convoy environment. User-centered design feedback needed to iteratively evolve the system was gathered from returning Iraq War veterans in the USA and from a system deployed in Iraq and tested by an Army Combat Stress Control Team. Results from an open clinical trial at San Diego Naval Medical Center of the first 18 treatment completers indicate that 14 no longer meet PTSD diagnostic criteria at post-treatment, with only one not maintaining treatment gains at 3 month follow-up. Clinical tests are also currently underway at Ft. Lewis, Emory University, Weill Cornell Medical College, Walter Reed Army Medical Center and 10 other sites. Other sites are preparing to use the application for a variety of PTSD and VR research purposes.