Estimation and inference for grasping and manipulation tasks using vision and kinesthetic sensors

This thesis presents a novel framework for state estimation in the context of robotic grasping and manipulation. The overall estimation approach is based on fusing various visual cues for manipulator tracking, namely appearance and feature-based, shape-based, and silhouette-based visual cues. Similarly, a framework is developed to fuse the above visual cues, but also kinesthetic cues such as force-torque and tactile measurements, for in-hand object pose estimation. The cues are extracted from multiple sensor modalities and are fused in a variety of Kalman filters.

A hybrid estimator is developed to estimate both a continuous state (robot and object states) and discrete states, called contact modes, which specify how each finger contacts a particular object surface. A static multiple model estimator is used to compute and maintain this mode probability. The thesis also develops an estimation framework for estimating model parameters associated with object grasping. Dual and joint state-parameter estimation is explored for parameter estimation of a grasped object's mass and center of mass. Experimental results demonstrate simultaneous object localization and center of mass estimation.

Dual-arm estimation is developed for two arm robotic manipulation tasks. Two types of filters are explored; the first is an augmented filter that contains both arms in the state vector while the second runs two filters in parallel, one for each arm. These two frameworks and their performance is compared in a dual-arm task of removing a wheel from a hub.

This thesis also presents a new method for action selection involving touch. This next best touch method selects an available action for interacting with an object that will gain the most information. The algorithm employs information theory to compute an information gain metric that is based on a probabilistic belief suitable for the task. An estimation framework is used to maintain this belief over time. Kinesthetic measurements such as contact and tactile measurements are used to update the state belief after every interactive action. Simulation and experimental results are demonstrated using next best touch for object localization, specifically a door handle on a door. The next best touch theory is extended for model parameter determination. Since many objects within a particular object category share the same rough shape, principle component analysis may be used to parametrize the object mesh models. These parameters can be estimated using the action selection technique that selects the touching action which best both localizes and estimates these parameters. Simulation results are then presented involving localizing and determining a parameter of a screwdriver.

Lastly, the next best touch theory is further extended to model classes. Instead of estimating parameters, object class determination is incorporated into the information gain metric calculation. The best touching action is selected in order to best discern between the possible model classes. Simulation results are presented to validate the theory.

Interplay of martensitic phase transformation and plastic slip in polycrystals

Inspired by key experimental and analytical results regarding Shape Memory Alloys (SMAs), we propose a modelling framework to explore the interplay between martensitic phase transformations and plastic slip in polycrystalline materials, with an eye towards computational efficiency. The resulting framework uses a convexified potential for the internal energy density to capture the stored energy associated with transformation at the meso-scale, and introduces kinetic potentials to govern the evolution of transformation and plastic slip. The framework is novel in the way it treats plasticity on par with transformation.

We implement the framework in the setting of anti-plane shear, using a staggered implicit/explict update: we first use a Fast-Fourier Transform (FFT) solver based on an Augmented Lagrangian formulation to implicitly solve for the full-field displacements of a simulated polycrystal, then explicitly update the volume fraction of martensite and plastic slip using their respective stick-slip type kinetic laws. We observe that, even in this simple setting with an idealized material comprising four martensitic variants and four slip systems, the model recovers a rich variety of SMA type behaviors. We use this model to gain insight into the isothermal behavior of stress-stabilized martensite, looking at the effects of the relative plastic yield strength, the memory of deformation history under non-proportional loading, and several others.

We extend the framework to the generalized 3-D setting, for which the convexified potential is a lower bound on the actual internal energy, and show that the fully implicit discrete time formulation of the framework is governed by a variational principle for mechanical equilibrium. We further propose an extension of the method to finite deformations via an exponential mapping. We implement the generalized framework using an existing Optimal Transport Mesh-free (OTM) solver. We then model the $\alpha$--$\gamma$ and $\alpha$--$\varepsilon$ transformations in pure iron, with an initial attempt in the latter to account for twinning in the parent phase. We demonstrate the scalability of the framework to large scale computing by simulating Taylor impact experiments, observing nearly linear (ideal) speed-up through 256 MPI tasks. Finally, we present preliminary results of a simulated Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiment using the $\alpha$--$\varepsilon$ model.

Some experiments on solving multistage stochastic mixed 0-1 programs with time stochastic dominance constraints

In this work we extend to the multistage case two recent risk averse measures for two-stage stochastic programs based on first- and second-order stochastic dominance constraints induced by mixed-integer linear recourse. Additionally, we consider Time Stochastic Dominance (TSD) along a given horizon. Given the dimensions of medium-sized problems augmented by the new variables and constraints required by those risk measures, it is unrealistic to solve the problem up to optimality by plain use of MIP solvers in a reasonable computing time, at least. Instead of it, decomposition algorithms of some type should be used. We present an extension of our Branch-and-Fix Coordination algorithm, so named BFC-TSD, where a special treatment is given to cross scenario group constraints that link variables from different scenario groups. A broad computational experience is presented by comparing the risk neutral approach and the tested risk averse strategies. The performance of the new version of the BFC algorithm versus the plain use of a state-of-the-artMIP solver is also reported.

Quantificação das células estreladas ativadas / miofibroblastos e análise da apoptose das células do fígado durante a terapia celular na fibrose hepática em ratos

A fibrose hepática é o resultado de uma resposta cicatrizante frente a repetidas lesões no fígado, e é caracterizada pelo acúmulo excessivo de proteínas da matriz extracelular (MEC) no parênquima hepático, incluindo colágeno, fibronectina, elastina, laminina e proteoglicanos, com a participação de diferentes populações celulares do fígado. As principais células responsáveis pela síntese de proteínas da MEC na fibrose hepática são as células estreladas hepáticas ativadas e os miofibroblastos, que surgem após estímulo inflamatório e são caracterizadas pela expressão de alfa-actina de músculo liso (α-SMA). Sabe-se que durante a progressão da fibrose hepática, ocorre a morte de hepatócitos e sua substituição por células fibrogênicas α-SMA+. A apoptose dessas células fibrogênicas é de grande relevância para a regressão da fibrose e regeneração hepática. Nos últimos anos, a terapia com células tronco de medula óssea tem sido utilizada para estimular a regeneração hepática em diferentes modelos experimentais e protocolos clínicos. A fração mononuclear da medula óssea adulta possui duas populações de células-tronco importantes no tratamento de diversas doenças hepáticas: células-tronco hematopoiéticas e células-tronco mesenquimais. O objetivo deste estudo foi analisar a expressão de α-SMA e o processo de apoptose de células hepáticas durante a fibrose hepática induzida por ligadura do ducto biliar (LDB) e após o transplante de células mononucleares de medula óssea (CMMO). Os fígados foram coletados de ratos dos seguintes grupos: normal, 14 dias de LDB, 21 dias de LDB e animais que receberam CMMO após 14 dias de LDB, e foram analisados após 7 dias (totalizando 21 dias de LDB). Para quantificar a expressão de α-SMA por células fibrogênicas nos grupos experimentais, foi realizada imunoperoxidase para α-SMA, seguida de morfometria no programa Image Pro Plus. Para analisar a apoptose nas células hepáticas, foi realizada imunoperoxidase e Western Blotting (WB) para caspase-3 (proteína apoptótica) e imunofluorescência com dupla-marcação para caspase-3 e α-SMA, seguida de observação em microscópio confocal. Os resultados da quantificação de α-SMA por morfometria mostraram que a expressão de α-SMA aumentou significativamente 14 e 21 dias após a LDB. Entretanto, essa expressão diminuiu significativamente no grupo tratado com CMMO, que apresentou parênquima hepático mais preservado em relação ao grupo com 21 dias de LDB. Os resultados de imunoperoxidase, WB e microscopia confocal para expressão de caspase-3 demonstraram que essa proteína diminuiu nos animais fibróticos com 14 e 21 dias de LDB com relação ao grupo normal, e estava significativamente elevada no grupo tratado com CMMO. A análise por microscopia confocal demonstrou que algumas células coexpressaram α-SMA e caspase-3 nos animais tratados com CMMO, sugerindo a morte de células fibrogênicas e remodelamento do parênquima hepático.

Defect and structural imperfection effects on the electronic properties of BiTeI surfaces

The surface electronic structure of the narrow-gap seminconductor BiTeI exhibits a large Rashba-splitting which strongly depends on the surface termination. Here we report on a detailed investigation of the surface morphology and electronic properties of cleaved BiTeI single crystals by scanning tunneling microscopy, photoelectron spectroscopy (ARPES, XPS), electron diffraction (SPA-LEED) and density functional theory calculations. Our measurements confirm a previously reported coexistence of Te- and I-terminated surface areas

Inibição do receptor de glutamato do tipo NMDA em um modelo de hipóxia-isquemia prenatal: avaliação morfofuncional do cerebelo

Lesões sistêmicas peri e pré-natais alteram o desenvolvimento do SNC, levando a problemas cognitivos e motores em crianças que podem perdurar por toda a vida. Um tipo particular de lesão é a hipóxia-isquemia (HI), caracterizada pela interrupção momentânea ou permanente do fluxo sanguíneo. Um dos mecanismos propostos para as lesões decorrentes da HI é a excitotoxicidade glutamatérgica. O uso de inibidores da neurotransmissão glutamatérgica tem sido estudados em diversos modelos de HI. Neste trabalho, avaliamos os efeitos morfofuncionais da administração de um antagonista não-competitivo do receptor de glutamato NMDA sobre o desenvolvimento do cerebelo. Ratas no 18 dia de gestação foram anestesiadas, os cornos uterinos expostos e as 4 artérias uterinas obstruídas por 45 minutos (Grupo H). Animais controle tiveram os úteros expostos, sem a obstrução (Grupo S). Após a cirurgia a gestação prosseguiu. Somente animais nascidos a termo foram utilizados. Um dia após o nascimento, metade de cada ninhada foi designada para receber MK801, 0,3mg/kg/dia, (grupos SM e HM) e a outra metade recebeu solução salina (grupos SS e HS), por 5 dias. Após anestesia e perfusão-fixação com paraformaldeído 4% aos 9, 23, 30 e 60 dias pós-natais, cortes parassagitais do cerebelo foram obtidos em criótomo e submetidos à imunohistoquímica para calbindina, GFAP, GLAST, PDGFRα e MBP. A partir de 45 dias de vida, os animais foram testados em vários de testes comportamentais: labirinto em cruz elevado (LCE), campo vazado (CV), ROTAROD, teste de caminhada sobre barras (ladder test) e teste do comprimento da passada (stride length). Aos 9 dias, a espessura da árvore dendrítica era menor nos animais SM, HS/HM, demonstrando efeitos deletérios tanto do MK801 quanto da HI. Menor número de células PDGFRα+ foi observado nos animais HS/HM, sem efeitos da administração de MK801. Aos 23 dias, maior número de células PDGFRα+ foi observado nos animais HM comparado aos outros 3 grupos, indicando efeito neuroprotetor do MK801. Nessa idade, menor número de fibras mielinizadas (MBP+) foi observada nos animais HS, e a administração de MK801 parece reverter estes efeitos. Aos 9 dias a distribuição de GLAST estava alterada nos animais HS, com os efeitos da HI parcialmente revertidos pelo MK801. Não foram observados efeitos da HI ou do MK801 sobre comportamentos relacionados a ansiedade pelo LCE, assim como na latência de queda no ROTAROD. HI piora a performance motora no ladder test. No teste do CV, não observamos efeitos da HI sobre a busca por novidade assim como sobre a atividade locomotora espontânea. No entanto, MK801 diminui comportamentos de autolimpeza e a atividade locomotora espontânea. Menor variação das passadas foi observada em decorrência da administração de MK801 no stride length, com nenhum efeito da HI. Nossos resultados demonstram que a inibição do receptor NMDA tem um efeito neuroprotetor sobre os progenitores de oligodendrócitos e mielinização, provavelmente pela manutenção da capacidade proliferativa por um período maior. A atividade do receptor NMDA exerce importante papel na diferenciação das células de Purkinje, assim como na distribuição do transportador GLAST, corroborando a importância deste receptor na gênese das lesões causadas pela HI.

[A_Llodio_Yermo] Documentación geométrica para la puesta en valor y difusión social del Santuario de Santa María del Yermo (Laudio/Llodio, Álava)

[ES] La iglesia de Santa María tiene una planta de unos 22x18 metros y cuenta con tres pórticos (sur, oeste y norte) así como una espadaña exenta. Adyacente al sudeste se encuentra la ermita de Santa Lucía. Las excavaciones arqueológicas de dos zonas de unos 6 x 3 metros en el interior y el exterior de la iglesia sirven como hilo conductor a las jornadas de puertas abiertas al público.

Interculturalidad y realidad aumentada: una colección de cuentos para trabajar en el aula

Este trabajo presenta un diagnóstico llevado a cabo en un aula de segundo de Educación Primaria con alto índice de inmigración, que se conocía con anterioridad por unas prácticas del Grado de Educación Primaria llevadas a cabo en esa escuela. A partir de los resultados de este diagnóstico se ha creado una colección de cuentos de las culturas existentes en el aula seleccionada. Además, en el cuento se integra como innovación el uso de la Realidad Aumentada y se pretende, también, fomentar entre el alumnado el gusto de la lectura desde el punto de vista intercultural, aspecto cada vez más visible en los centros de enseñanza actuales.

Bizkaiko jauntxoen inguruko herri literaturaz: Plentziako 1603ko hiru esaera zahar eta "Refranes y Sentencias"-en jatorria, eta proposamen bat Arrasateko erreketaren kantuez

[EUS] Lan honetan aurkikuntza baten berri ematen dugu: Plentziako armarri batean aurkitutako hiru euskal esaera zahar (1603) aurkezten eta hizkuntzaren eta historiaren ikuspuntutik aztertzen ditugu. Hiru esaerotatik bi «Refranes y sentencias» 1596) lanean agertzen dira, eta hori datu garrantzitsua da; izan ere, Lakarrak 1996) errefrau-bilduma anonimo horren jatorriaz egindako proposamena berresteko argudio berria da. Zehazki, Bizkaiko ipar-mendebala proposatu zuen Lakarrak bildumako errefrauen jatorri gisa. Beste alde batetik, Bizkaiko ipar-mendebaleko euskararen zenbait ezaugarri baliatuta, Arrasateko erreketari buruzko zenbait kantu eremu horretan sortu zirela proposatzen dugu —zehazki, Butroeko (Gatika) dorretxearen inguruan—, hizkuntzari dagozkion argudioak historiari buruzkoekin osatuta.

Depression of Serotonin Synaptic Transmission by the Dopamine Precursor L-DOPA

Imbalance between the dopamine and serotonin (5-HT) neurotransmitter systems has been implicated in the comorbidity of Parkinson's disease (PD) and psychiatric disorders. L-DOPA, the leading treatment of PD, facilitates the production and release of dopamine. This study assessed the action of L-DOPA on monoamine synaptic transmission in mouse brain slices. Application of L-DOPA augmented the D2-receptor-mediated inhibitory postsynaptic current (IPSC) in dopamine neurons of the substantia nigra. This augmentation was largely due to dopamine release from 5-HT terminals. Selective optogenetic stimulation of 5-HT terminals evoked dopamine release, producing D2-receptor-mediated IPSCs following treatment with L-DOPA. In the dorsal raphe, L-DOPA produced a long-lasting depression of the 5-HT1A-receptor-mediated IPSC in 5-HT neurons. When D2 receptors were expressed in the dorsal raphe, application of L-DOPA resulted in a D2-receptor-mediated IPSC. Thus, treatment with L-DOPA caused ectopic dopamine release from 5-HT terminals and a loss of 5-HT-mediated synaptic transmission.

Exibição de Propaganda Personalizada com o uso de Realidade Aumentada

É apresentado como problema atual na área de Publicidade e Propaganda a exibição de conteúdo personalizado para nichos específicos. A propaganda acaba se concentrando nos produtos de maior sucesso, tendo como foco alguns públicos-alvo previamente determinados. Assim, o estudo pretende avaliar um novo canal para exibição de propaganda em nível individual, através das perspectivas da Cauda Longa e da Realidade Aumentada (R.A.). O ponto principal desse trabalho é, portanto, mostrar a quantidade de nichos existentes e sugerir uma personalização da propaganda a um nível praticamente individual, como uma ligação direta entre produto e consumidor, usando como suporte tecnológico a R.A. A partir da análise de trabalhos de Romero Tori, Paul Milgram, Ronald Azuma, Cláudio Kirner, Robson Siscouto, Lúcia Santaella, entre outros autores, foi feita uma avaliação dos principais pontos de interesse da tecnologia de Realidade Aumentada para profissionais da área do Design. Discorrendo não só sobre suas características como também identificando problemas e questionamentos atuais, tanto para esses profissionais como para o consumidor final. A tese se enquadra na linha de pesquisa de Design e Tecnologia ao passo que os profissionais desta área de conhecimento são responsáveis diretos por pensar as formas de interação de modo que sejam mais orgânicas e intuitivas para os usuários. Existe muito trabalho a ser realizado, no tocante à Ergonomia e Usabilidade, nas soluções que usam a Realidade Aumentada, principalmente na forma como se dá a sobreposição da informação digital ao ambiente real capturado pela câmera e sua manipulação pelo indivíduo.

Dieta hiperlipídica e/ou rica em sacarose em camundongos suíços: metabolismo de carboidratos, fígado e tecido adiposo

A doença hepática gordurosa não alcoólica é uma desordem multifatorial causada principalmente por excesso nutricional e resistência à insulina, com prevalência estimada de 20-40% nos países ocidentais. A dieta hiperlipídica e/ou rica em sacarose pode influenciar no desenvolvimento da esteatose hepática associada à obesidade e a resistência à insulina. O fígado, por assumir papel central no controle metabólico, é um órgão alvo nos casos de excesso alimentar, ocasionando, principalmente, acúmulo de gotículas de gordura nos hepatócitos. Este trabalho teve como objetivo avaliar o início das alterações morfológicas e metabólicas no fígado e no tecido adiposo de camundongos suíços machos alimentados com dieta hiperlipídica e/ou rica em sacarose. Camundongos suíços machos aos três meses de idade foram divididos em quatro grupos nutricionais: dieta padrão (SC), dieta hiperlipídica (HF), dieta rica em sacarose (HSu) e dieta hiperlipídica rica em sacarose (HFHSu). Os animais receberam as respectivas dietas durante quatro semanas. A massa corporal, a ingestão alimentar e a tolerância oral à glicose foram avaliados. Ao sacrifício, o fígado e os depósitos de gordura corporal foram removidos e processados para análises histomorfométricas e moleculares. As amostras de sangue foram obtidas para análises bioquímicas plasmáticas. Os dados foram expressos como média e erro padrão da média e as diferenças foram testadas por one-way ANOVA com pós-teste de Holm-Sidak, e foi considerado o nível de significância de p<0,05. Os grupos HF e HFHSu apresentaram-se mais pesados quando comparados aos grupos SC e HSu. Os animais dos grupos HF, HSu e HFHSu apresentaram intolerância à glicose, esteatose hepática e aumento de triglicerídeos hepáticos quando comparados ao grupo SC (p<0,0005). Adicionalmente, houve elevação na expressão hepática das proteínas transportador de glicose 2 (GLUT-2), proteína de ligação ao elemento regulador do esterol 1-c (SREBP1-c), fosfoenolpiruvato carboxiquinase (PEPCK), glicose -6- fosfatase (G6PASE), substrato do receptor da insulinaI-1 (IRS-1) e proteína quinase B (AKt/ou PKB) e redução da expressão no fígado do receptor ativador de proliferação peroxissomal (PPAR-α) nos grupos experimentais em comparação com o grupo SC (p<0,0005). A administração de dieta hiperlipídica e/ou rica em sacarose promoveu intolerância à glicose e danos hepáticos (hepatomegalia, esteatose, redução da beta-oxidação, aumento na lipogênese e na produção de glicose) em camundongos machos adultos.

Reported Trip Costs, Gross Revenues, and Net Returns for U.S. Atlantic Pelagic Longline Vessels

Logbook set and trip summary data (containing catch and cost information, respectively) collected by NOAA’s National Marine Fisheries Service (NMFS) were analyzed for U.S. pelagic longline vessels that participated in Atlantic fisheries in 1996. These data were augmented with vessel information from the U.S. Coast Guard. Mean fish weights and ex-vessel prices from NMFS observers and licensed seafood dealers, respectively, were used to estimate gross revenues. Comparisons revealed that net returns varied substantially by vessel size and fishing behavior (i.e. sets per trip, fishing location, season, and swordfish targeting). While the calculated economic effects of proposed regulations will depend on the descriptive statistic chosen for analysis, which itself depends on the type of analysis being conducted, results show that considering heterogeneity within this fleet can have a significant effect on predicted economic consequences.

The Origins of New Zealand's Chinook Salmon, Oncorhynchus tshawytscha

Chinook salmon, Oncorhynchus tshawytscha, are well established as anadromous and landlocked runs in New Zealand. Ova introductions during the 1870's (probably from the McCloud River, California, U.S.A.), failed to generate anadromous stocks, but further introductions offall-run salmon ova from hatcheries in California's Sacramento River basin in the early 1900's were successful and formed the basis for existing runs. The first batch of ova in the 1900's consignments originated from Battle Creek, a Sacramento River tributary, but the explicit source of later batches is not known. It seems likely that the successful runs stem from the second batch (1903 brood year-1904 consignment in New Zealand), probably augmented by returns from later importations.

A Zona do Euro e a Teoria de Áreas Monetárias Ótimas: uma análise utilizando um Vetor Autorregressivo Aumentado por Fatores Dinâmicos (FAVAR)

Este trabalho tem como objetivos analisar as semelhanças das respostas dos países da Zona do Euro aos choques na política monetária e no câmbio (identificados através de restrições de sinais nas funções impulso-resposta) e investigar a simetria das flutuações na taxa de crescimento do nível de atividade na região através da análise da importância relativa da resposta do crescimento do PIB destes países aos choques comum e específico identificados pelo modelo FAVAR utilizado, que foi estimado através de um método Bayesiano desenvolvido para incorporar prioris de Litterman (1986). A importância do choque comum (relativamente ao específico) nos diversos países, fornece uma medida do grau de integração dos diversos membros da Zona do Euro. O trabalho contribui para a análise do grau de integração dos países da Zona do Euro ao utilizar uma metodologia que permite o uso de um amplo conjunto de variáveis e ao identificar o grau de simetria das flutuações na taxa de crescimento do nível de atividade dos membros da região através da identificação dos choques comuns e específicos. Foram utilizados dados trimestrais de 1999.I a 2013.I para os 17 países da região. Os resultados encontrados apontam para a existência de uma maior integração entre as grandes economias da Zona do Euro ( com exceção da França) e uma integração menor para as menores economias (com exceção da Finlândia).