Kinematic analysis of a novel 2-d.o.f. orientation device

This paper presents the development of a new parallel robot designed for helping with bone milling surgeries. The robot is a small modular wrist with 2 active degrees of freedom, and it is proposed to be used as an orientation device located at the end of a robotic arm designed for bone milling processes. A generic kinematic geometry is proposed for this device. This first article shows the developments on the workspace optimization and the analysis of the force field required to complete a reconstruction of the inferior jawbone. The singularities of the mechanism are analyzed, and the actuator selection is justified with the torque requirements and the study of the force space. The results obtained by the simulations allow building a first prototype using linear motors. Bone milling experiment video is shown as additional material.

The morphofunctional approach to emotion modelling in robotics

In this conceptual paper, we discuss two areas of research in robotics, robotic models of emotion and morphofunctional machines, and we explore the scope for potential cross-fertilization between them. We shift the focus in robot models of emotion from information-theoretic aspects of appraisal to the interactive significance of bodily dispositions. Typical emotional phenomena such as arousal and action readiness can be interpreted as morphofunctional processes, and their functionality may be replicated in robotic systems with morphologies that can be modulated for real-time adaptation. We investigate the control requirements for such systems, and present a possible bio-inspired architecture, based on the division of control between neural and endocrine systems in humans and animals. We suggest that emotional epi- sodes can be understood as emergent from the coordination of action control and action-readiness, respectively. This stress on morphology complements existing research on the information-theoretic aspects of emotion.

Análisis de interfaces basadas en movimientos de iris y de cabeza para personas con parálisis cerebral

Este documento es la memoria final del trabajo de fin de Máster para optar al título de Máster en Ingeniería de Sistemas Electrónicos. El trabajo lleva por nombre “Análisis de interfaces basadas en movimientos de iris y de cabeza para personas con parálisis cerebral”. Ha sido desarrollado por el Ing. Alejandro Clemotte bajo la supervisión del Dr. Rafael Raya, Dr. Ramón Ceres y el Dr. Ricardo de Cordoba en el periodo 2011-2013. El trabajo ha sido desarrollado en las instalaciones del grupo de bioingeniería del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (GBIO-CSIC) [1] en el marco de desarrollo del Máster en Ingeniería de Sistemas Electrónicos de la Universidad Politécnica de Madrid. Los avances tecnológicos permiten mejorar la calidad de vida de las personas. Sin embargo en ocasiones, la tecnología no se encuentra al alcance de todos los seres humanos ya que quienes padecen de limitaciones motrices, auditivas, del habla, etc., no pueden acceder a estos beneficios por la falta de interfaces adaptadas a las capacidades de estos colectivos menores. En particular el ordenador es una herramienta tecnológica que permite realizar infinitud de tareas, tanto sociales, de rehabilitación, del tipo lúdicas, etc. [2], difícilmente accesible para personas con capacidades limitadas. Es por ello importante el desarrollo de esfuerzos que permitan la construcción de herramientas de acceso universal. El trabajo realizado consiste en estudiar de forma práctica el desempeño de personas con parálisis cerebral y sin discapacidad mientras que estas realizan tareas de alcance al objetivo. Las tareas serán realizadas con dos interfaces alternativas al ordenador. Se analizaran las limitaciones técnicas de cada una de ellas mediante la definición de métricas especiales y se realizará una propuesta conceptual para la reducción de tales limitaciones, con el fin de mejorar la accesibilidad del computador para el grupo de personas con discapacidad. Calificación del tribunal: 10 con matrícula de honor

Modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados.

En años recientes, se han realizado algunos esfuerzos para equipar a robots submarinos con impulsores vectorizados. Este sistema de propulsión permite el uso de una menor cantidad de impulsores, esto a su vez tiene consecuencias favorables en el volumen y costo del robot a medida que una mayor potencia de propulsión es requerida. El propósito de esta tesis es realizar un estudio sobre el modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados. De esta manera exponer los aspectos más importantes relativos a estos puntos, y proponer soluciones a los problemas que plantea la arquitectura de estos robots. En esta tesis se tomo como objeto de estudio el robot Remo 2, cuya estructura paralela representa una gran parte del volumen del robot y esto hace que su análisis sea el más complejo que se pueda tener en los robots de esta categoría. El diseño de este robot es un concepto radicalmente diferente al de los robots submarinos convencionales. Sus características son prometedoras, pero para poder sacar provecho de estas potencialidades es necesario un entendimiento de la dinámica del robot. En este trabajo se presenta el desarrollo y análisis de modelos analíticos, y el desarrollo de herramientas de simulación para este robot. El propósito de estas herramientas es identificar las oportunidades y restricciones impuestas por la estructura y la dinámica del vehículo. Se presenta el planteamiento (y solución) de los problemas cinemático y dinámico inverso para un robot submarino de estructura paralela. Por otro lado, se demostró por primera vez el funcionamiento del concepto del robot submarino a través de una herramienta de simulación. Haciendo uso de esta herramienta se exploro el desempeño del robot bajo diversos esquemas de control, se encontró que el robot es capaz de ejecutar con éxito diversas maniobras empleando controladores clásicos. Se presento un controlador basado en el modelo del robot y se demostró sus ventajas. Posteriormente se presento un apartado cuyo propósito es exponer aspectos importantes sobre el diseño de este tipo de robots, sobre todo aquellos que influyen en su desempeño cinetostático. Se plantea el problema del diseño óptimo de un robot tipo Remo 2, y se proponen un par de índices de desempeño globales. Otra contribución fue, en condición de coautoría, el diseño y análisis de una nueva estructura paralela la cual no ha sido considerada anteriormente en la literatura.

Rediseño del marco de siembra en el cultivo de maíz forrajero

El marco de siembra tradicional del maíz forrajero está condicionado por el ancho de las ruedas del tractor, en el cual la separación entre filas de siembra es cinco veces la separación entre plantas, lo que genera una baja competencia con malas hierbas ya que el cultivo tarda mucho tiempo en cubrir completamente el suelo. Los nuevos prototipos de micromáquinas que se están diseñando para los tratamientos herbicidas de post-emergencia en maíz facilitarían la modificación del marco de siembra. El objetivo de este ensayo ha sido comprobar la eficacia de nuevos marcos de siembra de maíz forrajero, habiéndose estudiado su respuesta en Madrid y Copenhague.

Desarrollo de una Interfaz de sustitución sensorial para el estudio de la percepción del flujo vibrotáctil (retina táctil)

En el presente trabajo fin de máster se ha concebido, diseñado e utilizado una interfaz háptica, adecuada para ser utilizada como dispositivo de sustitución sensorial, la cual hemos llamado retina táctil. Por cuanto trata de proporcionar información propia del sentido de la vista a través del sentido del tacto. Durante este trabajo, que fue desarrollado en el grupo de robótica y cibernética CAR UPM-CSIC, se ha trabajado en estrecha colaboración con el departamento de la facultad de psicología de la universidad autónoma de Madrid, los cuales han definido las bases de la información de alto orden, como podrían ser, gradientes de intensidades de vibración, mediante las cuales el individuo llega a tener una mejor comprensión del ambiente. El proyecto maneja teorías psicológicas recientes, como las teorías ecológicas y dinámicas que entienden que la percepción se basa en variables informacionales de alto orden. Ejemplos de tales variables son el flujo óptico, gradientes de movimiento, gradientes de intensidades, cambios en gradientes, etc. Sorprendentemente, nuestra percepción visual es mucho más sensible a variables de alto orden que a variables de bajo orden, lo cual descarta que variables de alto orden se infieran o calculen en base a variables de bajo orden. La hipótesis que maneja la teoría ecológica es que las variables de alto orden se detectan como unidades básicas, sin descomponerlas en variables de bajo orden. Imaginemos el caso de un objeto acercándose, intuitivamente pensaríamos que calculamos la distancia y la velocidad del objeto para determinar el momento en el cual este nos impactaría, ¿pero es este realmente el modo en el que actúa nuestro cerebro?, ¿no seremos capaces en determinar directamente el tiempo de contacto como una variable de alto orden presente en el entorno?, por ejemplo, determinar directamente la relación entre el tamaño del objeto y la tasa de crecimiento. También cabe preguntarse si todas estas suposiciones son válidas para estimulaciónes a través de los receptores táctiles en la piel. El dispositivo desarrollado está conformado por 13 módulos cada uno de los cuales maneja 6 tactores o vibradores, para hacer un total de 78 vibradores (ampliables al agregar módulos adicionales), cada uno de los tactores tiene 8mm de diámetro y proporciona información del flujo óptico asociado al entorno que rodea al usuario a través de información táctil, él mismo puede ser utilizado inalámbricamente a pesar de que el procesamiento de los datos se este realizando en una computadora de mesa, lo cual es muy útil al trabajar con ambientes virtuales. También se presenta la integración de la interfaz con el sistema operativo de robots ROS para usarlo en conjunto con las librerías que han sido desarrolladas para el control de la cámara Microsoft Kinect con la cual se puede obtener una matriz de distancias de puntos en el espacio, permitiendo de esta manera utilizar la interfaz en ambientes reales. Finalmente se realizaron experimentos para comprobar hipótesis sobre la variable de percepción del tiempo de contacto además de verificar el correcto funcionamiento del dispositivo de sustitución sensorial tanto en ambientes reales como en ambientes simulados así como comprobar hipótesis sobre la validéz del uso del flujo vibrotáctil para la determinación del tiempo de contacto.

Improving automatic detection of obstructive sleep apnea through nonlinear analysis of sustained speech

We present a novel approach for the detection of severe obstructive sleep apnea (OSA) based on patients' voices introducing nonlinear measures to describe sustained speech dynamics. Nonlinear features were combined with state-of-the-art speech recognition systems using statistical modeling techniques (Gaussian mixture models, GMMs) over cepstral parameterization (MFCC) for both continuous and sustained speech. Tests were performed on a database including speech records from both severe OSA and control speakers. A 10 % relative reduction in classification error was obtained for sustained speech when combining MFCC-GMM and nonlinear features, and 33 % when fusing nonlinear features with both sustained and continuous MFCC-GMM. Accuracy reached 88.5 % allowing the system to be used in OSA early detection. Tests showed that nonlinear features and MFCCs are lightly correlated on sustained speech, but uncorrelated on continuous speech. Results also suggest the existence of nonlinear effects in OSA patients' voices, which should be found in continuous speech.

Design and modeling of the multi-agent robotic system: SMART

This article presents the design, kinematic model and communication architecture for the multi-agent robotic system called SMART. The philosophy behind this kind of system requires the communication architecture to contemplate the concurrence of the whole system. The proposed architecture combines different communication technologies (TCP/IP and Bluetooth) under one protocol designed for the cooperation among agents and other elements of the system such as IP-Cameras, image processing library, path planner, user Interface, control block and data block. The high level control is modeled by Work-Flow Petri nets and implemented in C++ and C♯♯. Experimental results show the performance of the designed architecture.

A practical approach for outdoors distributed target localization in wireless sensor networks

Wireless sensor networks are posed as the new communication paradigm where the use of small, low-complexity, and low-power devices is preferred over costly centralized systems. The spectra of potential applications of sensor networks is very wide, ranging from monitoring, surveillance, and localization, among others. Localization is a key application in sensor networks and the use of simple, efficient, and distributed algorithms is of paramount practical importance. Combining convex optimization tools with consensus algorithms we propose a distributed localization algorithm for scenarios where received signal strength indicator readings are used. We approach the localization problem by formulating an alternative problem that uses distance estimates locally computed at each node. The formulated problem is solved by a relaxed version using semidefinite relaxation technique. Conditions under which the relaxed problem yields to the same solution as the original problem are given and a distributed consensusbased implementation of the algorithm is proposed based on an augmented Lagrangian approach and primaldual decomposition methods. Although suboptimal, the proposed approach is very suitable for its implementation in real sensor networks, i.e., it is scalable, robust against node failures and requires only local communication among neighboring nodes. Simulation results show that running an additional local search around the found solution can yield performance close to the maximum likelihood estimate.

Performance assessment of a kinetically-powered network for herd localization

Developing a herd localization system capable to operate unattended in communication-challenged areas arises from the necessity of improving current systems in terms of cost, autonomy or any other facilities that a certain target group (or overall users) may demand. A network architecture of herd localization is proposed with its corresponding hardware and a methodology to assess performance in different operating conditions. The system is designed taking into account an eventual environmental impact hence most nodes are simple, cheap and kinetically powered from animal movements-neither batteries nor sophisticated processor chips are needed. Other network elements integrating GPS and batteries operate with selectable duty cycles, thus reducing maintenance duties. Equipment has been tested on Scandinavian reindeer in Lapland and its element modeling is integrated into a simulator to analyze such localization network applicability for different use cases. Performance indicators (detection frequency, localization accuracy and delay) are fitted to assess the overall performance; system relative costs are enclosed also for a range of deployments.

Reducing communication overhead for cooperative localization using nonparametric belief propagation

A number of methods for cooperative localization has been proposed, but most of them provide only location estimate, without associated uncertainty. On the other hand, nonparametric belief propagation (NBP), which provides approximated posterior distributions of the location estimates, is expensive mostly because of the transmission of the particles. In this paper, we propose a novel approach to reduce communication overhead for cooperative positioning using NBP. It is based on: i) communication of the beliefs (instead of the messages), ii) approximation of the belief with Gaussian mixture of very few components, and iii) censoring. According to our simulations results, these modifications reduce significantly communication overhead while providing the estimates almost as accurate as the transmission of the particles.

Development of a novel autonomous robot for navigation and inspect in oil wells

This paper proposes a novel robotic system that is able to move along the outside of the oil pipelines used in Electric Submersible Pumps (ESP) and Progressive Cavity Pumps (PCP) applications. This novel design, called RETOV, proposes a light weight structure robot that can be equipped with sensors to measure environmental variables avoiding damage in pumps and wells. In this paper, the main considerations and methodology of design and implementation are discussed. Finally, the first experimental results that show RETOV moving in vertical pipelines are analyzed.

A mathematical framework for new fault detection schemes in nonlinear stochastic continuous-time dynamical systems

n this work, a mathematical unifying framework for designing new fault detection schemes in nonlinear stochastic continuous-time dynamical systems is developed. These schemes are based on a stochastic process, called the residual, which reflects the system behavior and whose changes are to be detected. A quickest detection scheme for the residual is proposed, which is based on the computed likelihood ratios for time-varying statistical changes in the Ornstein–Uhlenbeck process. Several expressions are provided, depending on a priori knowledge of the fault, which can be employed in a proposed CUSUM-type approximated scheme. This general setting gathers different existing fault detection schemes within a unifying framework, and allows for the definition of new ones. A comparative simulation example illustrates the behavior of the proposed schemes.

Detecting unknown attacks in wireless sensor networks that contain mobile nodes

As wireless sensor networks are usually deployed in unattended areas, security policies cannot be updated in a timely fashion upon identification of new attacks. This gives enough time for attackers to cause significant damage. Thus, it is of great importance to provide protection from unknown attacks. However, existing solutions are mostly concentrated on known attacks. On the other hand, mobility can make the sensor network more resilient to failures, reactive to events, and able to support disparate missions with a common set of sensors, yet the problem of security becomes more complicated. In order to address the issue of security in networks with mobile nodes, we propose a machine learning solution for anomaly detection along with the feature extraction process that tries to detect temporal and spatial inconsistencies in the sequences of sensed values and the routing paths used to forward these values to the base station. We also propose a special way to treat mobile nodes, which is the main novelty of this work. The data produced in the presence of an attacker are treated as outliers, and detected using clustering techniques. These techniques are further coupled with a reputation system, in this way isolating compromised nodes in timely fashion. The proposal exhibits good performances at detecting and confining previously unseen attacks, including the cases when mobile nodes are compromised.

Secure neighbor discovery in wireless sensor networks using range-free localization techniques

Si una red inalámbrica de sensores se implementa en un entorno hostil, las limitaciones intrínsecas a los nodos conllevan muchos problemas de seguridad. En este artículo se aborda un ataque particular a los protocolos de localización y descubrimiento de vecinos, llevada a cabo por dos nodos que actúan en connivencia y establecen un "agujero de gusano" para tratar de engañar a un nodo aislado, haciéndole creer que se encuentra en la vecindad de un conjunto de nodos locales. Para contrarrestar este tipo de amenazas, se presenta un marco de actuación genéricamente denominado "detection of wormhole attacks using range-free methods" (DWARF) dentro del cual derivamos dos estrategias para de detección de agujeros de gusano: el primer enfoque (DWARFLoc) realiza conjuntamente la localización y la detección de ataques, mientras que el otro (DWARFTest) valida la posición estimada por el nodo una vez finalizado el protocolo de localización. Las simulaciones muestran que ambas estrategias son eficaces en la detección de ataques tipo "agujero de gusano", y sus prestaciones se comparan con las de un test convencional basado en la razón de verosimilitudes.