Sobre la identidad de la ciudad. El estudio de la interacción audiovisual en las nuevas herramientas para el proyecto. El caso de Cuenca

Esta investigación se centra en el estudio de la dimensión audiovisual de la arquitectura, como aproximación intersensorial a la aprehensión e ideación del espacio. Poniendo en evidencia la complejidad de la relación hombre-medio, se plantea la necesidad de desarrollar nuevas metodologías y herramientas que tengan en cuenta dicha complejidad y que favorezcan el desarrollo del proyecto. Nos mueve en esta investigación la convicción de que los cambios rápidos y profundos que caracterizan nuestros tiempos en todos los ámbitos, social, económico, político… entrañan inevita-blemente nuevos modos de conocimiento y experimentación del espacio, y por tanto nuevos ejes de investigación. La creciente valoración, en todos los campos del conocimiento, de los aspectos subjetivos y sensoriales, el desarrollo de las tecnologías que ha cambiado completamente nuestras relaciones interpersonales y con el entorno, las nuevas capacidades de análisis, grabación y conservación y manipulación de datos y por ultimo, aunque no menos importante, la puesta a disposición democrá¬tica y global de todo el saber a través de Internet, imponen otra aproximación al hacer, concebir y vivir la arquitectura. Esta investigación se centra en un análisis crítico del estado de la cuestión, construyendo nue¬vas redes de relación entre disciplinas, que permitan plantear la dimensión audiovisual como un nuevo eje de investigación dentro de la arquitectura, poniendo en evidencia la necesidad de desa¬rrollar análisis de forma trasversal e interdisciplinar. Hemos prestado particular atención a la evolución de lo sonoro y su aproximación cualitativa a la arquitectura, mostrando como el sonido, con su capacidad de introducir el tiempo y los aspectos dinámicos (el movimiento, la presencia del cuerpo…), no es simplemente otro canal sensorial en la aprehensión del espacio, ya que su interacción con lo visual genera un espacio-tiempo indisociable, propio, característico de cada momento y lugar. A partir de este planteamiento se ha hecho una revisión metodológica dirigida a utilizar el reco¬rrido como herramienta de análisis, que permita estudiar la relación entre el espacio, la acción y la percepción audio-visual, cruzando para ello los datos correspondientes a la morfología del espacio, con los datos de la experiencia perceptiva individual y con los de los usos colectivos del espacio, utilizándose finalmente el video como un herramienta, no sólo de representación de lo real, sino también como instrumento de análisis, que permite tomar datos (grabaciones audio, video, obser¬vaciones…), aislarlos, estudiarlos, clasificarlos, ordenarlos, y finalmente, restituirlos mediante el montaje. Se ha realizado una primera experimentación “in situ” que ha servido para explorar la aplicación del método, planteando nuevas preguntas y abriendo líneas de análisis para ulteriores investigacio¬nes. ABSTRACT This research is focused on the study of the audiovisual dimension of architecture, as an in¬tersensorial approach to space apprehension and design. It is posed the necessity to develop new methodologies and tools that keep this complexity, as a contribution to the development of a project, by means of putting into evidence the sophistication of the relationship between man and media The research moves us to the conviction that the quick and relevant changes that confer a distinc-tion to these contemporary times all over the social, economic and political environments, involve, unavoidably, new ways of knowledge and experimentation on space, and therefore, new trends of research. The growing valuation of subjective and sensorial aspects all over the fields of the knowledge and the development of the technologies that have changed completely our interpersonal and environmental relationships, the new tools for analysis, recording, conservation and manipulation of data and, last but not least, the setting to democratic and global availability of the whole knowledge through Inter¬net, impose another approach to the making, conception and experience of architecture. This research deals with a critical analysis of the state–of- the-art of the matter, modelling new webs of relationship among disciplines that allow to outline the audiovisual dimension as a new focus of research on architecture, putting evidence into practice as it is necessary to develop any analysis in a transversal and interdisciplinary way. It is paid a special attention to the evolution of sound objects and their qualitative approach to ar¬chitecture, showing how sound, with its capacity to transmit time and dynamic aspects of things (movement, the presence of the body), it is not simply another sensorial channel in the apprehension of space, since its interaction with the visual thing generates an undetachable association of space and time, an specific one of every moment and place. Starting from this position a methodological revision has been made leading to use a walk as a tool for analysis that allows to study the relationship among the space, the action and the audio-visual perception, by means of crossing data corresponding to the morphology of space, with the data of a perceptive experience from the perspective of an individual observer and with those of the collective uses of the space, as video has been finally used as a tool, not only as a representation of the real thing, but also as a tool for analysis that allows to take isolated data (audio recordings, video, obser¬vations), to be studied, classified, and put into their appropriate place, and finally, to restore them by means of a multimedia set up. A first experimentation in situ has been carried out, being useful to explore a method of appli¬cation, outlining new questions and beginning with new ways of analysis for further research.

Interacción desde dispositivos Android vía Bluetooth, con juguete teledirigido, para su uso por personas con discapacidad

El Proyecto Fin de Carrera, con título, "Interacción desde dispositivos Android vía Bluetooth, con juguete teledirigido, para su uso por personas con discapacidad" pretende completar la primera versión de la aplicación sobre dispositivo Android para manejar un juguete teledirigido añadiendo nuevas formas de interactuar con el dispositivo Android. Para este caso, el juguete teledirigido es el mismo: el robot esférico llamado Sphero. Dicho robot posee una interfaz a través de la cual puede recibir instrucciones, y mediante las cuales, se puede poner en movimiento o iluminarse con diferentes colores. Esta ampliación facilitará la interacción del usuario con el dispositivo Android, además de ampliar la funcionalidad hacia la inversa: recibir los movimientos del robot Sphero en el dispositivo Android cuando es manejado con la mano. Completando la primera versión, como cumplimiento de este Proyecto Fin de Carrera, se han realizado una serie de mandos nuevos, los cuales abarcan desde el manejo del robot por instrucciones de voz, movimientos del dispositivo Android desde el que se ejecuta, describir una trayectoria dibujada previamente en el dispositivo Android, o, realizar una serie de movimientos corregidos mediante la aplicación gracias a los límites de movimientos para un usuario concreto que pueden introducirse. Además, completando lo anteriormente escrito, se ha desarrollado una aplicación web que registrará todos los datos de uso del juguete, la cual, explota una base de datos que almacena toda interacción con el juguete. Estos datos estarán asociados a un usuario, debido a que la aplicación Android debe perfilarse para el uso de un usuario concreto. El perfilado de usuario se ha completado añadiendo una serie de información que puede ser útil para la persona que analice el comportamiento de una persona con discapacidad que utilice la aplicación. Por último, se ha realizado un estudio de elementos externos que puedan facilitar la interacción con los dispositivos Android a personas que sufran alguna discapacidad. ABSTRACT. The Thesis, titled "Interaction from Android devices via Bluetooth, with remote control toy, for use by people with disabilities" project aims to complete the first version of the application on Android device to manage a remote control toy adding new ways of interacting to Android device. For this case, the remote control toy is the same: the spherical robot called Sphero. This robot has an interface through which it can receive instructions, and by means of which can be set in motion or illuminated with different colors. This expansion will facilitate user interaction with the Android device, and extend the functionality to reverse: receiving Sphero robot movements in the Android device when handled by hand. Completing the first version, in fulfillment of this Thesis, there have been a number of new controls, which range from control of robot by voice instructions, movements Android device from which it runs, describe a path drawn previously on your Android device, or perform a series of movements corrected by applying through limits of movement for a particular user can be made. Besides completing the above written, has developed a web application that will record all data on use of the toy, which exploits a database that stores all interaction with the toy. These data will be associated with a user, because the Android application should be outlined for the use of a particular user. The user profile is completed by adding a range of information that can be useful for the person to analyze the behavior of a disabled person to use the application. Finally, a study was made of external elements that can facilitate interaction with Android devices to people who suffer from a disability.

Marco de diseño de la interacción para aplicaciones móviles

El desarrollo de aplicaciones móviles multiplataforma se ha convertido en una tarea compleja debido al alto crecimiento de dispositivos móviles y a la diversidad de plataformas que existen en el mercado. Tras identificar que las principales plataformas utilizadas por los usuarios a nivel mundial son iOS y Android y observar la evolución que han sufrido dichas plataformas desde un punto de vista de diseño de la interacción en los últimos años se establecen las bases para la realización del marco de diseño de la interacción en aplicaciones móviles. El marco de diseño pretende identificar la estructura de las aplicaciones en ambas plataformas y observar las similitudes y diferencias que existen entre las mismas. Por otra parte, se analizan, como parte del mismo, los elementos presentes en el diseño de la interacción de aplicaciones en las plataformas estudiadas con el fin de establecer similitudes y equivalencias entre los mismos. Para evaluar la viabilidad del marco propuesto, se ha llevado a cabo un caso de estudio en el que se aplica el marco sobre una aplicación real. Por último, se realiza una herramienta web con la que se permite a los usuarios poder acceder a la información propuesta en el marco de una forma más sencilla.---ABSTRACT---The mobile app development field has become a very complex task due to the increase of mobile devices and the diversity of the market existing platforms. After identifying that the most used platforms by the users are iOS and Android, and observing the evolution of both from the point of view of the interaction design, the basis for an interaction design frame are established. The design presents the basic structure of a mobile application in both platforms, identifying the existing similarities and differences among them. Moreover, the elements present in the design of the interaction are analysed, in order to establish similarities and equivalences among those elements. In addition, a case study was carried out in which the design frame was applied in a real application. Finally, a web tool which allow users to access the proposed information was developed, in order to have an easier access to the information.

Análisis comparativo de la Teoría del Caos en Electrónica, Fotónica, Cardiología y Psiquiatría: algunas consideraciones sobre su interacción

En el presente artículo se ofrece una visión global del estudio de cuatro entornos tecnológicos, aparentemente alejados entre sí, pero que, según se mostrará, pueden ser estudiados con un tratamiento análogo, gracias a la Teoría del Caos. Se ofrecerá una visión histórica de los mismos y cómo de ella pueden inferirse consecuencias para el estudio de otras áreas diferentes.

Josef Albers : la Interacción de la Matière en el arte y en la arquitectura

La materia se presenta ante nosotros en multiplicidad de formas o “apariencias”. A lo largo de la historia se ha reflexionado sobre la relación entre la materia y la forma en distintos campos desde la filosofía hasta la ciencia, pasando por el arte y la arquitectura, moviéndose entre disciplinas desde las más prácticas a las más artísticas, generando posicionamientos opuestos, como el materialismo-idealismo. El concepto de materia a su vez ha ido cambiando a medida que la conciencia humana y la ciencia han ido evolucionando, pasando de considerarse materia como un ente con “masa” a la materia vacía, donde la “masa” es una ilusión que se nos “aparece” dependiendo de la frecuencia con la que vibra su sistema energético. A partir del concepto de “matière” , Josef Albers desarrolla su metodología docente. La matière es más que el aspecto, la “apariencia” que va más allá de la forma cristalizada. Es la forma cambiante que puede adoptar la materia cuando es transformada por el ser humano, dejando su huella sobre ella. Las tres cualidades de la “matière” que el profesor Albers propone en sus ejercicios del Curso Preliminar para desarrollar la “visión” con la “matière” desde la Bauhaus hasta la Universidad de Yale son: Estructural, Factural y Textural. Al desarrollar la observación, teniendo en cuenta estas tres referencias, se descubriá la desvinculación entre lo material y su apariencia desde la honradez. “La discrepancia entre los hechos físicos y el efecto psíquico”. En un proceso constante de ensayo y error se desarrollará la sensibilización individual hacia el material y la evaluación y critica gracias a la dinámica del taller que permite por comparación, aprender y evolucionar como individuo dentro de una sociedad. Esa metodología inductiva regulada por la economía de recursos, promueve el pensamiento creativo, fundamental para producir a través de la articulación un nuevo lenguaje que por medio de la formulación visual exprese nuestra relación con el mundo, con la vida. La vida que constantemente fluye y oscila entre dos polos opuestos, generando interrelaciones que tejen el mundo. Esas interacciones son las que dan vida a la obra artísitica de Albers. PALABRAS CLAVE: materia y matière, estructural factural y textural, vision, hecho físico y efectos psiquico, pensamiento creativo, vida. The matter stands before us in multiple ways or "appearances". Throughout history the relationship between matter and form has been thought out from different fields, from philosophy to science, including art and architecture, moving between disciplines from the most practical to the most artistic generating positions opposites, as materialism-idealism . The concept of matter in turn has changed as the humna consciousness and science have evolved, from being considered as a matter of "mass" to the empty field where the "mass" is an illusion that we "appears" depending on the frequency with which vibrates its energy system. Using the concept of "matière", Josef Albers develops its teaching methodology. The matière is more than the look, the "appearance" that goes beyond the crystallized form. It is the changing form that may take the matter when it is transformed by humans, leaving their mark on it. The three qualities of "matière" that Professor Albers exercises proposed in the Preliminary Course to develop a "vision" with the "matière" from the Bauhaus to Yale are: Structural, Factural and Textural. To develop observation, taking into account these three references, the separation between the material and its appearance was discovered from honesty. "The discrepancy between physical fact and psychic effect." In an ongoing process by trial and error to develop individual sensitzing towards material and critical evaluation through dynamic workshop. The workshop allows for comparison, learn and evolve as an individual within a society. That inductive methodology regulated by the economy of resources, promotes creative thinking, essential to produce through articulation a new language through visual formulation expresses our relationship with the world, with life. Life constantly flowing, oscillates between two opposite poles, creating relationships that weave the world. These interactions are what give life to the artistic work of Albers. KEYWORDS:

Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Espacios de interacción. Estrategias de relación en los proyectos de vivienda de SANAA.

La oficina de arquitectura SANAA está generando cambios significativos en la práctica de la arquitectura actual, especialmente aportando una nueva manera de utilizar el espacio de relación en la vivienda como lugar neutro, no deformado por el programa funcional y que de esta manera ofrece un campo abierto para que se desarrollen las relaciones humanas con más libertad y con una mayor integración con el entorno. SANAA intenta dar una respuesta a la complejidad de la vida actual japonesa por medio de un espacio más flexible y más interconectado que considera al habitante partícipe activo. La variedad de espacios y sus conexiones ofrecen diferentes posibilidades de uso, circulación y relación entre personas. La arquitectura genera herramientas para sorprender o despertar la curiosidad del habitante siendo éste en última instancia quien decide cómo utilizarla. Sus proyectos se pueden comparar con una playa donde existen reglas de juego pero cada uno tiene libertad de movimiento, libertad a la hora de elegir cómo y dónde colocarse. En su arquitectura la acción da sentido al espacio. Se diseña una estructura flexible que relaciona todas las estancias de la misma manera y sobre la que el habitante debe actuar. Una misma estancia puede albergar diferentes programas dependiendo de los acontecimientos y las necesidades del usuario. Se incita a la reflexión. Sería como un profesor que busca que el alumno se cuestione y genere sus propias herramientas. No se espera que el habitante simplemente ocupe el espacio sino que le obliga a actuar sobre él. La arquitectura busca la interacción entre sus habitantes. La vida urbana moderna aísla cada vez más al individuo y genera nuevos retos a la arquitectura. SANAA responde a las necesidades actuales utilizando espacios y conexiones que facilitan la interacción entre los habitantes. Sin embargo a la vez que proyecta estos espacios de interacción mantiene la privacidad según las circunstancias y necesidades. Este artículo consiste en la búsqueda de los espacios que buscan la máxima interacción entre los habitantes y el entorno en la vivienda unifamiliar de SANAA.

Non-invasive user monitoring in daily tasks for cognitive rehabilitation

El uso de técnicas para la monitorización del movimiento humano generalmente permite a los investigadores analizar la cinemática y especialmente las capacidades motoras en aquellas actividades de la vida cotidiana que persiguen un objetivo concreto como pueden ser la preparación de bebidas y comida, e incluso en tareas de aseo. Adicionalmente, la evaluación del movimiento y el comportamiento humanos en el campo de la rehabilitación cognitiva es esencial para profundizar en las dificultades que algunas personas encuentran en la ejecución de actividades diarias después de accidentes cerebro-vasculares. Estas dificultades están principalmente asociadas a la realización de pasos secuenciales y al reconocimiento del uso de herramientas y objetos. La interpretación de los datos sobre la actitud de este tipo de pacientes para reconocer y determinar el nivel de éxito en la ejecución de las acciones, y para ampliar el conocimiento en las enfermedades cerebrales, sus consecuencias y severidad, depende totalmente de los dispositivos usados para la captura de esos datos y de la calidad de los mismos. Más aún, existe una necesidad real de mejorar las técnicas actuales de rehabilitación cognitiva contribuyendo al diseño de sistemas automáticos para crear una especie de terapeuta virtual que asegure una vida más independiente de estos pacientes y reduzca la carga de trabajo de los terapeutas. Con este objetivo, el uso de sensores y dispositivos para obtener datos en tiempo real de la ejecución y estado de la tarea de rehabilitación es esencial para también contribuir al diseño y entrenamiento de futuros algoritmos que pudieran reconocer errores automáticamente para informar al paciente acerca de ellos mediante distintos tipos de pistas como pueden ser imágenes, mensajes auditivos o incluso videos. La tecnología y soluciones existentes en este campo no ofrecen una manera totalmente robusta y efectiva para obtener datos en tiempo real, por un lado, porque pueden influir en el movimiento del propio paciente en caso de las plataformas basadas en el uso de marcadores que necesitan sensores pegados en la piel; y por otro lado, debido a la complejidad o alto coste de implantación lo que hace difícil pensar en la idea de instalar un sistema en el hospital o incluso en la casa del paciente. Esta tesis presenta la investigación realizada en el campo de la monitorización del movimiento de pacientes para proporcionar un paso adelante en términos de detección, seguimiento y reconocimiento del comportamiento de manos, gestos y cara mediante una manera no invasiva la cual puede mejorar la técnicas actuales de rehabilitación cognitiva para la adquisición en tiempo real de datos sobre el comportamiento del paciente y la ejecución de la tarea. Para entender la importancia del marco de esta tesis, inicialmente se presenta un resumen de las principales enfermedades cognitivas y se introducen las consecuencias que tienen en la ejecución de tareas de la vida diaria. Más aún, se investiga sobre las metodologías actuales de rehabilitación cognitiva. Teniendo en cuenta que las manos son la principal parte del cuerpo para la ejecución de tareas manuales de la vida cotidiana, también se resumen las tecnologías existentes para la captura de movimiento de manos. Una de las principales contribuciones de esta tesis está relacionada con el diseño y evaluación de una solución no invasiva para detectar y seguir las manos durante la ejecución de tareas manuales de la vida cotidiana que a su vez involucran la manipulación de objetos. Esta solución la cual no necesita marcadores adicionales y está basada en una cámara de profundidad de bajo coste, es robusta, precisa y fácil de instalar. Otra contribución presentada se centra en el reconocimiento de gestos para detectar el agarre de objetos basado en un sensor infrarrojo de última generación, y también complementado con una cámara de profundidad. Esta nueva técnica, y también no invasiva, sincroniza ambos sensores para seguir objetos específicos además de reconocer eventos concretos relacionados con tareas de aseo. Más aún, se realiza una evaluación preliminar del reconocimiento de expresiones faciales para analizar si es adecuado para el reconocimiento del estado de ánimo durante la tarea. Por su parte, todos los componentes y algoritmos desarrollados son integrados en un prototipo simple para ser usado como plataforma de monitorización. Se realiza una evaluación técnica del funcionamiento de cada dispositivo para analizar si es adecuada para adquirir datos en tiempo real durante la ejecución de tareas cotidianas reales. Finalmente, se estudia la interacción con pacientes reales para obtener información del nivel de usabilidad del prototipo. Dicha información es esencial y útil para considerar una rehabilitación cognitiva basada en la idea de instalación del sistema en la propia casa del paciente al igual que en el hospital correspondiente. ABSTRACT The use of human motion monitoring techniques usually let researchers to analyse kinematics, especially in motor strategies for goal-oriented activities of daily living, such as the preparation of drinks and food, and even grooming tasks. Additionally, the evaluation of human movements and behaviour in the field of cognitive rehabilitation is essential to deep into the difficulties some people find in common activities after stroke. This difficulties are mainly associated with sequence actions and the recognition of tools usage. The interpretation of attitude data of this kind of patients in order to recognize and determine the level of success of the execution of actions, and to broaden the knowledge in brain diseases, consequences and severity, depends totally on the devices used for the capture of that data and the quality of it. Moreover, there is a real need of improving the current cognitive rehabilitation techniques by contributing to the design of automatic systems to create a kind of virtual therapist for the improvement of the independent life of these stroke patients and to reduce the workload of the occupational therapists currently in charge of them. For this purpose, the use of sensors and devices to obtain real time data of the execution and state of the rehabilitation task is essential to also contribute to the design and training of future smart algorithms which may recognise errors to automatically provide multimodal feedback through different types of cues such as still images, auditory messages or even videos. The technology and solutions currently adopted in the field don't offer a totally robust and effective way for obtaining real time data, on the one hand, because they may influence the patient's movement in case of marker-based platforms which need sensors attached to the skin; and on the other hand, because of the complexity or high cost of implementation, which make difficult the idea of installing a system at the hospital or even patient's home. This thesis presents the research done in the field of user monitoring to provide a step forward in terms of detection, tracking and recognition of hand movements, gestures and face via a non-invasive way which could improve current techniques for cognitive rehabilitation for real time data acquisition of patient's behaviour and execution of the task. In order to understand the importance of the scope of the thesis, initially, a summary of the main cognitive diseases that require for rehabilitation and an introduction of the consequences on the execution of daily tasks are presented. Moreover, research is done about the actual methodology to provide cognitive rehabilitation. Considering that the main body members involved in the completion of a handmade daily task are the hands, the current technologies for human hands movements capture are also highlighted. One of the main contributions of this thesis is related to the design and evaluation of a non-invasive approach to detect and track user's hands during the execution of handmade activities of daily living which involve the manipulation of objects. This approach does not need the inclusion of any additional markers. In addition, it is only based on a low-cost depth camera, it is robust, accurate and easy to install. Another contribution presented is focused on the hand gesture recognition for detecting object grasping based on a brand new infrared sensor, and also complemented with a depth camera. This new, and also non-invasive, solution which synchronizes both sensors to track specific tools as well as recognize specific events related to grooming is evaluated. Moreover, a preliminary assessment of the recognition of facial expressions is carried out to analyse if it is adequate for recognizing mood during the execution of task. Meanwhile, all the corresponding hardware and software developed are integrated in a simple prototype with the purpose of being used as a platform for monitoring the execution of the rehabilitation task. Technical evaluation of the performance of each device is carried out in order to analyze its suitability to acquire real time data during the execution of real daily tasks. Finally, a kind of healthcare evaluation is also presented to obtain feedback about the usability of the system proposed paying special attention to the interaction with real users and stroke patients. This feedback is quite useful to consider the idea of a home-based cognitive rehabilitation as well as a possible hospital installation of the prototype.

Análisis de la actividad neuronal y cerebral mediante técnicas de redes complejas

El cerebro humano es probablemente uno de los sistemas más complejos a los que nos enfrentamos en la actualidad, si bien es también uno de los más fascinantes. Sin embargo, la compresión de cómo el cerebro organiza su actividad para llevar a cabo tareas complejas es un problema plagado de restos y obstáculos. En sus inicios la neuroimagen y la electrofisiología tenían como objetivo la identificación de regiones asociadas a activaciones relacionadas con tareas especificas, o con patrones locales que variaban en el tiempo dada cierta actividad. Sin embargo, actualmente existe un consenso acerca de que la actividad cerebral tiene un carácter temporal multiescala y espacialmente extendido, lo que lleva a considerar el cerebro como una gran red de áreas cerebrales coordinadas, cuyas conexiones funcionales son continuamente creadas y destruidas. Hasta hace poco, el énfasis de los estudios de la actividad cerebral funcional se han centrado en la identidad de los nodos particulares que forman estas redes, y en la caracterización de métricas de conectividad entre ellos: la hipótesis subyacente es que cada nodo, que es una representación mas bien aproximada de una región cerebral dada, ofrece a una única contribución al total de la red. Por tanto, la neuroimagen funcional integra los dos ingredientes básicos de la neuropsicología: la localización de la función cognitiva en módulos cerebrales especializados y el rol de las fibras de conexión en la integración de dichos módulos. Sin embargo, recientemente, la estructura y la función cerebral han empezado a ser investigadas mediante la Ciencia de la Redes, una interpretación mecánico-estadística de una antigua rama de las matemáticas: La teoría de grafos. La Ciencia de las Redes permite dotar a las redes funcionales de una gran cantidad de propiedades cuantitativas (robustez, centralidad, eficiencia, ...), y así enriquecer el conjunto de elementos que describen objetivamente la estructura y la función cerebral a disposición de los neurocientíficos. La conexión entre la Ciencia de las Redes y la Neurociencia ha aportado nuevos puntos de vista en la comprensión de la intrincada anatomía del cerebro, y de cómo las patrones de actividad cerebral se pueden sincronizar para generar las denominadas redes funcionales cerebrales, el principal objeto de estudio de esta Tesis Doctoral. Dentro de este contexto, la complejidad emerge como el puente entre las propiedades topológicas y dinámicas de los sistemas biológicos y, específicamente, en la relación entre la organización y la dinámica de las redes funcionales cerebrales. Esta Tesis Doctoral es, en términos generales, un estudio de cómo la actividad cerebral puede ser entendida como el resultado de una red de un sistema dinámico íntimamente relacionado con los procesos que ocurren en el cerebro. Con este fin, he realizado cinco estudios que tienen en cuenta ambos aspectos de dichas redes funcionales: el topológico y el dinámico. De esta manera, la Tesis está dividida en tres grandes partes: Introducción, Resultados y Discusión. En la primera parte, que comprende los Capítulos 1, 2 y 3, se hace un resumen de los conceptos más importantes de la Ciencia de las Redes relacionados al análisis de imágenes cerebrales. Concretamente, el Capitulo 1 está dedicado a introducir al lector en el mundo de la complejidad, en especial, a la complejidad topológica y dinámica de sistemas acoplados en red. El Capítulo 2 tiene como objetivo desarrollar los fundamentos biológicos, estructurales y funcionales del cerebro, cuando éste es interpretado como una red compleja. En el Capítulo 3, se resumen los objetivos esenciales y tareas que serán desarrolladas a lo largo de la segunda parte de la Tesis. La segunda parte es el núcleo de la Tesis, ya que contiene los resultados obtenidos a lo largo de los últimos cuatro años. Esta parte está dividida en cinco Capítulos, que contienen una versión detallada de las publicaciones llevadas a cabo durante esta Tesis. El Capítulo 4 está relacionado con la topología de las redes funcionales y, específicamente, con la detección y cuantificación de los nodos mas importantes: aquellos denominados “hubs” de la red. En el Capítulo 5 se muestra como las redes funcionales cerebrales pueden ser vistas no como una única red, sino más bien como una red-de-redes donde sus componentes tienen que coexistir en una situación de balance funcional. De esta forma, se investiga cómo los hemisferios cerebrales compiten para adquirir centralidad en la red-de-redes, y cómo esta interacción se mantiene (o no) cuando se introducen fallos deliberadamente en la red funcional. El Capítulo 6 va un paso mas allá al considerar las redes funcionales como sistemas vivos. En este Capítulo se muestra cómo al analizar la evolución de la topología de las redes, en vez de tratarlas como si estas fueran un sistema estático, podemos caracterizar mejor su estructura. Este hecho es especialmente relevante cuando se quiere tratar de encontrar diferencias entre grupos que desempeñan una tarea de memoria, en la que las redes funcionales tienen fuertes fluctuaciones. En el Capítulo 7 defino cómo crear redes parenclíticas a partir de bases de datos de actividad cerebral. Este nuevo tipo de redes, recientemente introducido para estudiar las anormalidades entre grupos de control y grupos anómalos, no ha sido implementado nunca en datos cerebrales y, en este Capítulo explico cómo hacerlo cuando se quiere evaluar la consistencia de la dinámica cerebral. Para concluir esta parte de la Tesis, el Capítulo 8 se centra en la relación entre las propiedades topológicas de los nodos dentro de una red y sus características dinámicas. Como mostraré más adelante, existe una relación entre ellas que revela que la posición de un nodo dentro una red está íntimamente correlacionada con sus propiedades dinámicas. Finalmente, la última parte de esta Tesis Doctoral está compuesta únicamente por el Capítulo 9, el cual contiene las conclusiones y perspectivas futuras que pueden surgir de los trabajos expuestos. En vista de todo lo anterior, espero que esta Tesis aporte una perspectiva complementaria sobre uno de los más extraordinarios sistemas complejos frente a los que nos encontramos: El cerebro humano. ABSTRACT The human brain is probably one of the most complex systems we are facing, thus being a timely and fascinating object of study. Characterizing how the brain organizes its activity to carry out complex tasks is highly non-trivial. While early neuroimaging and electrophysiological studies typically aimed at identifying patches of task-specific activations or local time-varying patterns of activity, there has now been consensus that task-related brain activity has a temporally multiscale, spatially extended character, as networks of coordinated brain areas are continuously formed and destroyed. Up until recently, though, the emphasis of functional brain activity studies has been on the identity of the particular nodes forming these networks, and on the characterization of connectivity metrics between them, the underlying covert hypothesis being that each node, constituting a coarse-grained representation of a given brain region, provides a unique contribution to the whole. Thus, functional neuroimaging initially integrated the two basic ingredients of early neuropsychology: localization of cognitive function into specialized brain modules and the role of connection fibres in the integration of various modules. Lately, brain structure and function have started being investigated using Network Science, a statistical mechanics understanding of an old branch of pure mathematics: graph theory. Network Science allows endowing networks with a great number of quantitative properties, thus vastly enriching the set of objective descriptors of brain structure and function at neuroscientists’ disposal. The link between Network Science and Neuroscience has shed light about how the entangled anatomy of the brain is, and how cortical activations may synchronize to generate the so-called functional brain networks, the principal object under study along this PhD Thesis. Within this context, complexity appears to be the bridge between the topological and dynamical properties of biological systems and, more specifically, the interplay between the organization and dynamics of functional brain networks. This PhD Thesis is, in general terms, a study of how cortical activations can be understood as the output of a network of dynamical systems that are intimately related with the processes occurring in the brain. In order to do that, I performed five studies that encompass both the topological and the dynamical aspects of such functional brain networks. In this way, the Thesis is divided into three major parts: Introduction, Results and Discussion. In the first part, comprising Chapters 1, 2 and 3, I make an overview of the main concepts of Network Science related to the analysis of brain imaging. More specifically, Chapter 1 is devoted to introducing the reader to the world of complexity, specially to the topological and dynamical complexity of networked systems. Chapter 2 aims to develop the biological, topological and functional fundamentals of the brain when it is seen as a complex network. Next, Chapter 3 summarizes the main objectives and tasks that will be developed along the forthcoming Chapters. The second part of the Thesis is, in turn, its core, since it contains the results obtained along these last four years. This part is divided into five Chapters, containing a detailed version of the publications carried out during the Thesis. Chapter 4 is related to the topology of functional networks and, more specifically, to the detection and quantification of the leading nodes of the network: the hubs. In Chapter 5 I will show that functional brain networks can be viewed not as a single network, but as a network-of-networks, where its components have to co-exist in a trade-off situation. In this way, I investigate how the brain hemispheres compete for acquiring the centrality of the network-of-networks and how this interplay is maintained (or not) when failures are introduced in the functional network. Chapter 6 goes one step beyond by considering functional networks as living systems. In this Chapter I show how analyzing the evolution of the network topology instead of treating it as a static system allows to better characterize functional networks. This fact is especially relevant when trying to find differences between groups performing certain memory tasks, where functional networks have strong fluctuations. In Chapter 7 I define how to create parenclitic networks from brain imaging datasets. This new kind of networks, recently introduced to study abnormalities between control and anomalous groups, have not been implemented with brain datasets and I explain in this Chapter how to do it when evaluating the consistency of brain dynamics. To conclude with this part of the Thesis, Chapter 8 is devoted to the interplay between the topological properties of the nodes within a network and their dynamical features. As I will show, there is an interplay between them which reveals that the position of a node in a network is intimately related with its dynamical properties. Finally, the last part of this PhD Thesis is composed only by Chapter 9, which contains the conclusions and future perspectives that may arise from the exposed results. In view of all, I hope that reading this Thesis will give a complementary perspective of one of the most extraordinary complex systems: The human brain.

Estudio de patrones de interacción entre los estudiantes y la Plataforma de Tele-Enseñanza en la UPM

Vivimos en una sociedad en la que la información ha adquirido una vital importancia. El uso de Internet y el desarrollo de nuevos sistemas de la información han generado un ferviente interés tanto de empresas como de instituciones en la búsqueda de nuevos patrones que les proporcione la clave del éxito. La Analítica de Negocio reúne un conjunto de herramientas, estrategias y técnicas orientadas a la explotación de la información con el objetivo de crear conocimiento útil dentro de un marco de trabajo y facilitar la optimización de los recursos tanto de empresas como de instituciones. El presente proyecto se enmarca en lo que se conoce como Gestión Educativa. Se aplicará una arquitectura y modelo de trabajo similar a lo que se ha venido haciendo en los últimos años en el entorno empresarial con la Inteligencia de Negocio. Con esta variante, se pretende mejorar la calidad de la enseñanza, agilizar las decisiones dentro de la institución académica, fortalecer las capacidades del cuerpo docente y en definitiva favorecer el aprendizaje del alumnado. Para lograr el objetivo se ha decidido seguir las etapas del Knowledge Discovery in Databases (KDD), una de las metodologías más conocidas dentro de la Inteligencia de Negocio, que describe el procedimiento que va desde la selección de la información y su carga en sistemas de almacenamiento, hasta la aplicación de técnicas de minería de datos para la obtención nuevo conocimiento. Los estudios se realizan a partir de la información de la activad de los usuarios dentro la plataforma de Tele-Enseñanza de la Universidad Politécnica de Madrid (Moodle). Se desarrollan trabajos de extracción y preprocesado de la base de datos en crudo y se aplican técnicas de minería de datos. En la aplicación de técnicas de minería de datos, uno de los factores más importantes a tener en cuenta es el tipo de información que se va a tratar. Por este motivo, se trabaja con la Minería de Datos Educativa, en inglés, Educational Data Mining (EDM) que consiste en la aplicación de técnicas de minería optimizadas para la información que se genera en entornos educativos. Dentro de las posibilidades que ofrece el EDM, se ha decidido centrar los estudios en lo que se conoce como analítica predictiva. El objetivo fundamental es conocer la influencia que tienen las interacciones alumno-plataforma en las calificaciones finales y descubrir nuevas reglas que describan comportamientos que faciliten al profesorado discriminar si un estudiante va a aprobar o suspender la asignatura, de tal forma que se puedan tomar medidas que mejoren su rendimiento. Toda la información tratada en el presente proyecto ha sido previamente anonimizada para evitar cualquier tipo de intromisión que atente contra la privacidad de los elementos participantes en el estudio. ABSTRACT. We live in a society dominated by data. The use of the Internet accompanied by developments in information systems has generated a sustained interest among companies and institutions to discover new patterns to succeed in their business ventures. Business Analytics (BA) combines tools, strategies and techniques focused on exploiting the available information, to optimize resources and create useful insight. The current project is framed under Educational Management. A Business Intelligence (BI) architecture and business models taught up to date will be applied with the aim to accelerate the decision-making in academic institutions, strengthen teacher´s skills and ultimately improve the quality of teaching and learning. The best way to achieve this is to follow the Knowledge Discovery in Databases (KDD), one of the best-known methodologies in B.I. This process describes data preparation, selection, and cleansing through to the application of purely Data Mining Techniques in order to incorporate prior knowledge on data sets and interpret accurate solutions from the observed results. The studies will be performed using the information extracted from the Universidad Politécnica de Madrid Learning Management System (LMS), Moodle. The stored data is based on the user-platform interaction. The raw data will be extracted and pre-processed and afterwards, Data Mining Techniques will be applied. One of the crucial factors in the application of Data Mining Techniques is the kind of information that will be processed. For this reason, a new Data Mining perspective will be taken, called Educational Data Mining (EDM). EDM consists of the application of Data Mining Techniques but optimized for the raw data generated by the educational environment. Within EDM, we have decided to drive our research on what is called Predictive Analysis. The main purpose is to understand the influence of the user-platform interactions in the final grades of students and discover new patterns that explain their behaviours. This could allow teachers to intervene ahead of a student passing or failing, in such a way an action could be taken to improve the student performance. All the information processed has been previously anonymized to avoid the invasion of privacy.

Evaluación de patrones de programación de usabilidad para tres casos de estudio

La calidad es uno de los principales retos de la construcción de software. En la Ingeniería del Software (IS) se considera a la usabilidad como un atributo de calidad. Al principio se veía a la usabilidad como un requisito no funcional.Se asumía que la usabilidad era una propiedad exclusiva de la presentación de la información.Se creía que separando la capa de presentación del resto, se podía desarrollar un producto software usable.Debido a la naturaleza del sistema y a las necesidades del usuario, a menudo se debe ir más lejos y no basta con tener en cuenta la presentación para obtener un software usable. La comunidad de la Interacción Personar Ordenador (IPO) ha propuesto recomendaciones para mejorar la usabilidad. Algunas de esas recomendaciones tienen impacto directo en la funcionalidad del producto software. En estudios recientes también se ha evaluado la relación entre la usabilidad y los requisitos funcionales. Estas investigaciones sugieren que la usabilidad debe ser tenida en cuenta desde las etapas iniciales de la construcción para evitar costosos cambios posteriores. La incorporación de las características de usabilidad agrega cierta complejidad al proceso de desarrollo. El presente trabajo evalúa la posibilidad de usar patrones para la incorporación de usabilidad en el desarrollo de un producto software. Concretamente se evalúan los siguientes patrones de programación de usabilidad (PPUs): Abort Operation,Progress Feedback y Preferences. Se utilizan unas Pautas de Desarrollo de Mecanismos de Usabilidad(PDMUs) para estos tres mecanismos de usabilidad. Estas pautas poponen patrones para la educción y posterior incorporación de la usabilidad en las distintas fases de la programación. En esta investigación se aborda el desarrollo de un producto software desde la deducción de requisitos hasta la implementación. En cada fase se incorporan los mecanismos de usabilidad de acuerdo a las recomendaciones de las PDMUs. Mediante el desarrollo de un software real se ha evaluado la factibilidad del uso de las PDMUs obteniendo como resultado propuestas de mejoras en estas pautas. Se evalúa asimismo el esfuerzo de incorporación de los mecanismos de usabilidad. Cada evaluación aporta datos que proporcionan una estimación del esfuerzo adicional requerido para incorporar cada mecanismo de usabilidad en el proceso de desarrollo del software.---ABSTRACT---Quality is a major challenge in software construction. Software engineers consider usability to be a quality attribute. Originally, usability was viewed as a nonr functional requirement. Usability was assumed to be simply an information presentation property. There was a belief that a usable software product could be developed by separating the presentation layer from the rest of the system. Depending on the system type and user needs, however, usability often runs deeper, and it is not enough to consider just presentation to build usable software. The humanrcomputer interaction (HCI) community put forward a list of recommendations to improve usability. Some such recommendations have a direct impact on software product functionality. Recent studies have also evaluated the relationship between usability and functional requirements. This research suggests that usability should be taken into account as of the early stages of software construction to prevent costly rework later on. The inclusion of usability features is an added complication to the development process. The research reported here evaluates the possibility of using patterns to incorporate usability into a software product. Specifically, it evaluates the following usability programming patterns (UPPs): Abort Operation, Progress Feedback and Preferences. Usability Mechanism Development Guides (USDG) are applied to these three usability mechanisms. These guides propose patterns for eliciting and later incorporating usability into the different software development phases, including programming. The reported research addresses the development of a software product from requirements elicitation through to implementation. Usability mechanisms are incorporated into each development phase in accordance with USDG recommendations. A real piece of software was developed to test the feasibility of using USDGs, outputting proposals for improving the guides. Each evaluation yields data providing an estimate of the additional workload required to incorporate each usability mechanism into the software development process.

Evaluación de patrones de programación de usabilidad: abortar operación, retroalimentación del progreso y preferencias

La usabilidad es uno de los aspectos más importantes de la calidad del software para sistemas software interactivos. A pesar de ello, la Ingeniería del Software (IS) se ha centrado históricamente en problemas de funcionalidad y de persistencia, relegando a un segundo plano aspectos de la interacción con el usuario, y más concretamente, de la usabilidad. Ha sido principalmente la comunidad Interacción Persona-Ordenador (IPO) la que ha propuesto recomendaciones para mejorar la usabilidad. En estudios recientes se ha encontrado una relación entre algunas de las recomendaciones de usabilidad propuestas por la comunidad IPO y la funcionalidad de un sistema software. Estas recomendaciones se conocen como Características Funcionales de Usabilidad (CFU), divididas en subtipos más especializados llamados Mecanismos de Usabilidad (MU). Estos estudios han propuesto unas Guías para la Educción de Requisitos por cada mecanismo de usabilidad (GERMU). Posteriormente, se continúan los estudios y con base al repositorio de conocimiento suministrado por las GERMUs, se proponen diseños de más bajo nivel e implementación que facilite la incorporación de un MU en un sistema software. Los resultados se formalizaron en lo que se llamo Patrón de Programación de Usabilidad (PPU). El presente trabajo de investigación se centra en evaluar el impacto debido a la incorporación de mecanismos de usabilidad en el desarrollo de un sistema software. Concretamente el MU Abortar Operación (MU AO), el MU Retroalimentación del Progreso (MU RP) y MU Preferencias (MU P), tanto a nivel de requisitos como a nivel de implementación. Para satisfacer este objetivo, en esta investigación se aborda el desarrollo de un sistema software desde la actividad de educción de requisitos hasta la implementación. Para la actividad de requisitos se hace uso de la GERMU AO, GERMU RP y la GERMU P. La construcción del sistema sigue el modelo incremental. En cada incremento se construye un conjunto de casos de uso junto con uno o varios MUs. Para incorporar cada MU en implementación, se hace uso del PPU Abortar Operación (PPU AO), PPU Retroalimentación del Progreso (PPU RP) y PPU Preferencias (PPU P). En el primer incremento se incorpora el PPU AO, en el segundo el PPU RP, en el tercer incremento PPU P, y en el último incremento, se añaden los restantes casos de uso junto con los tres PPUs al sistema. Tanto en la actividad de requisitos, como en la construcción de cada incremento se evalúa el impacto de la incorporación de tales PPUs. Cada evaluación proporciona datos que pueden dar una estimación del esfuerzo requerido para incorporar cada PPU en las distintas actividades del desarrollo del sistema. Como resultado de la experiencia del uso de los diferentes artefactos relacionados en esta investigación se obtienen propuestas de mejoras para los PPUs, y adicionalmente para las GERMUs.

Análisis CFD de un álabe del último paso de una turbina de vapor

El presente proyecto consiste en el estudio detallado de las solicitaciones mecánicas a las que se encuentra sometido un álabe correspondiente a la sección de baja presión de una turbina de vapor. Primeramente se llevará a cabo una introducción a este tipo de turbomáquinas con el fin de definir conceptos relevantes como el grado de reacción o el triángulo de velocidades, necesarios para comprender el funcionamiento de estas máquinas. A medida que se avance en la explicación de los fundamentos teóricos de la turbina de vapor, se irá profundizando cada vez más hasta llegar a la corona de álabes del rotor. Aquí se describirán las fuerzas de distinta naturaleza que soportan los álabes en condiciones de trabajo, así como el principio de formación de humedad que ocurre en los últimos escalonamientos de la etapa de baja presión. Una vez revisados todos los conceptos teóricos de interés, se pasará a simular con ayuda de un programa de Elementos Finitos la distribución de velocidades y de presión del flujo de vapor a su paso por un álabe de la última corona del rotor. El objetivo que se persigue es cuantificar tanto las tensiones mecánicas como los desplazamientos por deformación a los que se encuentra sometido el álabe debido a la interacción con el fluido a elevada velocidad. Posteriormente, como ampliación a este modelo, se ha tenido en cuenta el efecto de los condensados (pequeñas gotas de agua) que se forman en los últimos escalonamientos de la turbina debido a grandes subenfriamientos locales del vapor. Estas gotas impactan sobre el lado de succión del perfil del álabe, por tanto su contribución a los valores de tensión y desplazamiento que experimenta el álabe también será cuantificada en el programa de Elementos Finitos. Por último, se hará una recopilación de las principales conclusiones obtenidas tras el modelo simulado por ordenador, así como de la importancia de la calidad del vapor para el buen funcionamiento de la turbomáquina.

Desarrollo de tecnologías de telemanipulación con alto grado de escalado orientadas a la interacción hombre-robot en entornos nucleares

Esta tesis se centra en desarrollo de tecnologías para la interacción hombre-robot en entornos nucleares de fusión. La problemática principal del sector de fusión nuclear radica en las condiciones ambientales tan extremas que hay en el interior del reactor, y la necesidad de que los equipos cumplan requisitos muy restrictivos para poder aguantar esos niveles de radiación, magnetismo, ultravacío, temperatura... Como no es viable la ejecución de tareas directamente por parte de humanos, habrá que utilizar dispositivos de manipulación remota para llevar a cabo los procesos de operación y mantenimiento. En las instalaciones de ITER es obligatorio tener un entorno controlado de extrema seguridad, que necesita de estándares validados. La definición y uso de protocolos es indispensable para regir su buen funcionamiento. Si nos centramos en la telemanipulación con algo grado de escalado, surge la necesidad de definir protocolos para sistemas abiertos que permitan la interacción entre equipos y dispositivos de diversa índole. En este contexto se plantea la definición del Protocolo de Teleoperación que permita la interconexión entre dispositivos maestros y esclavos de distinta tipología, pudiéndose comunicar bilateralmente entre sí y utilizar distintos algoritmos de control según la tarea a desempeñar. Este protocolo y su interconectividad se han puesto a prueba en la Plataforma Abierta de Teleoperación (P.A.T.) que se ha desarrollado e integrado en la ETSII UPM como una herramienta que permita probar, validar y realizar experimentos de telerrobótica. Actualmente, este Protocolo de Teleoperación se ha propuesto a través de AENOR al grupo ISO de Telerobotics como una solución válida al problema existente y se encuentra bajo revisión. Con el diseño de dicho protocolo se ha conseguido enlazar maestro y esclavo, sin embargo con los niveles de radiación tan altos que hay en ITER la electrónica del controlador no puede entrar dentro del tokamak. Por ello se propone que a través de una mínima electrónica convenientemente protegida se puedan multiplexar las señales de control que van a través del cableado umbilical desde el controlador hasta la base del robot. En este ejercicio teórico se demuestra la utilidad y viabilidad de utilizar este tipo de solución para reducir el volumen y peso del cableado umbilical en cifras aproximadas de un 90%, para ello hay que desarrollar una electrónica específica y con certificación RadHard para soportar los enormes niveles de radiación de ITER. Para este manipulador de tipo genérico y con ayuda de la Plataforma Abierta de Teleoperación, se ha desarrollado un algoritmo que mediante un sensor de fuerza/par y una IMU colocados en la muñeca del robot, y convenientemente protegidos ante la radiación, permiten calcular las fuerzas e inercias que produce la carga, esto es necesario para poder transmitirle al operador unas fuerzas escaladas, y que pueda sentir la carga que manipula, y no otras fuerzas que puedan influir en el esclavo remoto, como ocurre con otras técnicas de estimación de fuerzas. Como el blindaje de los sensores no debe ser grande ni pesado, habrá que destinar este tipo de tecnología a las tareas de mantenimiento de las paradas programadas de ITER, que es cuando los niveles de radiación están en sus valores mínimos. Por otro lado para que el operador sienta lo más fielmente posible la fuerza de carga se ha desarrollado una electrónica que mediante el control en corriente de los motores permita realizar un control en fuerza a partir de la caracterización de los motores del maestro. Además para aumentar la percepción del operador se han realizado unos experimentos que demuestran que al aplicar estímulos multimodales (visuales, auditivos y hápticos) aumenta su inmersión y el rendimiento en la consecución de la tarea puesto que influyen directamente en su capacidad de respuesta. Finalmente, y en referencia a la realimentación visual del operador, en ITER se trabaja con cámaras situadas en localizaciones estratégicas, si bien el humano cuando manipula objetos hace uso de su visión binocular cambiando constantemente el punto de vista adecuándose a las necesidades visuales de cada momento durante el desarrollo de la tarea. Por ello, se ha realizado una reconstrucción tridimensional del espacio de la tarea a partir de una cámara-sensor RGB-D, lo cual nos permite obtener un punto de vista binocular virtual móvil a partir de una cámara situada en un punto fijo que se puede proyectar en un dispositivo de visualización 3D para que el operador pueda variar el punto de vista estereoscópico según sus preferencias. La correcta integración de estas tecnologías para la interacción hombre-robot en la P.A.T. ha permitido validar mediante pruebas y experimentos para verificar su utilidad en la aplicación práctica de la telemanipulación con alto grado de escalado en entornos nucleares de fusión. Abstract This thesis focuses on developing technologies for human-robot interaction in nuclear fusion environments. The main problem of nuclear fusion sector resides in such extreme environmental conditions existing in the hot-cell, leading to very restrictive requirements for equipment in order to deal with these high levels of radiation, magnetism, ultravacuum, temperature... Since it is not feasible to carry out tasks directly by humans, we must use remote handling devices for accomplishing operation and maintenance processes. In ITER facilities it is mandatory to have a controlled environment of extreme safety and security with validated standards. The definition and use of protocols is essential to govern its operation. Focusing on Remote Handling with some degree of escalation, protocols must be defined for open systems to allow interaction among different kind of equipment and several multifunctional devices. In this context, a Teleoperation Protocol definition enables interconnection between master and slave devices from different typologies, being able to communicate bilaterally one each other and using different control algorithms depending on the task to perform. This protocol and its interconnectivity have been tested in the Teleoperation Open Platform (T.O.P.) that has been developed and integrated in the ETSII UPM as a tool to test, validate and conduct experiments in Telerobotics. Currently, this protocol has been proposed for Teleoperation through AENOR to the ISO Telerobotics group as a valid solution to the existing problem, and it is under review. Master and slave connection has been achieved with this protocol design, however with such high radiation levels in ITER, the controller electronics cannot enter inside the tokamak. Therefore it is proposed a multiplexed electronic board, that through suitable and RadHard protection processes, to transmit control signals through an umbilical cable from the controller to the robot base. In this theoretical exercise the utility and feasibility of using this type of solution reduce the volume and weight of the umbilical wiring approximate 90% less, although it is necessary to develop specific electronic hardware and validate in RadHard qualifications in order to handle huge levels of ITER radiation. Using generic manipulators does not allow to implement regular sensors for force feedback in ITER conditions. In this line of research, an algorithm to calculate the forces and inertia produced by the load has been developed using a force/torque sensor and IMU, both conveniently protected against radiation and placed on the robot wrist. Scaled forces should be transmitted to the operator, feeling load forces but not other undesirable forces in slave system as those resulting from other force estimation techniques. Since shielding of the sensors should not be large and heavy, it will be necessary to allocate this type of technology for programmed maintenance periods of ITER, when radiation levels are at their lowest levels. Moreover, the operator perception needs to feel load forces as accurate as possible, so some current control electronics were developed to perform a force control of master joint motors going through a correct motor characterization. In addition to increase the perception of the operator, some experiments were conducted to demonstrate applying multimodal stimuli (visual, auditory and haptic) increases immersion and performance in achieving the task since it is directly correlated with response time. Finally, referring to the visual feedback to the operator in ITER, it is usual to work with 2D cameras in strategic locations, while humans use binocular vision in direct object manipulation, constantly changing the point of view adapting it to the visual needs for performing manipulation during task procedures. In this line a three-dimensional reconstruction of non-structured scenarios has been developed using RGB-D sensor instead of cameras in the remote environment. Thus a mobile virtual binocular point of view could be generated from a camera at a fixed point, projecting stereoscopic images in 3D display device according to operator preferences. The successful integration of these technologies for human-robot interaction in the T.O.P., and validating them through tests and experiments, verify its usefulness in practical application of high scaling remote handling at nuclear fusion environments.

Modelado y Evaluación de Entornos Virtuales Interactivos para Rehabilitación Cognitiva en Daño Cerebral

El Daño Cerebral (DC) se refiere a cualquier lesión producida en el cerebro y que afecta a su funcionalidad. Se ha convertido en una de las principales causas de discapacidad neurológica de las sociedades desarrolladas. Hasta la más sencilla de las actividades y acciones que realizamos en nuestro día a día involucran a los procesos cognitivos. Por ello, la alteración de las funciones cognitivas como consecuencia del DC, limita no sólo la calidad de vida del paciente sino también la de las persona de su entorno. La rehabilitación cognitiva trata de aumentar la autonomía y calidad de vida del paciente minimizando o compensando los desórdenes funciones causados por el episodio de DC. La plasticidad cerebral es una propiedad intrínseca al sistema nervioso humano por la que en función a la experiencia se crean nuevos patrones de conectividad. El propósito de la neurorrehabilitación es precisamente modular esta propiedad intrínseca a partir de ejercicios específicos, los cuales podrían derivar en la recuperación parcial o total de las funciones afectadas. La incorporación de la tecnología a las terapias de rehabilitación ha permitido desarrollar nuevas metodologías de trabajo. Esto ha ayudado a hacer frente a las dificultades de la rehabilitación que los procesos tradicionales no logran abarcar. A pesar del gran avance realizado en los Ãoltimos años, todavía existen debilidades en el proceso de rehabilitación; por ejemplo, la trasferencia a la vida real de las habilidades logradas durante la terapia de rehabilitación, así como su generalización a otras actividades cotidianas. Los entornos virtuales pueden reproducir situaciones cotidianas. Permiten simular, de forma controlada, los requisitos conductuales que encontramos en la vida real. En un contexto terapéutico, puede ser utilizado por el neuropsicólogo para corregir en el paciente comportamientos patológicos no deseados, realizar intervenciones terapéuticas sobre Actividades de Vida Diaria que estimulen conductas adaptativas. A pesar de que las tecnologías actuales tienen potencial suficiente para aportar nuevos beneficios al proceso de rehabilitación, existe cierta reticencia a su incorporación a la clínica diaria. A día de hoy, no se ha podido demostrar que su uso aporte una mejorar significativa con respecto a otro tipo de intervención; en otras palabras, no existe evidencia científica de la eficacia del uso de entornos virtuales interactivos en rehabilitación. En este contexto, la presente Tesis Doctoral trata de abordar los aspectos que mantienen a los entornos virtuales interactivos al margen de la rutina clínica diaria. Se estudian las diferentes etapas del proceso de rehabilitación cognitiva relacionado con la integración y uso de estos entornos: diseño de las actividades, su implementación en el entorno virtual, y finalmente la ejecución por el paciente y análisis de los respectivos datos. Por tanto, los bloques en los que queda dividido el trabajo de investigación expuesto en esta memoria son: 1. Diseño de las AVD. La definición y configuración de los elementos que componen la AVD permite al terapeuta diseñar estrategias de intervención terapéutica para actuar sobre el comportamiento del paciente durante la ejecución de la actividad. En esta parte de la tesis se pretende formalizar el diseño de las AVD de tal forma que el terapeuta pueda explotar el potencial tecnológico de los entornos virtuales interactivos abstrayéndose de la complejidad implícita a la tecnología. Para hacer viable este planteamiento se propone una metodología que permita modelar la definición de las AVD, representar el conocimiento implícito en ellas, y asistir al neuropsicólogo durante el proceso de diseño de la intervención clínica. 2. Entorno virtual interactivo. El gran avance tecnológico producido durante los Ãoltimos años permite reproducir AVD interactivas en un contexto de uso clínico. El objetivo perseguido en esta parte de la Tesis es el de extraer las características potenciales de esta solución tecnológica y aplicarla a las necesidades y requisitos de la rehabilitación cognitiva. Se propone el uso de la tecnología de Vídeo Interactivo para el desarrollo de estos entornos virtuales. Para la evaluación de la misma se realiza un estudio experimental dividido en dos fases con la participación de sujetos sanos y pacientes, donde se valora su idoneidad para ser utilizado en terapias de rehabilitación cognitiva. 3. Monitorización de las AVD. El uso de estos entornos virtuales interactivos expone al paciente ante una gran cantidad de estímulos e interacciones. Este hecho requiere de instrumentos de monitorización avanzado que aporten al terapeuta información objetiva sobre el comportamiento del paciente, lo que le podría permitir por ejemplo evaluar la eficacia del tratamiento. En este apartado se propone el uso de métricas basadas en la atención visual y la interacción con el entorno para conocer datos sobre el comportamiento del paciente durante la AVD. Se desarrolla un sistema de monitorización integrado con el entorno virtual que ofrece los instrumentos necesarios para la evaluación de estas métricas para su uso clínico. La metodología propuesta ha permitido diseñar una AVD basada en la definición de intervenciones terapéuticas. Posteriormente esta AVD has sido implementada mediante la tecnología de vídeo interactivo, creando así el prototipo de un entorno virtual para ser utilizado por pacientes con déficit cognitivo. Los resultados del estudio experimental mediante el cual ha sido evaluado demuestran la robustez y usabilidad del sistema, así como su capacidad para intervenir sobre el comportamiento del paciente. El sistema monitorización que ha sido integrado con el entorno virtual aporta datos objetivos sobre el comportamiento del paciente durante la ejecución de la actividad. Los resultados obtenidos permiten contrastar las hipótesis de investigación planteadas en la Tesis Doctoral, aportando soluciones que pueden ayudar a la integración de los entornos virtuales interactivos en la rutina clínica. Esto abre una nueva vía de investigación y desarrollo que podría suponer un gran progreso y mejora en los procesos de neurorrehabilitación cognitiva en daño cerebral. ABSTRACT Brain injury (BI) refers to medical conditions that occur in the brain, altering its function. It becomes one of the main neurological disabilities in the developed society. Cognitive processes determine individual performance in Activities of Daily Living (ADL), thus, the cognitive disorders after BI result in a loss of autonomy and independence, affecting the patient’s quality of life. Cognitive rehabilitation seeks to increase patients’ autonomy and quality of life minimizing or compensating functional disorders showed by BI patients. Brain plasticity is an intrinsic property of the human nervous system whereby its structure is changed depending on experience. Neurorehabilitation pursuits a precise modulation of this intrinsic property, based on specific exercises to induce functional changes, which could result in partial or total recovery of the affected functions. The new methodologies that can be approached by applying technologies to the rehabilitation process, permit to deal with the difficulties which are out of the scope of the traditional rehabilitation. Despite this huge breakthrough, there are still weaknesses in the rehabilitation process, such as the transferring to the real life those skills reached along the therapy, and its generalization to others daily activities. Virtual environments reproduce daily situations. Behavioural requirements which are similar to those we perceive in real life, are simulated in a controlled way. In these virtual environments the therapist is allowed to interact with patients without even being present, inhibiting unsuitable behaviour patterns, stimulating correct answers throughout the simulation and enhancing stimuli with supplementary information when necessary. Despite the benefits which could be brought to the cognitive rehabilitation by applying the potential of the current technologies, there are barriers for widespread use of interactive virtual environments in clinical routine. At present, the evidence that these technologies bring a significant improvement to the cognitive therapies is limited. In other words, there is no evidence about the efficacy of using virtual environments in rehabilitation. In this context, this work aims to address those issues which keep the virtual environments out of the clinical routine. The stages of the cognitive rehabilitation process, which are related with the use and integration of these environments, are analysed: activities design, its implementation in the virtual environment, and the patient’s performance and the data analysis. Hence, the thesis is comprised of the main chapters that are listed below: 1. ADL Design.Definition and configuration of the elements which comprise the ADL allow the therapist to design intervention strategies to influence over the patient behaviour along the activity performance. This chapter aims to formalise the AVD design in order to help neuropsychologists to make use of the interactive virtual environments’ potential but isolating them from the complexity of the technology. With this purpose a new methodology is proposed as an instrument to model the ADL definition, to manage its implied knowledge and to assist the clinician along the design process of the therapeutic intervention. 2. Interactive virtual environment. Continuous advancements make the technology feasible for re-creating rehabilitation therapies based on ADL. The goal of this stage is to analyse the main features of virtual environments in order to apply them according to the cognitive rehabilitation’s requirements. The interactive video is proposed as the technology to develop virtual environments. Experimental study is carried out to assess the suitability of the interactive video to be used by cognitive rehabilitation. 3. ADL monitoring system. This kind of virtual environments bring patients in front lots of stimuli and interactions. Thus, advanced monitoring instruments are needed to provide therapist with objective information about patient’s behaviour. This thesis chapter propose the use of metrics rely on visual patients’ visual attention and their interactions with the environment. A monitoring system has been developed and integrated with the interactive video-based virtual environment, providing neuropsychologist with the instruments to evaluate the clinical force of this metrics. Therapeutic interventions-based ADL has been designed by using the proposed methodology. Interactive video technology has been used to develop the ADL, resulting in a virtual environment prototype to be use by patients who suffer a cognitive deficits. An experimental study has been performed to evaluate the virtual environment, whose overcomes show the usability and solidity of the system, and also its capacity to have influence over patient’s behaviour. The monitoring system, which has been embedded in the virtual environment, provides objective information about patients’ behaviour along their activity performance. Research hypothesis of the Thesis are proven by the obtained results. They could help to incorporate the interactive virtual environments in the clinical routine. This may be a significant step forward to enhance the cognitive neurorehabilitation processes in brain injury.