Central autonomic control in spontaneously hypertensive rats: a study on phasic phenomena during rapid-eye-movement sleep

The cardiovascular regulation undergoes wide changes in the different states of sleepwake cycle. In particular, the relationship between spontaneous fluctuations in heart period and arterial pressure clearly shows differences between the two sleep states. In non rapid-eye-movement sleep, heart rhythm is under prevalent baroreflex control, whereas in rapid-eye-movement sleep central autonomic commands prevail (Zoccoli et al., 2001). Moreover, during rapid-eye-movement sleep the cardiovascular variables show wide fluctuations around their mean value. In particular, during rapid-eyemovement sleep, the arterial pressure shows phasic hypertensive events which are superimposed upon the tonic level of arterial pressure. These phasic increases in arterial pressure are accompanied by an increase in heart rate (Sei & Morita, 1996; Silvani et al., 2005). Thus, rapid-eye-movement sleep may represent an “autonomic stress test” for the cardiovascular system, able to unmask pathological patterns of cardiovascular regulation (Verrier et al. 2005), but this hypothesis has never been tested experimentally. The aim of this study was to investigate whether rapid-eye-movement sleep may reveal derangements in central autonomic cardiovascular control in an experimental model of essential hypertension. The study was performed in Spontaneously Hypertensive Rats, which represent the most widely used model of essential hypertension, and allow full control of genetic and environmental confounding factors. In particular, we analyzed the cardiovascular, electroencephalogram, and electromyogram changes associated with phasic hypertensive events during rapid-eyemovement sleep in Spontaneously Hypertensive Rats and in their genetic Wistar Kyoto control strain. Moreover, we studied also a group of Spontaneously Hypertensive Rats made phenotypically normotensive by means of a chronic treatment with an angiotensin converting enzyme inhibitor, the Enalapril maleate, from the age of four weeks to the end of the experiment. All rats were implanted with electrodes for electroencephalographic and electromyographic recordings and with an arterial catheter for arterial pressure measurement. After six days for postoperative recovery, the rats were studied for five days, at an age of ten weeks.The study indicated that the peak of mean arterial pressure increase during the phasic hypertensive events in rapid-eye-movement sleep did not differ significantly between Spontaneously Hypertensive Rats and Wistar Kyoto rats, while on the other hand Spontaneously Hypertensive Rats showed a reduced increase in the frequency of theta rhythm and a reduced tachicardia with respect to Wistar Kyoto rats. The same pattern of changes in mean arterial pressure, heart period, and theta frequency was observed between Spontaneously Hypertensive Rats and Spontaneously Hypertensive Rats treated with Enalapril maleate. Spontaneously Hypertensive Rats do not differ from Wistar Kyoto rats only in terms of arterial hypertension, but also due to multiple unknown genetic differences. Spontaneously Hypertensive Rats were developed by selective breeding of Wistar Kyoto rats based only on the level of arterial pressure. However, in this process, multiple genes possibly unrelated to hypertension may have been selected together with the genetic determinants of hypertension (Carley et al., 2000). This study indicated that Spontaneously Hypertensive Rats differ from Wistar Kyoto rats, but not from Spontaneously Hypertensive Rats treated with Enalapril maleate, in terms of arterial pH and theta frequency. This feature may be due to genetic determinants unrelated to hypertension. In sharp contrast, the persistence of differences in the peak of heart period decrease and the peak of theta frequency increase during phasic hypertensive events between Spontaneously Hypertensive Rats and Spontaneously Hypertensive Rats treated with Enalapril maleate demonstrates that the observed reduction in central autonomic control of the cardiovascular system in Spontaneously Hypertensive Rats is not an irreversible consequence of inherited genetic determinants. Rather, the comparison between Spontaneously Hypertensive Rats and Spontaneously Hypertensive Rats treated with Enalapril maleate indicates that the observed differences in central autonomic control are the result of the hypertension per se. This work supports the view that the study of cardiovascular regulation in sleep provides fundamental insight on the pathophysiology of hypertension, and may thus contribute to the understanding of this disease, which is a major health problem in European countries (Wolf-Maier et al., 2003) with its burden of cardiac, vascular, and renal complications.

Useful computer vision techniques for human-robot interaction

[ES]This paper describes some simple but useful computer vision techniques for human-robot interaction. First, an omnidirectional camera setting is described that can detect people in the surroundings of the robot, giving their angular positions and a rough estimate of the distance. The device can be easily built with inexpensive components. Second, we comment on a color-based face detection technique that can alleviate skin-color false positives. Third, a simple head nod and shake detector is described, suitable for detecting affirmative/negative, approval/dissaproval, understanding/disbelief head gestures.

Il Senato come camera di rappresentanza territoriale

La riforma del bicameralismo rappresenta nell’ordinamento italiano una delle tematiche più dibattute sin dalla “concessione” dello Statuto Albertino. In Assemblea Costituente, infatti, l’opzione tra monocamerali e bicameralismo - prima - e il dibattito su che tipo di bicameralismo si sarebbe dovuto adottare - poi - hanno dato vita ad una parte organizzativa particolarmente debole e in gran parte antiquata rispetto alle esigenze della prima parte della Costituzione che, al contrario, ha rappresentato il precipitato di una profonda consonanza di ideali. La tesi si propone dunque l’obiettivo di dimostrare che l’esigenza di procedere ad una riforma del sistema bicamerale in Italia sia oggi quanto mai attuale e necessaria. Da un lato, infatti, essa favorirebbe il superamento delle inefficienze del sistema parlamentare e potrebbe rappresentare uno strumento per ovviare alla debole razionalizzazione della forma di governo che, da sempre, ha determinato la strutturale instabilità degli esecutivi. Dall’altro lato, la riforma servirebbe soprattutto a realizzare quella connessione organica tra Stato e regioni necessaria per completare il disegno regionalistico che si ricava dalla Costituzione stessa. Esigenza questa che, peraltro, si è notevolmente rafforzata con la riforma del titolo V della Costituzione, la cui portata innovativa è stata sostanzialmente svuotata di contenuto a causa delle difficoltà che si sono incontrate nella sua attuazione.

Synthesis of Hand Exoskeletons for the Rehabilitation of Post-Stroke Patients

This dissertation presents the synthesis of a hand exoskeleton (HE) for the rehabilitation of post-stroke patients. Through the analysis of state-of-the-art, a topological classification was proposed. Based on the proposed classification principles, the rehabilitation HEs were systematically analyzed and classified. This classification is helpful to both understand the reason of proposing certain solutions for specific applications and provide some useful guidelines for the design of a new HE, that was actually the primary motivation of this study. Further to this classification, a novel rehabilitation HE was designed to support patients in cylindrical shape grasping tasks with the aim of recovering the basic functions of manipulation. The proposed device comprises five planar mechanisms, one per finger, globally actuated by two electric motors. Indeed, the thumb flexion/extension movement is controlled by one actuator whereas a second actuator is devoted to the control of the flexion/extension of the other four fingers. By focusing on the single finger mechanism, intended as the basic model of the targeted HE, the feasibility study of three different 1 DOF mechanisms are analyzed: a 6-link mechanism, that is connected to the human finger only at its tip, an 8-link and a 12-link mechanisms where phalanges and articulations are part of the kinematic chain. The advantages and drawbacks of each mechanism are deeply analyzed with respect to targeted requirements: the 12-link mechanism was selected as the most suitable solution. The dimensional synthesis based on the Burmester theory as well as kinematic and static analyses were separately done for all fingers in order to satisfy the desired specifications. The HE was finally designed and a prototype was built. The experimental results of the first tests are promising and demonstrate the potential for clinical applications of the proposed device in robot-assisted training of the human hand for grasping functions.

Principi e metodi della robotica evolutiva

L’intelligenza artificiale, ovvero lo studio e la progettazione di sistemi intelligenti, mira a riprodurre alcuni aspetti dell’intelligenza umana, come il linguaggio e il ragionamento deduttivo, nei computer. La robotica, invece, cerca spesso di ricreare nei robot comportamenti adattativi, come l’abilità di manipolare oggetti o camminare, mediante l’utilizzo di algoritmi in grado di generare comportamenti desiderati. Una volta realizzato uno di questi algoritmi specificamente per una certa abilità, si auspica che tale algoritmo possa essere riutilizzato per generare comportamenti più complessi fino a che il comportamento adattativo del robot non si mostri ad un osservatore esterno come intelligente; purtroppo questo non risulta sempre possibile e talvolta per generare comportamenti di maggiore complessità è necessario riscrivere totalmente gli algoritmi. Appare quindi evidente come nel campo della robotica l’attenzione sia incentrata sul comportamento, perché le azioni di un robot generano nuove stimolazioni sensoriali, che a loro volta influiscono sulle sue azioni future. Questo tipo di intelligenza artificiale (chiamata propriamente embodied cognition) differisce da quella propriamente detta per il fatto che l’intelligenza non emerge dall’introspezione ma dalle interazioni via via più complesse che la macchina ha con l’ambiente circostante. Gli esseri viventi presenti in natura mostrano, infatti, alcuni fenomeni che non sono programmati a priori nei geni, bensì frutto dell’interazione che l’organismo ha con l’ambiente durante le varie fasi del suo sviluppo. Volendo creare una macchina che sia al contempo autonoma e adattativa, si devono affrontare due problemi: il primo è relativo alla difficoltà della progettazione di macchine autonome, il secondo agli ingenti costi di sviluppo dei robot. Alla fine degli anni ’80 nasce la robotica evolutiva che, traendo ispirazione dall’evoluzione biologica, si basa sull’utilizzo di software in grado di rappresentare popolazioni di robot virtuali e la capacità di farli evolvere all’interno di un simulatore, in grado di rappresentare le interazioni tra mente e corpo del robot e l’ambiente, per poi realizzare fisicamente solo i migliori. Si utilizzano algoritmi evolutivi per generare robot che si adattano, anche dal punto di vista della forma fisica, all’ambiente in cui sono immersi. Nel primo capitolo si tratterà di vita ed evoluzione artificiali, concetti che verranno ripresi nel secondo capitolo, dedicato alle motivazioni che hanno portato alla nascita della robotica evolutiva, agli strumenti dei quali si avvale e al rapporto che ha con la robotica tradizionale e le sue declinazioni. Nel terzo capitolo si presenteranno i tre formalismi mediante i quali si sta cercando di fornire un fondamento teorico a questa disciplina. Infine, nel quarto capitolo saranno mostrati i problemi che ancora oggi non hanno trovato soluzione e le sfide che si devono affrontare trattando di robotica evolutiva.

Interfaccia software di verifica e calibrazione a terra del sensore di terra di ESEO

In questo lavoro di tesi è stata validata una interfaccia grafica in ambiente Windows capace di impostare i parametri della camera Tau 320 FLIR, usata a bordo del satellite ESEO come sensore di terra. L'impostazione dei parametri passa, inoltre, attraverso l'hardware Discovery F4 e per questo è stato sviluppato e validato anche uno script in linguaggio C per la Discovery che fa comunicare il PC con la camera.

Apprendimento hebbiano in robotica: teoria e applicazione

Partendo dallo sviluppo della teoria dell'apprendimento Hebbiano, si delinea un percorso per la creazione di robot in grado di apprendere tramite architettura DAC e Value System.

Applicazione del linguaggio ad agenti Jason per la programmazione di alto livello di robot

I sistemi software rivestono nel campo dell'informatica un ruolo di fondamentale importanza. Negli ultimi anni una caratteristica richiesta ai sistemi è la decentralizzazione del controllo, nell'ottica di un sistema visto come connessioni di parti che possono interagire, e dove ciascuna parte possiede un certo grado di autonomia nella scelta delle attività che devono essere compiute. In tale contesto si introduce il paradigma degli agenti, in quanto include sia aspetti relativi ai modelli computazionali, sia aspetti relativi ai linguaggi. Nella tesi si esplora l'applicazione del linguaggio di programmazione Jason applicato alla programmazione dei controllori di robot. In particolare, si esplora ciò che riguarda il comportamento individuale dell'agente.

Realizzazione di una camera iperspettrale per uso industriale

Il lavoro svolto è stato commissionato dall’azienda CNI, la quale ha richiesto al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’università di Bologna la costruzione di una camera iperspettrale per uso industriale. In questo elaborato sono descritte le tecniche di progettazione e realizzazione dell’apparato ottico, adatto ad indagare lunghezze d’onda nel range visibile. Questo apparato è composto da un obiettivo focalizzatore, uno spettroscopio e un sensore finale. La realizzazione pratica dello strumento è stata raggiunta attraverso tre fasi distinte: la calibrazione, l’assemblaggio e i test finali; ciò ha permesso di ottenere risultati in accordo con quelli previsti in fase di progettazione. Poiché i risultati ottenuti si sono rivelati conformi alle richieste dell’azienda, si è potuto procedere all’applicazione di una particolare copertura della camera iperspettrale. Questo procedimento di copertura e chiusura della camera è stato necessario sia per permettere all’azienda di svolgere test con lo spettroscopio in condizioni di elevata oscurità, sia per preservare i vari elementi ottici da movimenti meccanici esterni. Terminato così il lavoro, è stata consegnata all’azienda la camera chiusa. Essa sarà testata per l’analisi spettrale di campioni, che passano attraverso una linea illuminata di lunghezza 1 m e ad una distanza di 1,5 m, su un rullo autotrasportatore. In futuro è prevista anche la realizzazione di un’altra camera iperspettrale che indaghi le lunghezze d’onda nel vicino infrarosso.

Decision making nella robotica collettiva

Nel testo viene esposta la presa di decisione nella robotica collettiva, cioè il comportamento collettivo esibito dagli animali sociali in sciame migrato in un gruppo di robot. Questa tesi si prefigge di analizzare come un insieme di individui, all'interno di un gruppo, possano giungere tutti ad avere una stessa opinione comune, o come essi siano in grado di dividersi autonomamente il lavoro senza alcun bisogno di controllo centrale. Inizialmente, viene introdotta la robotica collettiva, esponendone origini, caratteristiche e ambiti di ricerca. Viene in seguito presentato il collective decision making, all'interno del comportamento collettivo generale, esponendone le origini biologiche fino ai primi esperimenti su dei semplici robot. Vengono poi analizzati i due aspetti del decision making, vale a dire il raggiungimento del consenso e la suddivisione del lavoro. Per entrambi gli argomenti, sono presentati studi sia di carattere biologico che robotico, allo scopo di trarne similitudini e differenze e realizzare una valida analisi critica. Infine, vengono esposti i possibili sviluppi del comportamento e della robotica collettiva, mostrando possibili scenari di utilizzo futuro e gli attuali limiti allo sviluppo.

Punti impropri nella robotica mobile

Negli ultimi decenni molti autori hanno affrontato varie sfide per quanto riguarda la navigazione autonoma di robot e sono state proposte diverse soluzioni per superare le difficoltà di piattaforme di navigazioni intelligenti. Con questo elaborato vogliamo ricercare gli obiettivi principali della navigazione di robot e tra questi andiamo ad approfondire la stima della posa di un robot o di un veicolo autonomo. La maggior parte dei metodi proposti si basa sul rilevamento del punto di fuga che ricopre un ruolo importante in questo campo. Abbiamo analizzato alcune tecniche che stimassero la posizione del robot in primo luogo nell’ambiente interno e presentiamo in particolare un metodo che risale al punto di fuga basato sulla trasformata di Hough e sul raggruppamento K-means. In secondo luogo presentiamo una descrizione generale di alcuni aspetti della navigazione su strade e su ambienti pedonali.

Installazione del navigation stack su rover terrestre e applicazione del kinect nello human-robot interaction.

Progetto SHERPA. Installazione e configurazione del Navigaton Stack su Rover terrestre. Utilizzo e configurazione di LMS151 Sick. Utilizzo e configurazione di Asus Xtion Pro. Progettazione di software per la localizzazione e l'inseguimento di persone tramite camera di profondita.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

ANKLE IMPEDANCE AND ANKLE ANGLES DURING STEP TURN AND STRAIGHT WALK: IMPLICATIONS FOR THE DESIGN OF A STEERABLE ANKLE-FOOT PROSTHETIC ROBOT

During locomotion, turning is a common and recurring event which is largely neglected in the current state-of-the-art ankle-foot prostheses, forcing amputees to use different steering mechanisms for turning, compared to non-amputees. A better understanding of the complexities surrounding lower limb prostheses will lead to increased health and well-being of amputees. The aim of this research is to develop a steerable ankle-foot prosthesis that mimics the human ankle mechanical properties. Experiments were developed to estimate the mechanical impedance of the ankle and the ankles angles during straight walk and step turn. Next, this information was used in the design of a prototype, powered steerable ankle-foot prosthesis with two controllable degrees of freedom. One of the possible approaches in design of the prosthetic robots is to use the human joints’ parameters, especially their impedance. A series of experiments were conducted to estimate the stochastic mechanical impedance of the human ankle when muscles were fully relaxed and co-contracting antagonistically. A rehabilitation robot for the ankle, Anklebot, was employed to provide torque perturbations to the ankle. The experiments were performed in two different configurations, one with relaxed muscles, and one with 10% of maximum voluntary contraction (MVC). Surface electromyography (sEMG) was used to monitor muscle activation levels and these sEMG signals were displayed to subjects who attempted to maintain them constant. Time histories of ankle torques and angles in the lateral/medial (LM) directions, inversion-eversion (IE), and dorsiflexionplantarflexion (DP) were recorded. Linear time-invariant transfer functions between the measured torques and angles were estimated providing an estimate of ankle mechanical impedance. High coherence was observed over a frequency range up to 30 Hz. The main effect of muscle activation was to increase the magnitude of ankle mechanical impedance in all degrees of freedom of the ankle. Another experiment compared the three-dimensional angles of the ankle during step turn and straight walking. These angles were measured to be used for developing the control strategy of the ankle-foot prosthesis. An infrared camera system was used to track the trajectories and angles of the foot and leg. The combined phases of heel strike and loading response, mid stance, and terminal stance and pre-swing were determined and used to measure the average angles at each combined phase. The Range of motion (ROM) in IE increased during turning while ML rotation decreased and DP changed the least. During the turning step, ankle displacement in DP started with similar angles to straight walk and progressively showed less plantarflexion. In IE, the ankle showed increased inversion leaning the body toward the inside of the turn. ML rotation initiated with an increased medial rotation during the step turn relative to the straight walk transitioning to increased lateral rotation at the toe off. A prototype ankle-foot prosthesis capable of controlling both DP and IE using a cable driven mechanism was developed and assessed as part of a feasibility study. The design is capable of reproducing the angles required for straight walk and step turn; generates 712N of lifting force in plantarflexion, and shows passive stiffness comparable to a nonload bearing ankle impedance. To evaluate the performance of the ankle-foot prosthesis, a circular treadmill was developed to mimic human gait during steering. Preliminary results show that the device can appropriately simulate human gait with loading and unloading the ankle joint during the gait in circular paths.