Postural control under visual and proprioceptive perturbations during double and single limb stances: Insights for balance training

Single Limb Stance under visual and proprioceptive disturbances is largely used in clinical settings in order to improve balance in a wide range of functional disabilities. However, the proper role of vision and proprioception in SLS is not completely understood. The objectives of this study were to test the hypotheses that when ankle proprioception is perturbed, the role of vision in postural control increases according to the difficulty of the standing task. And to test the effect of vision during postural adaptation after withdrawal of the somesthetic perturbation during double and single limb stance. Eleven males were submitted to double (DLS) and single limb (SLS) stances under conditions of normal or reduced vision, both with normal and perturbed proprioception. Center of pressure parameters were analyzed across conditions. Vision had a main effect in SLS, whereas proprioception perturbation showed effects only during DLS. Baseline stability was promptly achieved independently of visual input after proprioception reintegration. In conclusion, the role of vision increases in SLS. After proprioception reintegration, vision does not affect postural recovery. Balance training programs must take that into account. © 2011 Elsevier Ltd.

Central projections of Drosophila sensory neurons in the transition from embryo to larva

Sensory axons of different sensory modalities project into typical domains within insect ganglia. Tactile and gustatory axons project into a ventral layer of neuropil and proprioceptive afferents, including chordotonal axone, into an intermediate or dorsal layer. Here, we describe the central projections of sensory neurons in the first instar Drosophila larva, relating them to the projection of the same sensory afferents in the embryo and to sensory afferents of similar type in other insects. Several neurons show marked morphologic changes in their axon terminals in the transition between the embryo and larva. During a short morphogenetic period late in embryogenesis, the axon terminals of the dorsal bipolar dendrite stretch receptor change their shape and their distribution within the neuromere. In the larva, external sense organ neurons (es) project their axons into a ventral layer of neuropil. Chordotonal sensory neurons (ch) project into a slightly more dorsal region that is comparable to their projection in adults. The multiple dendrite (md) neurons show two distinctive classes of projection. One group of md neurons projects into the ventral-most neuropil region, the same region into which es neurons project. Members of this group are related by lineage to es neurons or share a requirement for expression of the same proneural gene during development. Other md neurons project into a more dorsal region. Sensory receptors projecting into dorsal neuropil possibly provide proprioceptive feedback from the periphery to central motorneurons and are candidates for future genetic and cellular analysis of simple neural circuitry. J. Comp. Neurol. 425:34-44, 2000. (C) 2000 Wiley-Liss, Inc.

How active gaze informs the hand in sequential pointing movements

Visual information is vital for fast and accurate hand movements. It has been demonstrated that allowing free eye movements results in greater accuracy than when the eyes maintain centrally fixed. Three explanations as to why free gaze improves accuracy are: shifting gaze to a target allows visual feedback in guiding the hand to the target (feedback loop), shifting gaze generates ocular-proprioception which can be used to update a movement (feedback-feedforward), or efference copy could be used to direct hand movements (feedforward). In this experiment we used a double-step task and manipulated the utility of ocular-proprioceptive feedback from eye to head position by removing the second target during the saccade. We confirm the advantage of free gaze for sequential movements with a double-step pointing task and document eye-hand lead times of approximately 200 ms for both initial movements and secondary movements. The observation that participants move gaze well ahead of the current hand target dismisses foveal feedback as a major contribution. We argue for a feedforward model based on eye movement efference as the major factor in enabling accurate hand movements. The results with the double-step target task also suggest the need for some buffering of efference and ocular-proprioceptive signals to cope with the situation where the eye has moved to a location ahead of the current target for the hand movement. We estimate that this buffer period may range between 120 and 200 ms without significant impact on hand movement accuracy.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Spatiotemporal neuromodulation therapies engaging muscle synergies improve motor control after spinal cord injury.

Electrical neuromodulation of lumbar segments improves motor control after spinal cord injury in animal models and humans. However, the physiological principles underlying the effect of this intervention remain poorly understood, which has limited the therapeutic approach to continuous stimulation applied to restricted spinal cord locations. Here we developed stimulation protocols that reproduce the natural dynamics of motoneuron activation during locomotion. For this, we computed the spatiotemporal activation pattern of muscle synergies during locomotion in healthy rats. Computer simulations identified optimal electrode locations to target each synergy through the recruitment of proprioceptive feedback circuits. This framework steered the design of spatially selective spinal implants and real-time control software that modulate extensor and flexor synergies with precise temporal resolution. Spatiotemporal neuromodulation therapies improved gait quality, weight-bearing capacity, endurance and skilled locomotion in several rodent models of spinal cord injury. These new concepts are directly translatable to strategies to improve motor control in humans.

Tactile-Proprioceptive Robotic Grasping

Robotic grasping has been studied increasingly for a few decades. While progress has been made in this field, robotic hands are still nowhere near the capability of human hands. However, in the past few years, the increase in computational power and the availability of commercial tactile sensors have made it easier to develop techniques that exploit the feedback from the hand itself, the sense of touch. The focus of this thesis lies in the use of this sense. The work described in this thesis focuses on robotic grasping from two different viewpoints: robotic systems and data-driven grasping. The robotic systems viewpoint describes a complete architecture for the act of grasping and, to a lesser extent, more general manipulation. Two central claims that the architecture was designed for are hardware independence and the use of sensors during grasping. These properties enables the use of multiple different robotic platforms within the architecture. Secondly, new data-driven methods are proposed that can be incorporated into the grasping process. The first of these methods is a novel way of learning grasp stability from the tactile and haptic feedback of the hand instead of analytically solving the stability from a set of known contacts between the hand and the object. By learning from the data directly, there is no need to know the properties of the hand, such as kinematics, enabling the method to be utilized with complex hands. The second novel method, probabilistic grasping, combines the fields of tactile exploration and grasp planning. By employing well-known statistical methods and pre-existing knowledge of an object, object properties, such as pose, can be inferred with related uncertainty. This uncertainty is utilized by a grasp planning process which plans for stable grasps under the inferred uncertainty.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Robust model predictive controller with output feedback and target tracking

A model predictive controller (MPC) is proposed, which is robustly stable for some classes of model uncertainty and to unknown disturbances. It is considered as the case of open-loop stable systems, where only the inputs and controlled outputs are measured. It is assumed that the controller will work in a scenario where target tracking is also required. Here, it is extended to the nominal infinite horizon MPC with output feedback. The method considers an extended cost function that can be made globally convergent for any finite input horizon considered for the uncertain system. The method is based on the explicit inclusion of cost contracting constraints in the control problem. The controller considers the output feedback case through a non-minimal state-space model that is built using past output measurements and past input increments. The application of the robust output feedback MPC is illustrated through the simulation of a low-order multivariable system.

Infinite horizon MPC with non-minimal state space feedback

In the MPC literature, stability is usually assured under the assumption that the state is measured. Since the closed-loop system may be nonlinear because of the constraints, it is not possible to apply the separation principle to prove global stability for the Output feedback case. It is well known that, a nonlinear closed-loop system with the state estimated via an exponentially converging observer combined with a state feedback controller can be unstable even when the controller is stable. One alternative to overcome the state estimation problem is to adopt a non-minimal state space model, in which the states are represented by measured past inputs and outputs [P.C. Young, M.A. Behzadi, C.L. Wang, A. Chotai, Direct digital and adaptative control by input-output, state variable feedback pole assignment, International journal of Control 46 (1987) 1867-1881; C. Wang, P.C. Young, Direct digital control by input-output, state variable feedback: theoretical background, International journal of Control 47 (1988) 97-109]. In this case, no observer is needed since the state variables can be directly measured. However, an important disadvantage of this approach is that the realigned model is not of minimal order, which makes the infinite horizon approach to obtain nominal stability difficult to apply. Here, we propose a method to properly formulate an infinite horizon MPC based on the output-realigned model, which avoids the use of an observer and guarantees the closed loop stability. The simulation results show that, besides providing closed-loop stability for systems with integrating and stable modes, the proposed controller may have a better performance than those MPC controllers that make use of an observer to estimate the current states. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A Class of Channels Resulting in Ill-Convergence for CMA in Decision Feedback Equalizers

This paper analyzes the convergence of the constant modulus algorithm (CMA) in a decision feedback equalizer using only a feedback filter. Several works had already observed that the CMA presented a better performance than decision directed algorithm in the adaptation of the decision feedback equalizer, but theoretical analysis always showed to be difficult specially due to the analytical difficulties presented by the constant modulus criterion. In this paper, we surmount such obstacle by using a recent result concerning the CM analysis, first obtained in a linear finite impulse response context with the objective of comparing its solutions to the ones obtained through the Wiener criterion. The theoretical analysis presented here confirms the robustness of the CMA when applied to the adaptation of the decision feedback equalizer and also defines a class of channels for which the algorithm will suffer from ill-convergence when initialized at the origin.

Galerkin Method and Weighting Functions Applied to Nonlinear H(infinity) Control with Output Feedback

This paper considers two aspects of the nonlinear H(infinity) control problem: the use of weighting functions for performance and robustness improvement, as in the linear case, and the development of a successive Galerkin approximation method for the solution of the Hamilton-Jacobi-Isaacs equation that arises in the output-feedback case. Design of nonlinear H(infinity) controllers obtained by the well-established Taylor approximation and by the proposed Galerkin approximation method applied to a magnetic levitation system are presented for comparison purposes.

On the convergence of successive Galerkin approximation for nonlinear output feedback H(infinity) control

Although the formulation of the nonlinear theory of H(infinity) control has been well developed, solving the Hamilton-Jacobi-Isaacs equation remains a challenge and is the major bottleneck for practical application of the theory. Several numerical methods have been proposed for its solution. In this paper, results on convergence and stability for a successive Galerkin approximation approach for nonlinear H(infinity) control via output feedback are presented. An example is presented illustrating the application of the algorithm.

Some remarks on static-feedback linearization for time-varying systems

This work summarizes some results about static state feedback linearization for time-varying systems. Three different necessary and sufficient conditions are stated in this paper. The first condition is the one by [Sluis, W. M. (1993). A necessary condition for dynamic feedback linearization. Systems & Control Letters, 21, 277-283]. The second and the third are the generalizations of known results due respectively to [Aranda-Bricaire, E., Moog, C. H., Pomet, J. B. (1995). A linear algebraic framework for dynamic feedback linearization. IEEE Transactions on Automatic Control, 40, 127-132] and to [Jakubczyk, B., Respondek, W. (1980). On linearization of control systems. Bulletin del` Academie Polonaise des Sciences. Serie des Sciences Mathematiques, 28, 517-522]. The proofs of the second and third conditions are established by showing the equivalence between these three conditions. The results are re-stated in the infinite dimensional geometric approach of [Fliess, M., Levine J., Martin, P., Rouchon, P. (1999). A Lie-Backlund approach to equivalence and flatness of nonlinear systems. IEEE Transactions on Automatic Control, 44(5), 922-937]. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

An unexpected role for visual feedback in vehicle steering control

Some motor tasks can be completed, quite literally, with our eyes shut. Most people can touch their nose without looking or reach for an object after only a brief glance at its location. This distinction leads to one of the defining questions of movement control: is information gleaned prior to starting the movement sufficient to complete the task (open loop), or is feedback about the progress of the movement required (closed loop)? One task that has commanded considerable interest in the literature over the years is that of steering a vehicle, in particular lane-correction and lane-changing tasks. Recent work has suggested that this type of task can proceed in a fundamentally open loop manner [1 and 2], with feedback mainly serving to correct minor, accumulating errors. This paper reevaluates the conclusions of these studies by conducting a new set of experiments in a driving simulator. We demonstrate that, in fact, drivers rely on regular visual feedback, even during the well-practiced steering task of lane changing. Without feedback, drivers fail to initiate the return phase of the maneuver, resulting in systematic errors in final heading. The results provide new insight into the control of vehicle heading, suggesting that drivers employ a simple policy of “turn and see,” with only limited understanding of the relationship between steering angle and vehicle heading.