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NOViSE: a virtual natural orifice transluminal endoscopic surgery simulator
Purpose: Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES) is a novel technique in minimally invasive surgery whereby a flexible endoscope is inserted via a natural orifice to gain access to the abdominal cavity, leaving no external scars. This innovative use of flexible endoscopy creates many new challenges and is associated with a steep learning curve for clinicians. Methods: We developed NOViSE - the first force-feedback enabled virtual reality simulator for NOTES training supporting a flexible endoscope. The haptic device is custom built and the behaviour of the virtual flexible endoscope is based on an established theoretical framework – the Cosserat Theory of Elastic Rods. Results: We present the application of NOViSE to the simulation of a hybrid trans-gastric cholecystectomy procedure. Preliminary results of face, content and construct validation have previously shown that NOViSE delivers the required level of realism for training of endoscopic manipulation skills specific to NOTES Conclusions: VR simulation of NOTES procedures can contribute to surgical training and improve the educational experience without putting patients at risk, raising ethical issues or requiring expensive animal or cadaver facilities. In the context of an experimental technique, NOViSE could potentially facilitate NOTES development and contribute to its wider use by keeping practitioners up to date with this novel surgical technique. NOViSE is a first prototype and the initial results indicate that it provides promising foundations for further development
Study and characterisation of surface integrity modification after ultrasonic vibration-assisted ball burnishing
Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Toulouse III Paul Sabatier. Aplicat embargament des de la data de defensa fins a gener de 2020Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit d’Enginyeria IndustrialThis dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterization of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analyzed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance.
Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. .e main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimization objective.
Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired targetEsta tesis es un estudio experimental que versa sobre los efectos del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones ultrasĂłnicas sobre la integridad superficial de superficies mecanizadas mediante fresa hemisfĂ©rica. Dada la indisponibilidad de herramientas comerciales capaces de efectuar este proceso, el estudio incluye en primer lugar el diseño y caracterizaciĂłn de un prototipo a tal efecto. Posteriormente, se realiza un análisis experimental aplicando el proceso sobre superficies de dos aleaciones de interĂ©s industrial y aeronáutico, AISI 1038 y Ti-6Al-4V, siguiendo un diseño de experimentos fraccionario basado en una matriz ortogonal de Taguchi. Para ello, cinco factores son incluidos en el modelo, a saber: la precarga, el nĂşmero de pasadas, la velocidad de avance, la estrategia de bruñido, y la textura de la superficie de partida. Los resultados se evalĂşan en tĂ©rminos de textura, tensiones residuales y dureza, para identificar y comprender el impacto de este proceso y de sus parámetros de operaciĂłn sobre la integridad superficial, para definir los mejores parámetros a aplicar para cada material, y con el fin de evaluar los efectos positivos provocados por la introducciĂłn de las vibraciones como medio de asistencia. Los resultados revelan que la textura inicial es el parámetro que define en mayor medida el estado de las superficies finales. Los resultados de textura evidencian que las vibraciones pueden mejorar en mayor medida la topologĂa de las superficies objetivo, siempre que Ă©stas sean suficientemente finas. Además, sĂłlo la precarga y el nĂşmero de pasadas influyen en el resultado, encontrando en todo caso un par de valores limĂtrofe a partir del cual las superficies se ven dañadas. Los resultados de tensiones residuales muestran que todos los parámetros son influyentes en el resultado final, especialmente la estrategia de bruñido, con la que puede modificarse la direcciĂłn preferencial del tensor de tensiones superficial. Finalmente, el bruñido demuestra modificar la dureza positivamente hasta capas de aproximadamente 0,5 mm, aplicando el proceso asistido con vibraciones. Se concluye que los parámetros Ăłptimos de proceso son diferentes en funciĂłn del objetivo de optimizaciĂłn, y deben definirse en base a dos variables de partida: el material objetivo y la textura que Ă©ste presenta antes del proceso.Cette thèse Ă©tudie les effets du processus de brunissage Ă bille assistĂ© par vibrations ultrasoniques sur l’intĂ©gritĂ© surface des surfaces usinĂ©es par fraisage hĂ©misphĂ©rique. Compte tenu de l’inexistence d’outils commerciaux capables de rĂ©aliser ce processus, l’étude dĂ©bute par la conception et la caractĂ©risation d’un prototype capable de l’exĂ©cuter. Par la suite, une analyse expĂ©rimentale est menĂ©e, en utilisant le procĂ©dĂ© sur les surfaces de deux alliages d’intĂ©rĂŞt industriel et aĂ©ronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d’expĂ©riences est elaborĂ© Ă base d’une matrice orthogonale Taguchi.
Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la prĂ©charge, le nombre de passes, la vitesse d’avance, la stratĂ©gie de brunissage et la texture initiale de la surface prĂ©alablement usinĂ©e. Les rĂ©sultats sont Ă©valuĂ©s en termes de texture finale, de contrainte rĂ©siduelle et de duretĂ©, pour identifier et comprendre l’impact de ce procĂ©dĂ© et des paramètres opĂ©ratoires sur l’intĂ©gritĂ© de surface, pour dĂ©finir les meilleurs paramètres Ă appliquer pour chaque matĂ©riau, et pour Ă©valuer les effets positifs provoquĂ©s par l’introduction de vibrations comme moyen d’assistance. Pour cela, la notion d’intĂ©gritĂ© de surface est rappelĂ©e, voire redĂ©finie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisĂ©s se rĂ©vèlent inaptes Ă caractĂ©riser les surfaces obtenues, et une nouvelle mĂ©thodologie d’analyse des topologies de surface est proposĂ©e. Les rĂ©sultats obtenus suite Ă la rĂ©alisation du plan d’expĂ©riences rĂ©vèlent que la texture initiale est le paramètre prĂ©pondĂ©rant. Les rĂ©sultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent amĂ©liorer la rugositĂ© et la texture des surfaces dans la mesure oĂą l’état de surface initial est sufisamment fin. Ensuite, seule la prĂ©charge et le nombre de passes influencent le rĂ©sultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites Ă partir desquelles les surfaces sont endommagĂ©es. Les rĂ©sultats des contraintes rĂ©siduelles montrent que tous les paramètres influent sur le rĂ©sultat final, en particulier la stratĂ©gie de brunissage, avec laquelle la direction prĂ©fĂ©rentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut ĂŞtre modifiĂ©e. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la duretĂ© Ă des couches d’environ 0,5 mm en appliquant le processus assistĂ© avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont difĂ©rents en fonction de l’objectif d’optimisation, et que certaines combinaisons peuvent ĂŞtre utiles en fonction de ces objectifs.Aquesta tesi Ă©s un estudi experimental que tracta sobre els efectes del procĂ©s de brunyit amb bola assistit per vibracions ultrasòniques sobre la integritat superficial de superfĂcies mecanitzades amb fresa hemisfèrica. Degut a la indisponiblitat d’eines comercials capaces d’aplicar aquest procĂ©s, l’estudi inclou en primer lloc el disseny i la caracteritzaciĂł d’un prototip capa d’executar-lo. Posteriorment, es realitza una anĂ lisi experimental aplicant el procĂ©s sobre superfĂcies de dues aliatges d’internes industrial i aeronĂ utic, AISI 1038 i Ti-6Al-4V, seguint un disseny d’experiments basat en una matriu ortogonal Taguchi. Per això, cinc factors sĂłn inclous en el model: la precĂ rrega, el nombre de passades, la velocitat d’avenç, l’estratègia de brunyit i la textura de la superfĂcie inicial. Els resultats s’avaluen en termes de textura final, tensions residuals i duresa, per identificar i comprendre l’impacte d’aquest procĂ©s i dels seus parĂ metres d’operaciĂł sobre la integritat superficial, definir els millors parĂ metres a aplicar per a cada material, i amb l’objectiu d’avaluar els efectes positius provocats per la introducciĂł de les vibracions com a mitjĂ d’assistència.
Els resultats evidencien que la textura inicial Ă©s el parĂ metre que defineix en major mesura l’estat de les superfĂcies finals. Els resultats de textura indiquen que les vibracions poden millorar en major mesura la rugositat i textura de les superfĂcies, sempre que aquestes siguin suficientment fines. A mĂ©s, nomĂ©s la precĂ rrega i el nombre de passades influeixen sobre el resultat, trobant en tot cas un parell de valors lĂmits a partir del qual les superfĂcies sĂłn empitjorades. Els resultats de tensions residuals mostren que tots els parĂ metres sĂłn influents sobre el resultat final, especialment l’estratègia, amb la què es pot millorar la direcciĂł preferencial del tensor de tensions superficial. Finalment, el brunyit demostra modificar la duresa positivament fins a capes d’aproximadament 0.5 mm de profunditat, aplicant el procĂ©s assistit amb vibracions.
Es conclou que els parà metres òptims de procés són diferents en funció de l’objectiu d’optimització, i es proposen algunes combinacions que poden ser útils en funció del mateix.Award-winningPostprint (published version
An Immersive Telepresence System using RGB-D Sensors and Head Mounted Display
We present a tele-immersive system that enables people to interact with each
other in a virtual world using body gestures in addition to verbal
communication. Beyond the obvious applications, including general online
conversations and gaming, we hypothesize that our proposed system would be
particularly beneficial to education by offering rich visual contents and
interactivity. One distinct feature is the integration of egocentric pose
recognition that allows participants to use their gestures to demonstrate and
manipulate virtual objects simultaneously. This functionality enables the
instructor to ef- fectively and efficiently explain and illustrate complex
concepts or sophisticated problems in an intuitive manner. The highly
interactive and flexible environment can capture and sustain more student
attention than the traditional classroom setting and, thus, delivers a
compelling experience to the students. Our main focus here is to investigate
possible solutions for the system design and implementation and devise
strategies for fast, efficient computation suitable for visual data processing
and network transmission. We describe the technique and experiments in details
and provide quantitative performance results, demonstrating our system can be
run comfortably and reliably for different application scenarios. Our
preliminary results are promising and demonstrate the potential for more
compelling directions in cyberlearning.Comment: IEEE International Symposium on Multimedia 201
Study and characterisation of surface integrity modification after ultrasonic vibration-assisted ball burnishing
Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université Toulouse III Paul Sabatier. Aplicat embargament des de la data de defensa fins a gener de 2020Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit d’Enginyeria IndustrialThis dissertation is an experimental research project into the mechanical effects of the ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the surface integrity of surfaces machined through ball-end milling. Due to the lack of commercial tools able to perform this process, the study includes firstly the design and characterization of a prototype to that effect. An experimental analysis is then undertaken, applying the process to AISI 1038 and Ti-6Al-4V surfaces of high industrial and aeronautical value. The experimental campaign is designed based on a Taguchi orthogonal array that includes five factors, namely: preload, number of passes, feed velocity, strategy and initial surface texture. Results are analyzed in terms of topological characteristics, residual stress and hardness, in order to identify and understand the impact of process parameters on surface integrity, to define the best parameters for performing the process and to assess the positive effects caused by the introduction of vibrations as a means of assistance.
Results reveal that the initial texture is the most influential parameter on all outcomes. Texture results show that the vibrations can enhance the roughness and texture results, as long as they have sufficient low initial amplitude. Furthermore, only the preload and number of passes influence the results, with a pair of values being found in all cases that serve a threshold from which further plastic strain is detrimental for the final surface topology. In terms of residual stress, all parameters are influential in the results, especially the burnishing strategy, through which a certain component of the residual stress tensor can be adequately reinforced. Finally, the burnishing operation proves to modify the hardness of deep layers down to 0.5 mm, applying the vibration-assisted process. .e main conclusion is that the optimal parameters for performing the process are different with regards to the optimization objective.
Some useful combinations are proposed for performing the process depending on the desired targetEsta tesis es un estudio experimental que versa sobre los efectos del proceso de bruñido con bola asistido por vibraciones ultrasĂłnicas sobre la integridad superficial de superficies mecanizadas mediante fresa hemisfĂ©rica. Dada la indisponibilidad de herramientas comerciales capaces de efectuar este proceso, el estudio incluye en primer lugar el diseño y caracterizaciĂłn de un prototipo a tal efecto. Posteriormente, se realiza un análisis experimental aplicando el proceso sobre superficies de dos aleaciones de interĂ©s industrial y aeronáutico, AISI 1038 y Ti-6Al-4V, siguiendo un diseño de experimentos fraccionario basado en una matriz ortogonal de Taguchi. Para ello, cinco factores son incluidos en el modelo, a saber: la precarga, el nĂşmero de pasadas, la velocidad de avance, la estrategia de bruñido, y la textura de la superficie de partida. Los resultados se evalĂşan en tĂ©rminos de textura, tensiones residuales y dureza, para identificar y comprender el impacto de este proceso y de sus parámetros de operaciĂłn sobre la integridad superficial, para definir los mejores parámetros a aplicar para cada material, y con el fin de evaluar los efectos positivos provocados por la introducciĂłn de las vibraciones como medio de asistencia. Los resultados revelan que la textura inicial es el parámetro que define en mayor medida el estado de las superficies finales. Los resultados de textura evidencian que las vibraciones pueden mejorar en mayor medida la topologĂa de las superficies objetivo, siempre que Ă©stas sean suficientemente finas. Además, sĂłlo la precarga y el nĂşmero de pasadas influyen en el resultado, encontrando en todo caso un par de valores limĂtrofe a partir del cual las superficies se ven dañadas. Los resultados de tensiones residuales muestran que todos los parámetros son influyentes en el resultado final, especialmente la estrategia de bruñido, con la que puede modificarse la direcciĂłn preferencial del tensor de tensiones superficial. Finalmente, el bruñido demuestra modificar la dureza positivamente hasta capas de aproximadamente 0,5 mm, aplicando el proceso asistido con vibraciones. Se concluye que los parámetros Ăłptimos de proceso son diferentes en funciĂłn del objetivo de optimizaciĂłn, y deben definirse en base a dos variables de partida: el material objetivo y la textura que Ă©ste presenta antes del proceso.Cette thèse Ă©tudie les effets du processus de brunissage Ă bille assistĂ© par vibrations ultrasoniques sur l’intĂ©gritĂ© surface des surfaces usinĂ©es par fraisage hĂ©misphĂ©rique. Compte tenu de l’inexistence d’outils commerciaux capables de rĂ©aliser ce processus, l’étude dĂ©bute par la conception et la caractĂ©risation d’un prototype capable de l’exĂ©cuter. Par la suite, une analyse expĂ©rimentale est menĂ©e, en utilisant le procĂ©dĂ© sur les surfaces de deux alliages d’intĂ©rĂŞt industriel et aĂ©ronautique, AISI 1038 et Ti- 6Al-4V. Pour cela, un plan d’expĂ©riences est elaborĂ© Ă base d’une matrice orthogonale Taguchi.
Cinq facteurs sont inclus dans le modèle : la prĂ©charge, le nombre de passes, la vitesse d’avance, la stratĂ©gie de brunissage et la texture initiale de la surface prĂ©alablement usinĂ©e. Les rĂ©sultats sont Ă©valuĂ©s en termes de texture finale, de contrainte rĂ©siduelle et de duretĂ©, pour identifier et comprendre l’impact de ce procĂ©dĂ© et des paramètres opĂ©ratoires sur l’intĂ©gritĂ© de surface, pour dĂ©finir les meilleurs paramètres Ă appliquer pour chaque matĂ©riau, et pour Ă©valuer les effets positifs provoquĂ©s par l’introduction de vibrations comme moyen d’assistance. Pour cela, la notion d’intĂ©gritĂ© de surface est rappelĂ©e, voire redĂ©finie dans le cas de la texture de surface. En effet, les critères classiquement utilisĂ©s se rĂ©vèlent inaptes Ă caractĂ©riser les surfaces obtenues, et une nouvelle mĂ©thodologie d’analyse des topologies de surface est proposĂ©e. Les rĂ©sultats obtenus suite Ă la rĂ©alisation du plan d’expĂ©riences rĂ©vèlent que la texture initiale est le paramètre prĂ©pondĂ©rant. Les rĂ©sultats de la topologie de surface montrent que les vibrations peuvent amĂ©liorer la rugositĂ© et la texture des surfaces dans la mesure oĂą l’état de surface initial est sufisamment fin. Ensuite, seule la prĂ©charge et le nombre de passes influencent le rĂ©sultat, avec, dans tous les cas, un couple de valeurs limites Ă partir desquelles les surfaces sont endommagĂ©es. Les rĂ©sultats des contraintes rĂ©siduelles montrent que tous les paramètres influent sur le rĂ©sultat final, en particulier la stratĂ©gie de brunissage, avec laquelle la direction prĂ©fĂ©rentielle du tenseur de la contrainte superficielle peut ĂŞtre modifiĂ©e. Enfin, le brunissage montre une modification positive de la duretĂ© Ă des couches d’environ 0,5 mm en appliquant le processus assistĂ© avec vibrations. Nous concluons que les paramètres de processus optimaux sont difĂ©rents en fonction de l’objectif d’optimisation, et que certaines combinaisons peuvent ĂŞtre utiles en fonction de ces objectifs.Aquesta tesi Ă©s un estudi experimental que tracta sobre els efectes del procĂ©s de brunyit amb bola assistit per vibracions ultrasòniques sobre la integritat superficial de superfĂcies mecanitzades amb fresa hemisfèrica. Degut a la indisponiblitat d’eines comercials capaces d’aplicar aquest procĂ©s, l’estudi inclou en primer lloc el disseny i la caracteritzaciĂł d’un prototip capa d’executar-lo. Posteriorment, es realitza una anĂ lisi experimental aplicant el procĂ©s sobre superfĂcies de dues aliatges d’internes industrial i aeronĂ utic, AISI 1038 i Ti-6Al-4V, seguint un disseny d’experiments basat en una matriu ortogonal Taguchi. Per això, cinc factors sĂłn inclous en el model: la precĂ rrega, el nombre de passades, la velocitat d’avenç, l’estratègia de brunyit i la textura de la superfĂcie inicial. Els resultats s’avaluen en termes de textura final, tensions residuals i duresa, per identificar i comprendre l’impacte d’aquest procĂ©s i dels seus parĂ metres d’operaciĂł sobre la integritat superficial, definir els millors parĂ metres a aplicar per a cada material, i amb l’objectiu d’avaluar els efectes positius provocats per la introducciĂł de les vibracions com a mitjĂ d’assistència.
Els resultats evidencien que la textura inicial Ă©s el parĂ metre que defineix en major mesura l’estat de les superfĂcies finals. Els resultats de textura indiquen que les vibracions poden millorar en major mesura la rugositat i textura de les superfĂcies, sempre que aquestes siguin suficientment fines. A mĂ©s, nomĂ©s la precĂ rrega i el nombre de passades influeixen sobre el resultat, trobant en tot cas un parell de valors lĂmits a partir del qual les superfĂcies sĂłn empitjorades. Els resultats de tensions residuals mostren que tots els parĂ metres sĂłn influents sobre el resultat final, especialment l’estratègia, amb la què es pot millorar la direcciĂł preferencial del tensor de tensions superficial. Finalment, el brunyit demostra modificar la duresa positivament fins a capes d’aproximadament 0.5 mm de profunditat, aplicant el procĂ©s assistit amb vibracions.
Es conclou que els parà metres òptims de procés són diferents en funció de l’objectiu d’optimització, i es proposen algunes combinacions que poden ser útils en funció del mateix.Award-winningPostprint (published version
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