Smartphone-based human activity recognition

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Università degli Studi di GenovaHuman Activity Recognition (HAR) is a multidisciplinary research field that aims to gather data regarding people's behavior and their interaction with the environment in order to deliver valuable context-aware information. It has nowadays contributed to develop human-centered areas of study such as Ambient Intelligence and Ambient Assisted Living, which concentrate on the improvement of people's Quality of Life. The first stage to accomplish HAR requires to make observations from ambient or wearable sensor technologies. However, in the second case, the search for pervasive, unobtrusive, low-powered, and low-cost devices for achieving this challenging task still has not been fully addressed. In this thesis, we explore the use of smartphones as an alternative approach for performing the identification of physical activities. These self-contained devices, which are widely available in the market, are provided with embedded sensors, powerful computing capabilities and wireless communication technologies that make them highly suitable for this application. This work presents a series of contributions regarding the development of HAR systems with smartphones. In the first place we propose a fully operational system that recognizes in real-time six physical activities while also takes into account the effects of postural transitions that may occur between them. For achieving this, we cover some research topics from signal processing and feature selection of inertial data, to Machine Learning approaches for classification. We employ two sensors (the accelerometer and the gyroscope) for collecting inertial data. Their raw signals are the input of the system and are conditioned through filtering in order to reduce noise and allow the extraction of informative activity features. We also emphasize on the study of Support Vector Machines (SVMs), which are one of the state-of-the-art Machine Learning techniques for classification, and reformulate various of the standard multiclass linear and non-linear methods to find the best trade off between recognition performance, computational costs and energy requirements, which are essential aspects in battery-operated devices such as smartphones. In particular, we propose two multiclass SVMs for activity classification:one linear algorithm which allows to control over dimensionality reduction and system accuracy; and also a non-linear hardware-friendly algorithm that only uses fixed-point arithmetic in the prediction phase and enables a model complexity reduction while maintaining the system performance. The efficiency of the proposed system is verified through extensive experimentation over a HAR dataset which we have generated and made publicly available. It is composed of inertial data collected from a group of 30 participants which performed a set of common daily activities while carrying a smartphone as a wearable device. The results achieved in this research show that it is possible to perform HAR in real-time with a precision near 97\% with smartphones. In this way, we can employ the proposed methodology in several higher-level applications that require HAR such as ambulatory monitoring of the disabled and the elderly during periods above five days without the need of a battery recharge. Moreover, the proposed algorithms can be adapted to other commercial wearable devices recently introduced in the market (e.g. smartwatches, phablets, and glasses). This will open up new opportunities for developing practical and innovative HAR applications.El Reconocimiento de Actividades Humanas (RAH) es un campo de investigación multidisciplinario que busca recopilar información sobre el comportamiento de las personas y su interacción con el entorno con el propósito de ofrecer información contextual de alta significancia sobre las acciones que ellas realizan. Recientemente, el RAH ha contribuido en el desarrollo de áreas de estudio enfocadas a la mejora de la calidad de vida del hombre tales como: la inteligència ambiental (Ambient Intelligence) y la vida cotidiana asistida por el entorno para personas dependientes (Ambient Assisted Living). El primer paso para conseguir el RAH consiste en realizar observaciones mediante el uso de sensores fijos localizados en el ambiente, o bien portátiles incorporados de forma vestible en el cuerpo humano. Sin embargo, para el segundo caso, aún se dificulta encontrar dispositivos poco invasivos, de bajo consumo energético, que permitan ser llevados a cualquier lugar, y de bajo costo. En esta tesis, nosotros exploramos el uso de teléfonos móviles inteligentes (Smartphones) como una alternativa para el RAH. Estos dispositivos, de uso cotidiano y fácilmente asequibles en el mercado, están dotados de sensores embebidos, potentes capacidades de cómputo y diversas tecnologías de comunicación inalámbrica que los hacen apropiados para esta aplicación. Nuestro trabajo presenta una serie de contribuciones en relación al desarrollo de sistemas para el RAH con Smartphones. En primera instancia proponemos un sistema que permite la detección de seis actividades físicas en tiempo real y que, además, tiene en cuenta las transiciones posturales que puedan ocurrir entre ellas. Con este fin, hemos contribuido en distintos ámbitos que van desde el procesamiento de señales y la selección de características, hasta algoritmos de Aprendizaje Automático (AA). Nosotros utilizamos dos sensores inerciales (el acelerómetro y el giroscopio) para la captura de las señales de movimiento de los usuarios. Estas han de ser procesadas a través de técnicas de filtrado para la reducción de ruido, segmentación y obtención de características relevantes en la detección de actividad. También hacemos énfasis en el estudio de Máquinas de soporte vectorial (MSV) que son uno de los algoritmos de AA más usados en la actualidad. Para ello reformulamos varios de sus métodos estándar (lineales y no lineales) con el propósito de encontrar la mejor combinación de variables que garanticen un buen desempeño del sistema en cuanto a precisión, coste computacional y requerimientos de energía, los cuales son aspectos esenciales en dispositivos portátiles con suministro de energía mediante baterías. En concreto, proponemos dos MSV multiclase para la clasificación de actividad: un algoritmo lineal que permite el balance entre la reducción de la dimensionalidad y la precisión del sistema; y asimismo presentamos un algoritmo no lineal conveniente para dispositivos con limitaciones de hardware que solo utiliza aritmética de punto fijo en la fase de predicción y que permite reducir la complejidad del modelo de aprendizaje mientras mantiene el rendimiento del sistema. La eficacia del sistema propuesto es verificada a través de una experimentación extensiva sobre la base de datos RAH que hemos generado y hecho pública en la red. Esta contiene la información inercial obtenida de un grupo de 30 participantes que realizaron una serie de actividades de la vida cotidiana en un ambiente controlado mientras tenían sujeto a su cintura un smartphone que capturaba su movimiento. Los resultados obtenidos en esta investigación demuestran que es posible realizar el RAH en tiempo real con una precisión cercana al 97%. De esta manera, podemos emplear la metodología propuesta en aplicaciones de alto nivel que requieran el RAH tales como monitorizaciones ambulatorias para personas dependientes (ej. ancianos o discapacitados) durante periodos mayores a cinco días sin la necesidad de recarga de baterías.Postprint (published version

Guidage non-intrusif d'un bras robotique à l'aide d'un bracelet myoélectrique à électrode sèche

Depuis plusieurs années la robotique est vue comme une solution clef pour améliorer la qualité de vie des personnes ayant subi une amputation. Pour créer de nouvelles prothèses intelligentes qui peuvent être facilement intégrées à la vie quotidienne et acceptée par ces personnes, celles-ci doivent être non-intrusives, fiables et peu coûteuses. L’électromyographie de surface fournit une interface intuitive et non intrusive basée sur l’activité musculaire de l’utilisateur permettant d’interagir avec des robots. Cependant, malgré des recherches approfondies dans le domaine de la classification des signaux sEMG, les classificateurs actuels manquent toujours de fiabilité, car ils ne sont pas robustes face au bruit à court terme (par exemple, petit déplacement des électrodes, fatigue musculaire) ou à long terme (par exemple, changement de la masse musculaire et des tissus adipeux) et requiert donc de recalibrer le classifieur de façon périodique. L’objectif de mon projet de recherche est de proposer une interface myoélectrique humain-robot basé sur des algorithmes d’apprentissage par transfert et d’adaptation de domaine afin d’augmenter la fiabilité du système à long-terme, tout en minimisant l’intrusivité (au niveau du temps de préparation) de ce genre de système. L’aspect non intrusif est obtenu en utilisant un bracelet à électrode sèche possédant dix canaux. Ce bracelet (3DC Armband) est de notre (Docteur Gabriel Gagnon-Turcotte, mes co-directeurs et moi-même) conception et a été réalisé durant mon doctorat. À l’heure d’écrire ces lignes, le 3DC Armband est le bracelet sans fil pour l’enregistrement de signaux sEMG le plus performant disponible. Contrairement aux dispositifs utilisant des électrodes à base de gel qui nécessitent un rasage de l’avant-bras, un nettoyage de la zone de placement et l’application d’un gel conducteur avant l’utilisation, le brassard du 3DC peut simplement être placé sur l’avant-bras sans aucune préparation. Cependant, cette facilité d’utilisation entraîne une diminution de la qualité de l’information du signal. Cette diminution provient du fait que les électrodes sèches obtiennent un signal plus bruité que celle à base de gel. En outre, des méthodes invasives peuvent réduire les déplacements d’électrodes lors de l’utilisation, contrairement au brassard. Pour remédier à cette dégradation de l’information, le projet de recherche s’appuiera sur l’apprentissage profond, et plus précisément sur les réseaux convolutionels. Le projet de recherche a été divisé en trois phases. La première porte sur la conception d’un classifieur permettant la reconnaissance de gestes de la main en temps réel. La deuxième porte sur l’implémentation d’un algorithme d’apprentissage par transfert afin de pouvoir profiter des données provenant d’autres personnes, permettant ainsi d’améliorer la classification des mouvements de la main pour un nouvel individu tout en diminuant le temps de préparation nécessaire pour utiliser le système. La troisième phase consiste en l’élaboration et l’implémentation des algorithmes d’adaptation de domaine et d’apprentissage faiblement supervisé afin de créer un classifieur qui soit robuste au changement à long terme.For several years, robotics has been seen as a key solution to improve the quality of life of people living with upper-limb disabilities. To create new, smart prostheses that can easily be integrated into everyday life, they must be non-intrusive, reliable and inexpensive. Surface electromyography provides an intuitive interface based on a user’s muscle activity to interact with robots. However, despite extensive research in the field of sEMG signal classification, current classifiers still lack reliability due to their lack of robustness to short-term (e.g. small electrode displacement, muscle fatigue) or long-term (e.g. change in muscle mass and adipose tissue) noise. In practice, this mean that to be useful, classifier needs to be periodically re-calibrated, a time consuming process. The goal of my research project is to proposes a human-robot myoelectric interface based on transfer learning and domain adaptation algorithms to increase the reliability of the system in the long term, while at the same time reducing the intrusiveness (in terms of hardware and preparation time) of this kind of systems. The non-intrusive aspect is achieved from a dry-electrode armband featuring ten channels. This armband, named the 3DC Armband is from our (Dr. Gabriel Gagnon-Turcotte, my co-directors and myself) conception and was realized during my doctorate. At the time of writing, the 3DC Armband offers the best performance for currently available dry-electrodes, surface electromyographic armbands. Unlike gel-based electrodes which require intrusive skin preparation (i.e. shaving, cleaning the skin and applying conductive gel), the 3DC Armband can simply be placed on the forearm without any preparation. However, this ease of use results in a decrease in the quality of information. This decrease is due to the fact that the signal recorded by dry electrodes is inherently noisier than gel-based ones. In addition, other systems use invasive methods (intramuscular electromyography) to capture a cleaner signal and reduce the source of noises (e.g. electrode shift). To remedy this degradation of information resulting from the non-intrusiveness of the armband, this research project will rely on deep learning, and more specifically on convolutional networks. The research project was divided into three phases. The first is the design of a classifier allowing the recognition of hand gestures in real-time. The second is the implementation of a transfer learning algorithm to take advantage of the data recorded across multiple users, thereby improving the system’s accuracy, while decreasing the time required to use the system. The third phase is the development and implementation of a domain adaptation and self-supervised learning to enhance the classifier’s robustness to long-term changes

Phenomenology of the Lense-Thirring effect in the Solar System

Recent years have seen increasing efforts to directly measure some aspects of the general relativistic gravitomagnetic interaction in several astronomical scenarios in the solar system. After briefly overviewing the concept of gravitomagnetism from a theoretical point of view, we review the performed or proposed attempts to detect the Lense-Thirring effect affecting the orbital motions of natural and artificial bodies in the gravitational fields of the Sun, Earth, Mars and Jupiter. In particular, we will focus on the evaluation of the impact of several sources of systematic uncertainties of dynamical origin to realistically elucidate the present and future perspectives in directly measuring such an elusive relativistic effect.Comment: LaTex, 51 pages, 14 figures, 22 tables. Invited review, to appear in Astrophysics and Space Science (ApSS). Some uncited references in the text now correctly quoted. One reference added. A footnote adde