Enhancement of the Sensory Capabilities of Mobile Robots through Artificial Olfaction

La presente tesis abarca varios aspectos del olfato artificial u olfato robótico, la capacidad de percibir información sobre la composición del aire que rodea a un sistema automático. En primer lugar, se desarrolla una nariz electrónica, un instrumento que combina sensores de gas de bajas prestaciones con un algoritmo de clasificación para medir e identificar gases. Aunque esta tecnología ya existía previamente, se aplica un nuevo enfoque que busca reducir las dimensiones y consumo para poder instalarlas en robots móviles, a la vez que se aumenta el número de gases detectables mediante un diseño modular. Posteriormente, se estudia la estrategia óptima para encontrar fugas de gas con un robot equipado con este tipo de narices electrónicas. Para ello se llevan a cabos varios experimentos basados en teleoperación para entender como afectan los sensores del robot al éxito de la tarea, de lo cual se deriva finalmente un algoritmo para generar con robots autónomos mapas de gas de un entorno dado, el cual se inspira en el comportamiento humano, a saber, maximizar la información conocida sobre el entorno. La principal virtud de este método, además de realizar una exploración óptima del entorno, es su capacidad para funcionar en entornos muy complejos y sujetos a corrientes de vientos mediante un nuevo método que también se presenta en esta tesis. Finalmente, se presentan dos casos de aplicación en los que se identifica de forma automática con una nariz electrónica la calidad subjetiva del aire en entornos urbanos

Artificial cognitive architecture with self-learning and self-optimization capabilities. Case studies in micromachining processes

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Ingeniería Informática. Fecha de lectura : 22-09-201

Estudio e implementación de algoritmos de fusión sensorial para sensores pulsantes y clásicos con protocolo AER de comunicación y aplicación en sistemas robóticos neuroinspirados

The objective of this thesis is to analyze, design, simulate and implement a model that follows the principles of the human nervous system when a reaching movement is made. The background of the thesis is the neuromorphic engineering field. This term was first coined in the late eighties by Caver Mead. Its main objective is to develop hardware devices, based on the neuron as the basic unit, to develop a range of tasks such as: decision making, image processing, learning, etc. During the last twenty years, this field of research has gathered a large number of researchers around the world. Spike-based sensors and devices that perform spike processing tasks have been developed. A neuro-inspired controller model based on the classic algorithms VITE and FLETE is proposed in this thesis (specifically, the two algorithms presented are: the VITE model which generates a non-planned trajectory and the FLETE model to generate the forces needed to hold a position reached). The hardware platforms used to implement them are a FPGA and a VLSI multi-chip setup. Then, considering how a reaching movement is performed by humans, these algorithms are translated under the constraints of each hardware device. The constraints are: spike-processing blocks described in VHDL for the FPGA and neurons LIF for the VLSI chips. To reach a successful translation of VITE algorithm under the constraints of the FPGA, a new spike-processing block is designed, simulated and implemented: GO Block. On the other hand, to perform an accurate translation of the VITE algorithm under VLSI requirements, the recent biological advances are studied. Then, a model which implements the co-activation of NMDA channels (this activity is related to the activity detected in the basal ganglia short time before a movement is made) is modeled, simulated and implemented. Once the model is defined for both platforms, it is simulated using the Matlab Simulink environment for FPGA and Brian simulator for VLSI chips. The hardware results of the algorithms translated are presented. The open-loop spike-based VITE (on both platforms) and closed-loop (FPGA) applied and connected to a robotic platform using the AER bus show an excellent behaviour in terms of power and resources consumption. They show also an accurate and precise functioning for reaching and tracking movements when the target is supplied by an AER retina or jAER. Thus, a full neuro-inspired architecture is implemented: from the sensor (retina) to the end effector (robot) going through the neuro-inspired controller designed. An alternative for the SVITE platform is also presented. A random element is added to the neuron model to include variability in the neural response. The results obtained for this variant, show a similar behaviour if a comparison with the deterministic algorithms is made. The possibility to include this pseudo-random controller in noise and / or random environment is demonstrated. Finally, this thesis claims that PFM is the most suitable modulation to drive motors in a neuromorphic hardware environment. It allows supplying the events directly to the motors. Furthermore, it is achieved that the system is not affected by spurious or noisy events. The novel results achieved with the VLSI multi-chip setup, this is the first attempt to control a robotic platform using sub-thresold low-power neurons, intended to set the basis for designing neuro-inspired controllers

De animais a máquinas : humanos tecnicamente melhores nos imaginários de futuro da convergência tecnológica

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Sociais, Departamento de Sociologia, 2020.O tema desta investigação é discutir os imaginários sociais de ciência e tecnologia que emergem a partir da área da neuroengenharia, em sua relação com a Convergência Tecnológica de quatro disciplinas: Nanotecnologia, Biotecnologia, tecnologias da Informação e tecnologias Cognitivas - neurociências- (CT-NBIC). Estas áreas desenvolvem-se e são articuladas por meio de discursos que ressaltam o aprimoramento das capacidades físicas e cognitivas dos seres humanos, com o intuito de construir uma sociedade melhor por meio do progresso científico e tecnológico, nos limites das agendas de pesquisa e desenvolvimento (P&D). Objetivos: Os objetivos nesse cenário, são discutir as implicações éticas, econômicas, políticas e sociais deste modelo de sistema sociotécnico. Nos referimos, tanto as aplicações tecnológicas, quanto as consequências das mesmas na formação dos imaginários sociais, que tipo de relações se estabelecem e como são criadas dentro desse contexto. Conclusão: Concluímos na busca por refletir criticamente sobre as propostas de aprimoramento humano mediado pela tecnologia, que surgem enquanto parte da agenda da Convergência Tecnológica NBIC. No entanto, as propostas de melhoramento humano vão muito além de uma agenda de investigação. Há todo um quadro de referências filosóficas e políticas que defendem o aprimoramento da espécie, vertentes estas que se aliam a movimentos trans-humanistas e pós- humanistas, posições que são ao mesmo tempo éticas, políticas e econômicas. A partir de nossa análise, entendemos que ciência, tecnologia e política estão articuladas, em coprodução, em relação às expectativas de futuros que são esperados ou desejados. Ainda assim, acreditamos que há um espaço de diálogo possível, a partir do qual buscamos abrir propostas para o debate público sobre questões de ciência e tecnologia relacionadas ao aprimoramento da espécie humana.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)The subject of this research is to discuss the social imaginaries of science and technology that emerge from the area of neuroengineering in relation with the Technological Convergence of four disciplines: Nanotechnology, Biotechnology, Information technologies and Cognitive technologies -neurosciences- (CT-NBIC). These areas are developed and articulated through discourses that emphasize the enhancement of human physical and cognitive capacities, the intuition it is to build a better society, through the scientific and technological progress, at the limits of the research and development (R&D) agendas. Objectives: The objective in this scenery, is to discuss the ethic, economic, politic and social implications of this model of sociotechnical system. We refer about the technological applications and the consequences of them in the formation of social imaginaries as well as the kind of social relations that are created and established in this context. Conclusion: We conclude looking for critical reflections about the proposals of human enhancement mediated by the technology. That appear as a part of the NBIC technologies agenda. Even so, the proposals of human enhancement go beyond boundaries that an investigation agenda. There is a frame of philosophical and political references that defend the enhancement of the human beings. These currents that ally to the transhumanism and posthumanism movements, positions that are ethic, politic and economic at the same time. From our analysis, we understand that science, technology and politics are articulated, are in co-production, regarding the expected and desired futures. Even so, we believe that there is a space of possible dialog, from which we look to open proposals for the public discussion on questions of science and technology related to enhancement of human beings

Local user mapping via multi-modal fusion for social robots

User detection, recognition and tracking is at the heart of Human Robot Interaction, and yet, to date, no universal robust method exists for being aware of the people in a robot surroundings. The presented work aims at importing into existing social robotics platforms different techniques, some of them classical, and other novel, for detecting, recognizing and tracking human users. These algorithms are based on a variety of sensors, mainly cameras and depth imaging devices, but also lasers and microphones. The results of these parallel algorithms are then merged so as to obtain a modular, expandable and fast architecture. This results in a local user mapping thanks to multi-modal fusion. Thanks to this user awareness architecture, user detection, recognition and tracking capabilities can be easily and quickly given to any robot by re-using the modules that match its sensors and its processing performance. The architecture provides all the relevant information about the users around the robot, that can then be used for end-user applications that adapt their behavior to the users around the robot. The variety of social robots in which the architecture has been successfully implemented includes a car-like mobile robot, an articulated flower and a humanoid assistance robot. Some modules of the architecture are very lightweight but have a low reliability, others need more CPU but the associated confidence is higher. All configurations of modules are possible, and fit the range of possible robotics hardware configurations. All the modules are independent and highly configurable, therefore no code needs to be developed for building a new configuration, the user only writes a ROS launch file. This simple text file contains all wanted modules. The architecture has been developed with modularity and speed in mind. It is based on the Robot Operating System (ROS) architecture, a de facto software standard in robotics. The different people detectors comply with a common interface called PeoplePoseList Publisher, while the people recognition algorithms comply with an interface called PeoplePoseList Matcher. The fusion of all these different modules is based on Unscented Kalman Filter techniques. Extensive benchmarks of the sub-components and of the whole architecture, using both academic datasets and data acquired in our lab, and end-user application samples demonstrate the validity and interest of all levels of the architecture.La detección, el reconocimiento y el seguimiento de los usuarios es un problema clave para la Interacción Humano-Robot. Sin embargo, al día de hoy, no existe ningún método robusto universal para para lograr que un robot sea consciente de la gente que le rodea. Esta tesis tiene como objetivo implementar, dentro de robots sociales, varias técnicas, algunas clásicas, otras novedosas, para detectar, reconocer y seguir a los usuarios humanos. Estos algoritmos se basan en sensores muy variados, principalmente cámaras y fuentes de imágenes de profundidad, aunque también en láseres y micrófonos. Los resultados parciales, suministrados por estos algoritmos corriendo en paralelo, luego son mezcladas usando técnicas probabilísticas para obtener una arquitectura modular, extensible y rápida. Esto resulta en un mapa local de los usuarios, obtenido por técnicas de fusión de datos. Gracias a esta arquitectura, las habilidades de detección, reconocimiento y seguimiento de los usuarios podrían ser integradas fácil y rápidamente dentro de un nuevo robot, reusando los módulos que corresponden a sus sensores y el rendimiento de su procesador. La arquitectura suministra todos los datos útiles sobre los usuarios en el alrededor del robot y se puede usar por aplicaciones de más alto nivel en nuestros robots sociales de manera que el robot adapte su funcionamiento a las personas que le rodean. Los robots sociales en los cuales la arquitectura se pudo importar con éxito son: un robot en forma de coche, una flor articulada, y un robot humanoide asistencial. Algunos módulos de la arquitectura son muy ligeros pero con una fiabilidad baja, mientras otros requieren más CPU pero son más fiables. Todas las configuraciones de los módulos son posibles y se ajustan a las diferentes configuraciones hardware que puede tener el robot. Los módulos son independientes entre ellos y altamente configurables, por lo que no hay que desarrollar código para una nueva configuración. El usuario sólo tiene que escribir un fichero launch de ROS. Este sencillo fichero de texto contiene todos los módulos que se quieren lanzar. Esta arquitectura se desarrolló teniendo en mente que fuese modular y rápida. Se basa en la arquitectura Robot Operating System (ROS), un estándar software de facto en la robótica. Todos los detectores de personas tienen una interfaz común llamada PeoplePoseList Publisher, mientras los algoritmos de reconocimiento siguen una interfaz llamada PeoplePoseList Matcher. La fusión de todos estos módulos se basa en técnicas de filtros de Kalman no lineares (Unscented Kalman Filters). Se han realizado pruebas exhaustivas de precisión y de velocidad de cada componente y de la arquitectura completa (realizadas sobre ambos bases de datos académicas además de sobre datos grabados en nuestro laboratorio), así como prototipos sencillos de aplicaciones finales. Así se comprueba la validez y el interés de la arquitectura a todos los niveles.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Fernando Torres Medina.- Secretario: María Dolores Blanco Rojas.- Vocal: Jorge Manuel Miranda Día

Pattern detection platform using disruptive technologies to improve people’s daily tasks

Tesis por compendio de publicaciones[ES] En los últimos años la miniaturización de los dispositivos electrónicos y el abaratamiento de los procesos de fabricación de los componentes ha permitido que las redes de sensores inalámbricas sean cada vez mas importantes y se empleen en multitud de casos. Adicionalmente, y debido en parte a la mejora en cuanto a las capacidades de almacenamiento y procesamiento de datos se refiere, ha permitido construir sistemas sensibles al contexto en áreas como la medicina, la monitorización o la robótica que permiten hacer un análisis detallado y adaptable de los procesos y servicios que se pueden proporcionar a los usuarios. Esta tesis doctoral ha sido conformada mediante un “Compendio de Artículos” donde se analiza la aplicación de paradigmas de inteligencia artificial en 3 casos de estudio claramente diferenciados. Se ha planteado un novedoso sistema de localización en interiores que hace uso de técnicas bayesianas y fingerprinting, con objeto de automatizar y facilitar los procesos de adquisición de datos de calibración. A mayores, se presenta un exoesqueleto que es conectado a una arquitectura sensible al contexto con objeto de que los pacientes de rehabilitación hagan ejercicios de forma interactiva y haciendo uso de técnicas de realidad aumentada. En el último artículo, se hace hincapié en el diseño de una plataforma que hace uso de las redes inalámbricas de sensores, con objeto de monitorizar el estado de los aseos mediante la incorporación de agentes embebidos en dispositivos limitados computacionalmente. Esta información descentralizada es analizada con objeto de detectar posibles anomalías y facilitar la toma de decisiones. Uno de los principales hitos que se pretende con el estudio, es mostrar a la comunidad científica los diferentes resultados que se han obtenido en la investigación, solventando problemas cotidianos que han sido resueltos mediante la modelización de los casos de estudio mediante la utilización de arquitecturas multi-agente y sistemas expertos. El filtrado de señales, la utilización de clasificadores, minería de datos y la utilización de otras técnicas de Inteligencia Artificial han sido empleadas para la consecución exitosa de este trabajo

XLIII Jornadas de Automática: libro de actas: 7, 8 y 9 de septiembre de 2022, Logroño (La Rioja)

[Resumen] Las Jornadas de Automática (JA) son el evento más importante del Comité Español de Automática (CEA), entidad científico-técnica con más de cincuenta años de vida y destinada a la difusión e implantación de la Automática en la sociedad. Este año se celebra la cuadragésima tercera edición de las JA, que constituyen el punto de encuentro de la comunidad de Automática de nuestro país. La presente edición permitirá dar visibilidad a los nuevos retos y resultados del ámbito, y su uso en un gran número de aplicaciones, entre otras, las energías renovables, la bioingeniería o la robótica asistencial. Además de la componente científica, que se ve reflejada en este libro de actas, las JA son un punto de encuentro de las diferentes generaciones de profesores, investigadores y profesionales, incluyendo la componente social que es de vital importancia. Esta edición 2022 de las JA se celebra en Logroño, capital de La Rioja, región mundialmente conocida por la calidad de sus vinos de Denominación de Origen y que ha asumido el desafío de poder ganar competitividad a través de la transformación verde y digital. Pero también por ser la cuna del castellano e impulsar el Valle de la Lengua con la ayuda de las nuevas tecnologías, entre ellas la Automática Inteligente. Los organizadores de estas JA, pertenecientes al Área de Ingeniería de Sistemas y Automática del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Rioja (UR), constituyen un pilar fundamental en el apoyo a la región para el estudio, implementación y difusión de estos retos. Esta edición, la primera en formato íntegramente presencial después de la pandemia de la covid-19, cuenta con más de 200 asistentes y se celebra a caballo entre el Edificio Politécnico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial y el Monasterio de Yuso situado en San Millán de la Cogolla, dos marcos excepcionales para la realización de las JA. Como parte del programa científico, dos sesiones plenarias harán hincapié, respectivamente, sobre soluciones de control para afrontar los nuevos retos energéticos, y sobre la calidad de los datos para una inteligencia artificial (IA) imparcial y confiable. También, dos mesas redondas debatirán aplicaciones de la IA y la implantación de la tecnología digital en la actividad profesional. Adicionalmente, destacaremos dos clases magistrales alineadas con tecnología de última generación que serán impartidas por profesionales de la empresa. Las JA también van a albergar dos competiciones: CEABOT, con robots humanoides, y el Concurso de Ingeniería de Control, enfocado a UAVs. A todas estas actividades hay que añadir las reuniones de los grupos temáticos de CEA, las exhibiciones de pósteres con las comunicaciones presentadas a las JA y los expositores de las empresas. Por último, durante el evento se va a proceder a la entrega del “Premio Nacional de Automática” (edición 2022) y del “Premio CEA al Talento Femenino en Automática”, patrocinado por el Gobierno de La Rioja (en su primera edición), además de diversos galardones enmarcados dentro de las actividades de los grupos temáticos de CEA. Las actas de las XLIII Jornadas de Automática están formadas por un total de 143 comunicaciones, organizadas en torno a los nueve Grupos Temáticos y a las dos Líneas Estratégicas de CEA. Los trabajos seleccionados han sido sometidos a un proceso de revisión por pares

Optimización en sistemas multi-robot mediante embodied evolution

Programa Oficial de Doutoramento en Computación. 5009V01[Resumen] En esta tesis se ha desarrollado una versión del algoritmo evolutivo Embodied Evolution (EE) que generaliza las existentes en el campo, con el objetivo de avanzar en la estandarización de este paradigma de forma que pueda ser estudiado de manera formal, y así conocer sus fortalezas y limitaciones. El algoritmo desarrollado en esta tesis se ha denominado “canónico”porque se ha diseñado tras el análisis detallado de los procesos básicos comunes a las diferentes variantes dentro de Embodied Evolution, de modo que únicamente contiene dichos procesos intrínsecos, y una parametrización de los mismos lo más general posible. El funcionamiento de este algoritmo can´onico de Embodied Evolution se ha analizado en un conjunto de funciones teóricas representativas de los espacios de búsqueda en optimización colectiva, sobre los que se ha llevado a cabo un análisis de sensibilidad exhaustivo. Finalmente, las conclusiones del análisis teórico se han validado en una tarea real en la cual se ha podido comprobar la validez de la aproximación a la hora de optimizar la coordinación emergente del sistema multi-robot, tanto a nivel de rendimiento como a nivel de organización automática en especies, una propiedad fundamental de este paradigma.[Resumo] Nesta tese doutoral desenvolveuse unha version do algoritmo evolutivo Embodied Evolution (EE) que xeneraliza as existentes no campo, co obxectivo de avanzar na estandarización deste paradigma, de forma que poida ser estudado de maneira formal, e así coñecer as súas fortalezas e limitacións. O algoritmo desenvolvido nesta tese denominouse algoritmo canónico porque foi deseñado tras analizar detalladamente os procesos básicos comúns ás diferentes variantes dentro de Embodied Evolution, de modo que únicamente contén estes procesos intrínsecos, e una parametrización dos mesmos o máis xeral posible. O funcionamiento do algoritmo canónico de Embodied Evolution analizouse nun conxunto de funcións teóricas representativas dos espazos de búsqueda en optimización colectiva, sobre os que se realizou unha análise de sensibilidade exhaustiva. Finalmente, as conclusions da análise teorica validouse nunha tarefa real, na que se puido comprobar a validez da aproximación á hora de optimizar a coordinación emerxente do sistema multi-robot, tanto a nivel de rendemento como a nivel de organización automática en especies, unha propiedade fundamental neste paradigma.[Abstract] In this PhD thesis, a version of the Embodied Evolution (EE) algorithm has been developed that generalizes the existing version on the field, with the goal of advancing in the standardization of this paradigm such that it could be studied in a formal way and discover its strengths and limitations. The developed algorithm has been named “canonical” because it was designed after analyzing in detail the basic common processes of the di↵erent variants in Embodied Evolution, in a way that only contains the intrinsic processes and a parametrization as general as possible. The operation of this Embodied Evolution canonical algorithm has been analyzed in a set of theoretic functions that represent the di↵erent search landscapes in collective optimization, in which a sensibility analysis has been performed. Finally, the conclusions of the theoretic analysis has been validated in a real task in which the validity of the approximation has been confirmed through the successful optimization of the emergent coordination of the multi-robot system, both in performance and in automatic organization in species, a fundamental property in this paradigm