Mechatronic Design of a Lower Limb Exoskeleton

This chapter presents a lower limb exoskeleton mechatronic design. The design aims to be used as a walking support device focused on patients who suffer of partial lower body paralysis due to spine injuries or caused by a stroke. First, the mechanical design is presented and the results are validated through dynamical simulations performed in Autodesk Inventor and MATLAB. Second, a communication network design is proposed in order to establish a secure and fast data link between sensors, actuators, and microprocessors. Finally, patient‐exoskeleton system interaction is presented and detailed. Movement generation is performed by means of digital signal processing techniques applied to electromyography (EMG) and electrocardiography (EEG) signals. Such interaction system design is tested and evaluated in MATLAB whose results are presented and explained. A proposal of real‐time supervisory control is also presented as a part of the integration of every component of the exoskeleton

Iterative Flattening Search for the Flexible Job Shop Scheduling Problem

This paper presents a meta-heuristic algorithm for solving the Flexible Job Shop Scheduling Problem (FJSSP). This strategy, known as Iterative Flattening Search (IFS), iteratively applies a relaxation-step, in which a subset of scheduling decisions are randomly retracted from the current solution; and a solving-step, in which a new solution is incrementally recomputed from this partial schedule. This work contributes two separate results: (1) it proposes a constraint-based procedure extending an existing approach previously used for classical Job Shop Scheduling Problem; (2) it proposes an original relaxation strategy on feasible FJSSP solutions based on the idea of randomly breaking the execution orders of the activities on the machines and opening the resource options for some activities selected at random. The efficacy of the overall heuristic optimization algorithm is demonstrated on a set of well-known benchmarks

a relaying graph and special strong product for zero-error problems in primitive relay channels

A primitive relay channel (PRC) has one source (S) communicating a message to one destination (D) with the help of a relay (R). The link between R and D is considered to be noiseless, of finite capacity, and parallel to the link between S and (R,D). Prior work has established, for any fixed number of channel uses, the minimal R-D link rate needed so that the overall S-D message rate equals the zero-error single-input multiple output outer bound (Problem 1). The zero-error relaying scheme was expressed as a coloring of a carefully defined 'relaying compression graph'. It is shown here that this relaying compression graph for n channel uses is not obtained as a strong product from its n = 1 instance. Here we define a new graph, the 'primitive relaying graph' and a new 'special strong product' such that the n-channel use primitive relaying graph corresponds to the n-fold special strong product of the n = 1 graph. We show how the solution to Problem 1 can be obtained from this new primitive relaying graph directly. Further study of this primitive relaying graph has the potential to highlight the structure of optimal codes for zero-error relaying. © 2018 IEEE.A primitive relay channel (PRC) has one source (S) communicating a message to one destination (D) with the help of a relay (R). The link between R and D is considered to be noiseless, of finite capacity, and parallel to the link between S and (R,D). Prior work has established, for any fixed number of channel uses, the minimal R-D link rate needed so that the overall S-D message rate equals the zero-error single-input multiple output outer bound (Problem 1). The zero-error relaying scheme was expressed as a coloring of a carefully defined 'relaying compression graph'. It is shown here that this relaying compression graph for n channel uses is not obtained as a strong product from its n = 1 instance. Here we define a new graph, the 'primitive relaying graph' and a new 'special strong product' such that the n-channel use primitive relaying graph corresponds to the n-fold special strong product of the n = 1 graph. We show how the solution to Problem 1 can be obtained from this new primitive relaying graph directly. Further study of this primitive relaying graph has the potential to highlight the structure of optimal codes for zero-error relaying. © 2018 IEEE.Colorad

Variable-length coding error exponents for the AWGN channel with noisy feedback at zero-rate

A one-way additive white Gaussian noise (AWGN) channel with active feedback sent over another AWGN feedback channel is considered. Achievable error exponents are presented in the finite message / zero-rate regime for a variable length coding (VLC) scheme. This coding scheme uses a form of round-robin scheduling of messages, and a simplex-based feedback code to obtain reliable feedback and remain synchronized, despite the noise in the feedback link. Our results show that this new VLC scheme under an almost-sure power constraint achieves an error exponent similar to an achievable exponent attained using a fixed block length scheme under a much more relaxed expected block power constraint, and is larger than that achieved by schemes without feedback.A one-way additive white Gaussian noise (AWGN) channel with active feedback sent over another AWGN feedback channel is considered. Achievable error exponents are presented in the finite message / zero-rate regime for a variable length coding (VLC) scheme. This coding scheme uses a form of round-robin scheduling of messages, and a simplex-based feedback code to obtain reliable feedback and remain synchronized, despite the noise in the feedback link. Our results show that this new VLC scheme under an almost-sure power constraint achieves an error exponent similar to an achievable exponent attained using a fixed block length scheme under a much more relaxed expected block power constraint, and is larger than that achieved by schemes without feedback.1Parí

An Error Exponent for the AWGN Channel with Decision Feedback and Lattice Coding

We present achievable error exponents for the AWGN channel with one bit noiseless feedback and an almost-sure power constraint. As in Forney's decision feedback approach for discrete memoryless channels, the backward channel is used to request retransmissions from the transmitter whenever an erasure is declared at the decoder. Our erasure/re-transmission-request scheme introduces a novel erasure decoding rule built on top of a lattice-based code inspired by De Buda. Numerically, our scheme is seen to outperform the sphere packing bound (valid for block codes) at lower rates and higher SNRs.Monticell

Exponentes de error alcanzables de canales AWGN unidireccionales y bidireccionales

Los exponentes de error alcanzables para el unidireccional con realimentación ruidosa y los canales AWGN bidireccionales se derivan para la transmisión de un número finito de mensajes usando una longitud de bloque fija, bajo las restricciones de potencia de bloque casi seguro (AS) y esperado (EXP). En la configuración unidireccional bajo la ruidosa retroalimentación AWGN, se muestra que bajo la restricción AS y cuando el enlace de retroalimentación es mucho más fuerte que el enlace directo, la retroalimentación activa conduce a una ganancia mayor sobre el exponente de error sin retroalimentación que la retroalimentación pasiva. Bajo la restricción EXP, un exponente de error previamente conocido para la transmisión de dos mensajes se generaliza a cualquier número arbitrario pero finito de mensajes. En la configuración bidireccional, donde cada usuario tiene su propio mensaje para enviar además de (posiblemente) ayudar en la transmisión de retroalimentación en la dirección opuesta, las regiones exponentes de error se definen y derivan por primera vez para la AWGN bidireccional canal bajo restricciones de potencia AS y EXP. Se muestra que la retroalimentación o la interacción pueden conducir a ganancias de exponente de error en una dirección, posiblemente a expensas de una disminución en los exponentes de error alcanzados en la otra dirección. Se explora la relación y el respaldo de nuestras estrategias de viabilidad.Achievable error exponents for the one-way with noisy feedback and two-way AWGN channels are derived for the transmission of a finite number of messages using fixed block length , under the almost sure (AS) and the expected block (EXP) power constraints. In the one-way setting under noisy AWGN feedback, it is shown that under the AS constraint and when the feedback link is much stronger than the direct link, active feedback leads to a larger gain over the non-feedback error exponent than passive feedback. Under the EXP constraint, a previously known error exponent for the transmission of two messages is generalized to any arbitrary but finite number of messages . In the two-way setting, where each user has its own message to send in addition to (possibly) aiding in the transmission of feedback for the opposite direction, error exponent regions are defined and derived for the first time for the AWGN two-way channel under both AS and EXP power constraints. It is shown that feedback or interaction may lead to error exponent gains in one direction, possibly at the expense of a decrease in the error exponents attained in the other direction. The relationship between and supported by our achievability strategies is explored

Achievable error exponents for the two-way parallel DMC

We investigate error exponent regions for the parallel two-way DMC in which each terminal sends its own message and provides feedback to the other terminal. Various error exponents are presented in different rate-region regimes based on the relative rates and zero-error capacities of both directions. The schemes employed are extensions of error exponents for one-way DMCs with noiseless, rate-limited and noisy feedbackRiva del Gard

Two-way AWGN channel error exponents at zero rate

Achievable error exponent regions of a two-way additive white Gaussian noise (AWGN) channel, where two terminals exchange a fixed number of messages M, are derived. In particular, error exponent regions for = 2 messages under expected power and = 3 messages under almost sure power constraints are considered. For = 2 messages the use of active feedback is shown to lead to an error exponent gain over that when feedback / interaction is ignored. For = 3 messages and asymmetric channels, it is shown that the error exponent of the weaker channel may be improved through active feedback, at the expense of a decreased error exponent of the stronger direction. This may, for sufficiently asymmetric channel gains, outperform the error exponent region achieved by having both terminals operate independently of one another (ignoring the possibility of sending feedback for the other).Achievable error exponent regions of a two-way additive white Gaussian noise (AWGN) channel, where two terminals exchange a fixed number of messages M, are derived. In particular, error exponent regions for = 2 messages under expected power and = 3 messages under almost sure power constraints are considered. For = 2 messages the use of active feedback is shown to lead to an error exponent gain over that when feedback / interaction is ignored. For = 3 messages and asymmetric channels, it is shown that the error exponent of the weaker channel may be improved through active feedback, at the expense of a decreased error exponent of the stronger direction. This may, for sufficiently asymmetric channel gains, outperform the error exponent region achieved by having both terminals operate independently of one another (ignoring the possibility of sending feedback for the other).VAIL, COLORAD

Diseño e implementación de un sistema de síntesis de voz

El proceso de Síntesis de Voz consiste en convertir un texto cualquiera, ingresado o producido en un computador o dispositivo afín, en habla, es decir, en sonidos que puedan ser captados y entendidos por un ser humano, como si los dijera otra persona, con el objetivo primordial de hacer más amigable la comunicación entre los dispositivos electrónicos y el ser humano. Esta técnica ha sido explotada en varios campos de la tecnología, especialmente en aquellos que buscan facilitar la vida de las personas con discapacidades visuales o del habla. Para el efecto, alrededor del mundo se han desarrollado varias técnicas que permiten producir voz artificial; en diferentes Centros de investigación y Universidades a nivel de pre y post-grado, se perfeccionan los métodos y nuevas propuestas en esta línea de investigación, todas y cada una con características y funcionamiento propios, pero con un objetivo común que busca lograr la naturalidad total en la voz producida. Pero imitar la voz humana no es un trabajo sencillo, a la naturaleza le ha tomado cientos e incluso miles de años de evolución modelar los órganos componentes del aparato fonatorio humano, y otros cientos de años le tomó al hombre articular sonidos con significado, que puedan combinarse entre sí para formas las palabras, después las oraciones, y al final del camino, complejos lenguajes de comunicación que se aprenden desde una muy pronta edad. En la actualidad, la velocidad de los computadores y en general de los sistemas microprocesados contemporáneos, así como su capacidad de almacenamiento crecen exponencialmente no así como sus costos que contrariamente se reducen cada día; las técnicas de procesamiento digital de señales evolucionan a niveles más altos, la tecnología simplifica las tareas más comunes y pueden implementarse muy complejos algoritmos computacionales en sistemas convencionales. Este conjunto de hechos constituye una de las razones fundamentales de que hoy en día se pueda manipular y generar señales de naturaleza no estacionaria (como es el caso de la voz humana). El presente texto documenta el proyecto de tesis "Diseño e Implementación de un Sistema de Síntesis de Voz", en el que se ha desarrollado un sistema informático de generación de voz artificial, como un proyecto de fin de carrera de Ingeniería Electrónica. Se ha planteado una propuesta que utiliza la técnica de concatenación de unidades del habla para generar voz artificial, un algoritmo de libre implementación sobre cualquier plataforma programable, sea un computador personal (sobre el cual se ha implementado como parte de este proyecto), un microcontrolador o un procesador digital de señales DSP. Si bien se han creado sistemas en otros países, las voces en ellos naturalmente son nativas del lugar en el que se desarrolla específicamente una investigación, lo que adicionalmente incorpora idiomas y acentos particulares que muchas veces desentonan con ciertas personas y culturas, es así pues que, el crear una voz sintética ecuatoriana, ha sido otro de los grades aspectos motivadores para impulsar este proyecto. Este texto se divide en seis capítulos que recopilan el proceso de la investigación y la implementación final del sistema: El Capítulo 1 contiene la información preliminar que se requiere conocer sobre la producción fisiológica del lenguaje en el cuerpo humano y sus componentes fundamentales para el caso del idioma español. Se discuten los conceptos de fonología y fonética, la comunicación como tal y los elementos necesarios para articular el lenguaje. En el Capitulo 2 se estudia concretamente la Síntesis de Voz, sus aplicaciones, las diferentes técnicas que se utilizan para producirla con una atención particular a la Síntesis de Voz por concatenación de Unidades; con detalle se revisa arquitectura general de estos sistemas y se compara cada una de las posibles formas de efectuar la sintetización, exponiendo cada una de sus ventajas y desventajas con el fin de justificar el uso de la técnica escogida en el presente proyecto. La técnica de concatenación de unidades se basa en recortar pequeños segmentos de voz de frases pregrabadas en base a un algoritmo de selección. Estas unidades pueden variar en tipo y en tamaño, sin embargo se extraen de entre una gran cantidad de grabaciones. Ese conjunto de grabaciones constituye una base de datos de segmentos de voz que comúnmente se denomina Corpus de voz. El Capítulo 3 se centra en el estudio de los Corpus de Voz y del que particularmente se ha creado para este sistema, así como la determinación del contenido textual de las grabaciones y una breve explicación de como un espectrograma puede ser de mucha utilidad para diferenciar los elementos fonéticos que componen una palabra. En el Capítulo 4 se detalla la implementación del sistema, el formato de las grabaciones del corpus de voz y el tratamiento que se les da para generar toda la información necesaria para la concatenación de unidades. Se estudia con detalle cada una de las etapas que intervienen en el sistema y las funciones que cumplen. En este capítulo describe el corazón del sistema, un algoritmo de búsqueda y evaluación para obtener las mejores unidades fonéticas que componen las palabras y oraciones que se desea sintetizar. El Capítulo 5 expone los criterios que deben tomarse en cuenta para evaluar los sistemas de sintetización de la voz, las directivas que asumen cada una de las apreciaciones de evaluación y los resultados obtenidos tras someter a un conjunto de pruebas subjetivas al sistema, y objetivas para cada uno de los módulos que lo componen. Finalmente los resultados generales obtenidos para el algoritmo de concatenación de unidades propuesto se expresan en el Capítulo 6, conjuntamente con un grupo de recomendaciones para el mejoramiento del sistema y una serie de propuestas planteadas para líneas futuras de investigación en el campo de las tecnologías del habla. Con la convicción de haber efectuado un trabajo de investigación con un considerable potencial, presentamos esta obra que esperamos sinceramente siente un precedente sólido y sirva como base en el desarrollo de muchos otros proyectos en el campo de las tecnologías del habla y en el apoyo de las personas discapacitadas