Planning and estimation algorithms for human-like grasping

Mención Internacional en el título de doctorThe use of robots in human-like environments requires them to be able to sense and model unstructured scenarios. Thus, their success will depend on their versatility for interacting with the surroundings. This interaction often includes manipulation of objects for accomplishing common daily tasks. Therefore, robots need to sense, understand, plan and perform; and this has to be a continuous loop. This thesis presents a framework which covers most of the phases encountered in a common manipulation pipeline. First, it is shown how to use the Fast Marching Squared algorithm and a leader-followers strategy to control a formation of robots, simplifying a high dimensional path-planning problem. This approach is evaluated with simulations in complex environments in which the formation control technique is applied. Results are evaluated in terms of distance to obstacles (safety) and the needed deformation. Then, a framework to perform the grasping action is presented. The necessary techniques for environment modelling and grasp synthesis and path planning and control are presented. For the motion planning part, the formation concept from the previous chapter is recycled. This technique is applied to the planning and control of the movement of a complex hand-arm system. Tests using robot Manfred show the possibilities of the framework when performing in real scenarios. Finally, under the assumption that the grasping actions may not always result as it was previously planned, a Bayesian-based state-estimation process is introduced to estimate the final in-hand object pose after a grasping action is done, based on the measurements of proprioceptive and tactile sensors. This approach is evaluated in real experiments with Reex Takktile hand. Results show good performance in general terms, while suggest the need of a vision system for a more precise outcome.La investigación en robótica avanza con la intención de evolucionar hacia el uso de los robots en entornos humanos. A día de hoy, su uso está prácticamente limitado a las fábricas, donde trabajan en entornos controlados realizando tareas repetitivas. Sin embargo, estos robots son incapaces de reaccionar antes los más mínimos cambios en el entorno o en la tarea a realizar. En el grupo de investigación del Roboticslab se ha construido un manipulador móvil, llamado Manfred, en el transcurso de los últimos 15 años. Su objetivo es conseguir realizar tareas de navegación y manipulación en entornos diseñados para seres humanos. Para las tareas de manipulación y agarre, se ha adquirido recientemente una mano robótica diseñada en la universidad de Gifu, Japón. Sin embargo, al comienzo de esta tesis, no se había realzado ningún trabajo destinado a la manipulación o el agarre de objetos. Por lo tanto, existe una motivación clara para investigar en este campo y ampliar las capacidades del robot, aspectos tratados en esta tesis. La primera parte de la tesis muestra la aplicación de un sistema de control de formaciones de robots en 3 dimensiones. El sistema explicado utiliza un esquema de tipo líder-seguidores, y se basa en la utilización del algoritmo Fast Marching Square para el cálculo de la trayectoria del líder. Después, mientras el líder recorre el camino, la formación se va adaptando al entorno para evitar la colisión de los robots con los obstáculos. El esquema de deformación presentado se basa en la información sobre el entorno previamente calculada con Fast Marching Square. El algoritmo es probado a través de distintas simulaciones en escenarios complejos. Los resultados son analizados estudiando principalmente dos características: cantidad de deformación necesaria y seguridad de los caminos de los robots. Aunque los resultados son satisfactorios en ambos aspectos, es deseable que en un futuro se realicen simulaciones más realistas y, finalmente, se implemente el sistema en robots reales. El siguiente capítulo nace de la misma idea, el control de formaciones de robots. Este concepto es usado para modelar el sistema brazo-mano del robot Manfred. Al igual que en el caso de una formación de robots, el sistema al completo incluye un número muy elevado de grados de libertad que dificulta la planificación de trayectorias. Sin embargo, la adaptación del esquema de control de formaciones para el brazo-mano robótico nos permite reducir la complejidad a la hora de hacer la planificación de trayectorias. Al igual que antes, el sistema se basa en el uso de Fast Marching Square. Además, se ha construido un esquema completo que permite modelar el entorno, calcular posibles posiciones para el agarre, y planificar los movimientos para realizarlo. Todo ello ha sido implementado en el robot Manfred, realizando pruebas de agarre con objetos reales. Los resultados muestran el potencial del uso de este esquema de control, dejando lugar para mejoras, fundamentalmente en el apartado de la modelización de objetos y en el cálculo y elección de los posibles agarres. A continuación, se trata de cerrar el lazo de control en el agarre de objetos. Una vez un sistema robótico ha realizado los movimientos necesarios para obtener un agarre estable, la posición final del objeto dentro de la mano resulta, en la mayoría de las ocasiones, distinta de la que se había planificado. Este hecho es debido a la acumulación de fallos en los sistemas de percepción y modelado del entorno, y los de planificación y ejecución de movimientos. Por ello, se propone un sistema Bayesiano basado en un filtro de partículas que, teniendo en cuenta la posición de la palma y los dedos de la mano, los datos de sensores táctiles y la forma del objeto, estima la posición del objeto dentro de la mano. El sistema parte de una posición inicial conocida, y empieza a ejecutarse después del primer contacto entre los dedos y el objeto, de manera que sea capaz de detectar los movimientos que se producen al realizar la fuerza necesaria para estabilizar el agarre. Los resultados muestran la validez del método. Sin embargo, también queda claro que, usando únicamente la información táctil y de posición, hay grados de libertad que no se pueden determinar, por lo que, para el futuro, resultaría aconsejable la combinación de este sistema con otro basado en visión. Finalmente se incluyen 2 anexos que profundizan en la implementación de la solución del algoritmo de Fast Marching y la presentación de los sistemas robóticos reales que se han usado en las distintas pruebas de la tesis.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Carlos Balaguer Bernaldo de Quirós.- Secretario: Raúl Suárez Feijoo.- Vocal: Pedro U. Lim

Design of a remote controlled hovercraft

Este informe trata el diseño, desarrollo y construcción de un aerodeslizador de pequeño tamaño, equipado con control remoto que permite al usuario actuar sobre la velocidad y dirección del mismo. Este proyecto podrá ser utilizado en un futuro como base para el desarrollo de aplicaciones más complejas. Un aerodeslizador es un medio de transporte cuyo chasis se eleva sobre el suelo por medio de un motor impulsor que hincha una falda colocada en la parte inferior del mismo. Además, uno o más motores se colocan en la parte trasera del vehículo para propulsarlo. El hecho de que el aerodeslizador no este en contacto directo con la tierra, hace que pueda moverse tanto por tierra como sobre el agua o hielo y que sea capaz de superar pequeños obstáculos. Por otra parte, este hecho se convierte a su vez en un problema debido a que su fuerza de rozamiento al desplazarse es muy pequeña, lo que provoca que sea muy difícil de frenar, y tienda a girar por sí mismo debido a la inercia del movimiento y a las fuerzas provocadas por las corrientes de aire debajo del chasis. Sin embargo, para este proyecto no se ha colocado una falda debajo del mismo, debido a que su diseño es bastante complicado, por lo tanto la fricción con el suelo es menor, aumentando los problemas detallados con anterioridad. El proyecto consta de dos partes, mando a distancia y aerodeslizador, que se conectan a través de antenas de radiofrecuencia (RF). El diseño y desarrollo de cada una ha sido realizado de manera separada exceptuando la parte de las comunicaciones entre ambas. El mando a distancia se divide en tres partes. La primera está compuesta por la interfaz de usuario y el circuito que genera las señales analógicas correspondientes a sus indicaciones. La interfaz de usuario la conforman tres potenciómetros: uno rotatorio y dos deslizantes. El rotatorio se utiliza para controlar la dirección de giro del aerodeslizador, mientras que cada uno de los deslizantes se emplea para controlar la fuerza del motor impulsor y del propulsor respectivamente. En los tres casos los potenciómetros se colocan en el circuito de manera que actúan como divisores de tensión controlables. La segunda parte se compone de un microcontrolador de la familia PSoC. Esta familia de microcontroladores se caracteriza por tener una gran adaptabilidad a la aplicación en la que se quieran utilizar debido a la posibilidad de elección de los periféricos, tanto analógicos como digitales, que forman parte del microcontrolador. Para el mando a distancia se configura con tres conversores A/D que se encargan de transformar las señales procedentes de los potenciómetros, tres amplificadores programables para trabajar con toda la escala de los conversores, un LCD que se utiliza para depurar el código en C con el que se programa y un módulo SPI que es la interfaz que conecta el microcontrolador con la antena. Además, se utilizan cuatro pines externos para elegir el canal de transmisión de la antena. La tercera parte es el módulo transceptor de radio frecuencia (RF) QFM-TRX1-24G, que en el mando a distancia funciona como transmisor. Éste utiliza codificación Manchester para asegurar bajas tasas de error. Como alimentación para los circuitos del mando a distancia se utilizan cuatro pilas AA de 1,5 voltios en serie. En el aerodeslizador se pueden distinguir cinco partes. La primera es el módulo de comunicaciones, que utiliza el mismo transceptor que en el mando a distancia, pero esta vez funciona como receptor y por lo tanto servirá como entrada de datos al sistema haciendo llegar las instrucciones del usuario. Este módulo se comunica con el siguiente, un microcontrolador de la familia PSoC, a través de una interfaz SPI. En este caso el microcontrolador se configura con: un modulo SPI, un LCD utilizado para depurar el código y tres módulos PWM (2 de 8 bits y uno de 16 bits) para controlar los motores y el servo del aerodeslizador. Además, se utilizan cuatro pines externos para seleccionar el canal de recepción de datos. La tercera y cuarta parte se pueden considerar conjuntamente. Ambas están compuestas por el mismo circuito electrónico basado en transistores MOSFET. A la puerta de cada uno de los transistores llega una señal PWM de 100 kilohercios que proviene del microcontrolador, que se encarga de controlar el modo de funcionamiento de los transistores, que llevan acoplado un disipador de calor para evitar que se quemen. A su vez, los transistores hacen funcionar al dos ventiladores, que actúan como motores, el impulsor y el propulsor del aerodeslizador. La quinta y última parte es un servo estándar para modelismo. El servo está controlado por una señal PWM, en la que la longitud del pulso positivo establece la posición de la cabeza del servo, girando en uno u otra dirección según las instrucciones enviadas desde el mando a distancia por el usuario. Para el aerodeslizador se han utilizado dos fuentes de alimentación diferentes: una compuesta por 4 pilas AA de 1,5 voltios en serie que alimentarán al microcontrolador y al servo, y 4 baterías de litio recargables de 3,2 voltios en serie que alimentan el circuito de los motores. La última parte del proyecto es el montaje y ensamblaje final de los dispositivos. Para el chasis del aerodeslizador se ha utilizado una cubierta rectangular de poli-estireno expandido, habitualmente encontrado en el embalaje de productos frágiles. Este material es bastante ligero y con una alta resistencia a los golpes, por lo que es ideal para el propósito del proyecto. En el chasis se han realizado dos agujeros: uno circular situado en el centro del mismo en el se introduce y se ajusta con pegamento el motor impulsor, y un agujero con la forma del servo, situado en uno del los laterales estrechos del rectángulo, en el que se acopla el mismo. El motor propulsor está adherido al cabezal giratorio del servo de manera que rota a la vez que él, haciendo girar al aerodeslizador. El resto de circuitos electrónicos y las baterías se fijan al chasis mediante cinta adhesiva y pegamento procurando en todo momento repartir el peso de manera homogénea por todo el chasis para aumentar la estabilidad del aerodeslizador. SUMMARY: In this final year project a remote controlled hovercraft was designed using mainly technology that is well known by students in the embedded systems programme. This platform could be used to develop further and more complex projects. The system was developed dividing the work into two parts: remote control and hovercraft. The hardware was of the hovercraft and the remote control was designed separately; however, the software was designed at the same time since it was needed to develop the communication system. The result of the project was a remote control hovercraft which has a user friendly interface. The system was designed based on microprocessor technologies and uses common remote control technologies. The system has been designed with technology commonly used by the students in Metropolia University so that it can be readily understood in order to develop other projects based on this platform

On the influence of creativity in basic programming learning at a first-year Engineering course

Teaching fundamentals of programming is a complex task that involves the students’ acquisition of diverse knowledge and skills. It is also well known that programming often requires a certain degree of creativity. There are some studies on how to foster creativity with programming, but few studies have analyzed the influence of students creativity on their performance as programmers. In this paper we present the results of a study, with a sample of 89 freshmen engineering students. Our results suggest (p<0.01) that a high level of creativity is correlated with achieving excellence in programming. Creativity is a generic competence which is not currently covered with in most engineering curricula, and we conclude it should be taken into account. Females, diverse thinking student and some disadvantage groups may benefit from a free-thinking environment in the classroom, in particular at their first-year in college.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

El Desarrollo de la competencia sostenibilidad y compromiso social en la Facultat d’Informàtica de Barcelona

En este artículo se presenta una propuesta para desarrollar la competencia “Sostenibilidad y Compromiso Social” (SyCS) en estudios superiores de informática. La propuesta se basa en proporcionar al profesorado formación general en SyCS (y en particular en la relación entre ésta y la informática), material relacionado con SyCS para cada materia y métodos de evaluación de la competencia. Los autores defienden introducir esta competencia en una gran mayoría de las asignaturas, frente a otras propuestas que defienden asignaturas específicas dentro del plan de estudios. Se propone también la existencia de un mecanismo global de coordinación y evaluación de la competencia. Finalmente, se detalla la introducción de SyCS en el Grado en Ingeniería Informática de la Facultat d’Informàtica de Barcelona (FIB) y se muestran algunos ejemplos de cómo tratar SyCS en las asignaturas.Peer Reviewe

Desde la Antropología: Comprensión de la Salud publica en el contexto salvadoreño

La salud ha tenido diversas conceptualizaciones en diferentes coordenadas y esto ha permitido acciones consecuentes en base a la construcción del concepto, en algunas comunidades se ha hablado de enfermedades sobrenaturales, en cambio en los Estados como El Salvador del siglo XIX las enfermedades poseen una racionalización de la salud, siendo necesario preguntarse desde la antropología ¿Que es la salud? ¿Cómo interviene el concepto de salud en la configuración de la sociedad y los grupos minoritarios? Precisamente en comprender dichas preguntas sobre los sistemas culturales emerge una diferencia social al abordar el problema sanitario, resulta entonces pertinente en el contexto de pandemia donde es viable hacer cuestionamientos a las decisiones de salud pública

Do female motives for enrolling vary according to STEM profile?

Contribution: Stereotypes and immediate environment are the reasons for low enrollment of women in STEM studies. Background: The low number of women in STEM degree courses has been the subject of much research, which has found that the lack of female enrollment is not evenly distributed across all STEM studies. In some areas, such as computing, communications, and electrical and electronic engineering (CCEEE), not only has the number of women not increased, it has even fallen. Research Questions: Is there a stereotype for women taking STEM studies? Is this stereotype different between women taking CCEEE and non-CCEEE degrees? What are the main reasons that lead women to enroll in STEM studies? Methodology: A survey was sent to 3699 female students and STEM graduates belonging to the authors’ university in six schools with a lowest level of enrollment, and 1060 replies were received. A qualitative study based on data analysis triangulation was performed. Findings: The women surveyed consider social stereotypes (31.47%) and the immediate environment (14.5%) as the main reasons for the low enrollment of women in STEM studies. Surprisingly, the third reason (11.03%) is that women do not like engineering. New knowledge concerning what motivates female students to enroll in STEM studies, what stereotypes they must struggle against, and the existence of possible differences between CCEEE and STEM but non-CCEEE female students could help policy makers and academia to improve female enrollment in STEM and, in particular, in CCEEE studies.Peer ReviewedPostprin

Cómo formar ingenieros en informática en la competencia sostenibilidad y compromiso Social

En los nuevos planes de estudios hay que desarrollar competencias que resultan novedosas: prácticamente no han sido trabajadas con anterioridad. Cómo enseñarlas y cómo evaluarlas es una preocupación para los diseñadores de los nuevos planes. Este artículo analiza la competencia “Sostenibilidad y Compromiso Social”, explicando técnicas para desarrollarla tanto a nivel de comprensión como al de aplicación, según la taxonomía de Bloom, y analiza las condiciones que deben darse en un centro para poder implementar estas técnicas en las asignaturas de su plan de estudios.Peer Reviewe

A framework to design the computational load distribution of wireless sensor networks in power consumption constrained environments

En este documento, presentamos un trabajo basado en la distribución de la carga computacional entre los nodos homogéneos y el Hub/Sink de las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN). La principal contribución del trabajo es un marco de apoyo a las decisiones tempranas que ayuda a los diseñadores de WSN a tomar decisiones sobre la distribución de la carga computacional para aquellas WSN en las que el consumo de energía es una cuestión clave (cuando nos referimos a "marco" en este trabajo, lo consideramos como una herramienta de apoyo para tomar decisiones en las que el juicio ejecutivo puede ser incluido junto con el conjunto de herramientas matemáticas del diseñador de WSN; este trabajo muestra la necesidad de incluir la distribución de la carga como un componente integral del sistema de WSN para tomar decisiones tempranas en relación con el consumo de energía). El marco aprovecha la idea de que equilibrar los nodos sensores y la carga computacional del Hub/Sink puede conducir a un mejor consumo de energía para la totalidad o al menos los nodos alimentados por batería de la WSN. El enfoque no es trivial y tiene en cuenta cuestiones conexas como la distribución de los datos necesarios, los nodos y la conectividad y disponibilidad del Hub/Sink debido a sus características de conectividad y su ciclo de trabajo. Para una demostración práctica, el marco propuesto se aplica a un estudio de caso de agricultura, un sector muy relevante en nuestra región. En este tipo de contexto rural, las distancias, los bajos costos debido a los precios de venta de las verduras y la falta de suministro continuo de energía pueden dar lugar a soluciones de detección viables o inviables para los agricultores. El marco propuesto sistematiza y facilita a los diseñadores de las WSN los complejos cálculos necesarios teniendo en cuenta las variables más relevantes en cuanto al consumo de energía, evitando implementaciones completas/parciales/prototipos, y mediciones de diferentes soluciones potenciales de distribución de la carga computacional para una WSN específica.In this paper, we present a work based on the computational load distribution among the homogeneous nodes and the Hub/Sink of Wireless Sensor Networks (WSNs). The main contribution of the paper is an early decision support framework helping WSN designers to take decisions about computational load distribution for those WSNs where power consumption is a key issue (when we refer to “framework” in this work, we are considering it as a support tool to make decisions where the executive judgment can be included along with the set of mathematical tools of the WSN designer; this work shows the need to include the load distribution as an integral component of the WSN system for making early decisions regarding energy consumption). The framework takes advantage of the idea that balancing sensors nodes and Hub/Sink computational load can lead to improved energy consumption for the whole or at least the battery-powered nodes of the WSN. The approach is not trivial and it takes into account related issues such as the required data distribution, nodes, and Hub/Sink connectivity and availability due to their connectivity features and duty-cycle. For a practical demonstration, the proposed framework is applied to an agriculture case study, a sector very relevant in our region. In this kind of rural context, distances, low costs due to vegetable selling prices and the lack of continuous power supplies may lead to viable or inviable sensing solutions for the farmers. The proposed framework systematize and facilitates WSN designers the required complex calculations taking into account the most relevant variables regarding power consumption, avoiding full/partial/prototype implementations, and measurements of different computational load distribution potential solutions for a specific WSN.• Ministerio de Economía y Competitividad y Fondos FEDER. Proyecto TIN2015-69957-R (I+D+i) • Project International Institute of Investigation and Innovation of Aging. Ref. 0445_4IE_4_P • European Regional Development Fund (ERDF) through the Interreg V-A Spain Portugal Program (POCTEP) 2014-2020peerReviewe

Mamá, de mayor quiero ser ingeniero/a en informática

El número de estudiantes que se matriculan en Ingeniería Informática no ha dejado de disminuir en los últimos años. Sin embargo, la demanda de profesionales no deja de crecer. Los autores de este trabajo pensamos que el problema radica en (1) un desconocimiento general sobre qué es la Ingeniería Informática y (2) en la percepción de los jóvenes de que el esfuerzo requerido es muy alto. Creemos que para atraer más estudiantes de secundaria (en especial a mujeres) hay que mostrar el lado menos teórico y más humano y práctico de la informática, y debe ser el profesorado de secundaria quien fomente el interés y el entusiasmo en sus estudiantes. Para ello es necesario ayudar a este profesorado desde la propia universidad, formándoles a nivel técnico y ofreciéndoles herramientas y métodos pedagógicos. En este artículo se analiza cómo debería ser esta colaboración, y se presentan los resultados de una encuesta a profesores de tecnología sobre las motivaciones de sus estudiantes.Peer Reviewe

Basement membrane-rich Organoids with functional human blood vessels are permissive niches for human breast cancer metastasis

Metastasic breast cancer is the leading cause of death by malignancy in women worldwide. Tumor metastasis is a multistep process encompassing local invasion of cancer cells at primary tumor site, intravasation into the blood vessel, survival in systemic circulation, and extravasation across the endothelium to metastasize at a secondary site. However, only a small percentage of circulating cancer cells initiate metastatic colonies. This fact, together with the inaccessibility and structural complexity of target tissues has hampered the study of the later steps in cancer metastasis. In addition, most data are derived from in vivo models where critical steps such as intravasation/extravasation of human cancer cells are mediated by murine endothelial cells. Here, we developed a new mouse model to study the molecular and cellular mechanisms underlying late steps of the metastatic cascade. We have shown that a network of functional human blood vessels can be formed by co-implantation of human endothelial cells and mesenchymal cells, embedded within a reconstituted basement membrane-like matrix and inoculated subcutaneously into immunodeficient mice. The ability of circulating cancer cells to colonize these human vascularized organoids was next assessed in an orthotopic model of human breast cancer by bioluminescent imaging, molecular techniques and immunohistological analysis. We demonstrate that disseminated human breast cancer cells efficiently colonize organoids containing a functional microvessel network composed of human endothelial cells, connected to the mouse circulatory system. Human breast cancer cells could be clearly detected at different stages of the metastatic process: initial arrest in the human microvasculature, extravasation, and growth into avascular micrometastases. This new mouse model may help us to map the extravasation process with unprecedented detail, opening the way for the identification of relevant targets for therapeutic intervention