Escuela de Ingeniería (TECNUN) - Tesis Doctorales y Tesinas - 2006-2010
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- Metodología de Desarrollo de Sistemas Interactivos Inteligentes de Ayuda al Aprendizaje de Tareas Procedimentales basados en la Realidad Virtual y Mixta.(2013-01-31) Lozano-Rodero, A. (Alberto); Matey-Muñoz, L. (Luis); Ferrero-Martin, B. (Begoña)En las áreas de la Realidad Virtual y de la Inteligencia Artificial educativa se desarrollan tecnologías que resultan de gran utilidad en muchos ámbitos de formación. Este trabajo de tesis ahonda en la combinación de tecnologías de ambas áreas con el objetivo de facilitar la construcción de Sistemas Interactivos Inteligentes de Ayuda al Aprendizaje (SI2A2) de tareas procedimentales. Se han estudiado las arquitecturas y prácticas más relevantes en el desarrollo de SI2A2 en diferentes dominios de aprendizaje. A partir de las conclusiones obtenidas, se ha analizado en profundidad la problemática a la que hay que dar respuesta para integrar de forma metodológica Sistemas Interactivos basados en Realidad Virtual y Mixta con Sistemas de Ayuda al Aprendizaje. Como resultado, se ha propuesto una Metodología y un Marco de Desarrollo de propósito general para facilitar la construcción de SI2A2 independientemente del dominio. La Metodología está compuesta por un metamodelo de integración que describe el proceso de comunicación entre un Sistema Interactivo y un Sistema de Ayuda al Aprendizaje en tres niveles: observación, interpretación y diagnóstico. Además, incluye el procedimiento de construcción de SI2A2, que se centra en particularizar cada nivel del metamodelo para el dominio de aprendizaje específico del SI2A2. Por último, el Marco de Desarrollo se encarga de hacer efectiva la comunicación entre los dos sistemas. La Metodología y el Marco de Desarrollo han sido validados en el dominio de los procesos de fabricación con máquina herramienta y en el de la conducción de vehículos profesionales. Se han realizado experimentos que demuestran su validez para construir SI2A2 independientemente del dominio de aprendizaje, mostrando características diferentes: dominios de actividad continua e instantánea; sistemas interactivos realistas y simplificados; y entornos autónomos y reactivos.
- Evaluación del daño en el cuello del pasajero infantil de autobús provocado por el citurón de seguridad durante un choque frontal.(2012-05-03) Cazón-Martín, A.(Aitor); Suescun-Cruces, A. (Ángel)En el año 2003, la Unión Europea aprobó la directiva 2003/20/CE. Su objetivo es la mejora de la seguridad de los pasajeros de autobús mediante la incorporación de cinturones de seguridad en todos sus asientos y la obligación de utilizarlos de todos sus pasajeros adultos. Asimismo, para los pasajeros infantiles se requirió la presencia de un Sistema de Retención Infantil (SRI) adecuado a su estatura y peso. A pesar de que los SRI han mostrado ya su eficacia en los automóviles, el 25% de los niños viaja suelto en autobús y el 75% restante no siempre utiliza el SRI adecuado a su estatura y peso. El principal objetivo de esta tesis es analizar los daños causados en el cuello de un pasajero infantil de 6 años de edad en un choque frontal de autobús como consecuencia de usar un cinturón de seguridad de adulto en vez del SRI adecuado durante un impacto frontal. Para la consecución de este objetivo, se crea y valida un modelo biomecánico del conjunto cuello-cabeza de un infante de 6 años de edad. Este modelo se obtiene mediante el escalado geométrico y dinámico de un modelo biomecánico del conjunto cuello-cabeza de un adulto. A este modelo infantil se le ensambla un modelo de tejido blando que modela la carne, el tejido muscular y la piel. El conjunto resultante se utiliza para crear el denominado “Modelo Híbrido” que está compuesto por el modelo biomecánico cuello-cabeza con tejido blando y por el cuerpo del modelo de dummy Hybrid III 6-year-old de MADYMO®. Con este “Modelo Híbrido” y mediante técnicas de Elementos Finitos se han obtenido las tensiones de Von Mises en el tejido blando de cuello infantil como consecuencia del uso del cinturón de seguridad de adulto. Finalmente se crea un modelo tridimensional de tejido blando de cuello infantil en el entorno MATLAB® mediante técnicas “Mass-Spring Model” que, utilizando las mismas propiedades mecánicas del tejido muscular empleado en las simulaciones de MADYMO®, sirve para estudiar de las laceraciones y cortes que se producen en el cuello. Los resultados obtenidos muestran como el pasajero infantil puede sufrir lesiones graves en el cuello como consecuencia del cinturón de seguridad de adulto. De ahí que la nueva directiva presente un gran paso adelante y deba ser aplicada estrictamente.
- Metodología para la aplicación del Diseño de Experimentos (DoE) en las industrias.(2012-01-19T09:21:58Z) Tanco-Rainusso, M. (Martín); Viles-Díez, E. (Elisabeth)En el escenario que rodea hoy en día a las empresas del entorno, la experimentación en las industrias es uno de los elementos que más pueden contribuir al aprendizaje y a la mejora de los productos y/o procesos. El Diseño de Experimentos (DoE) se presenta como una herramienta estadística efectiva para entender y optimizar los procesos y productos, maximizando la información obtenida a partir de los datos resultantes de la experimentación. A pesar de que dichas características del DoE su aplicación no es habitual en las empresas. Existen muchas razones o barreras para la aplicación del DoE en las industrias, entre las cuales se cree que es muy importante la falta de guías para la planificación de experimentos. Por ello, esta tesis presenta una metodología sencilla para la aplicación del Diseño de Experimentos en las industrias. Basados en la estructura de la metodología DMAIC de Seis Sigma, se presenta una metodología desde el punto de vista de la ingeniería, que intenta simplificar la aplicación del DoE, manteniendo el rigor estadístico necesario que conlleva su aplicación. Dicha metodología se presenta como alternativa a las existentes, ya que la mayoría de ellas son poco claras, escuetas y con poca profundidad en la planificación del experimento. Estas características dificultan la aplicación del DoE en aquellos que deben llevar a cabo experimentos y que no son expertos estadísticos del tema. Por ello, la metodología incluye guías y plantillas que ayudan y soportan la aplicación del DoE en cada paso necesario. La tesis incluye, en primer lugar, dos estudios empíricos que caracterizan la experimentación en las industrias, y presentan un análisis de las barreras existentes en las industrias para la aplicación del DoE. Dichos estudios permitieron corroborar el uso poco habitual del DoE en las industrias, y constatan la idea de que las empresas creen necesario una metodología que los ayude en la experimentación. La tesis también incluye varias experiencias realizadas en empresas, así como también dos aplicaciones completas con la nueva metodología desarrollada. Dichas aplicaciones fueron de gran utilidad para recibir retroalimentación de las industrias y mejorar la calidad de la metodología desarrollada.
- A new robust motion reconstruction method based on optimisation with redundant constraints and natural coordinates.(2011-10-14T09:30:48Z) Ausejo-Muñoz, S. (Sergio); Suescun-Cruces, A. (Ángel); Celigüeta-Lizarza, J.T. (Juan Tomás)The three-dimensional analysis of human movement is of interest in many different fields of life sciences, computer animation and engineering. The elements involved in the analysis of human movement are usually measurement equipments for estimating kinematic, kinetic and myoelectric variables, mathematical models of the human musculoskeletal system, and mathematical methods for calculating the variables which cannot be directly measured. The aim of this thesis is to advance in the knowledge of four aspects of the three-dimensional analysis of the human movement: 1) the motion reconstruction of human movements using large and medium-size skeletal models with open- and closed-loops, 2) two problems inherent to optoelectronic motion capture systems: the missing marker problem and the impossibility of measuring completely the motion of some bones which move under the skin, 3) the estimation of subject-specific parameters using only a motion capture system, and 4) the development of several human skeletal models suitable for analysing different vehicle-related motions. The motion reconstruction problem using human skeletal models defined with natural coordinates is formulated as a nonlinear constrained optimisation problem with equality constraint equations. The main contribution of this thesis is a new optimisation method for solving the motion reconstruction problem. The new optimisation method can reconstruct the motion of large-size human skeletal models with open- and closed-loops defined with natural coordinates and it can also handle redundant constraints. Four new strategies have been proposed for solving the two problems inherent to optoelectronic motion capture systems addressed in this thesis. The four strategies have been evaluated using experimental motion data with satisfactory results. These strategies enable a more robust reconstruction of the human movement. The subject-specific parameters are estimated using methods based on the measurement of anatomical landmarks. Furthermore, a new measurement protocol for measuring the anatomical landmarks and a new methodology for estimating all subject-specific parameters from the measured anatomical landmarks are proposed. Three human skeletal models have been developed for studying driving manoeuvres: one upper body model with a detailed model of the shoulder complex and another upper body model with a simplified model of the shoulder complex for studying steering manoeuvres and one right lower limb model for studying braking manoeuvres. Additionally, a human skeletal model of the whole body, based on the RAMSIS model, has been used to study generic arm reaching motions and three types of vehicle-related motions.
- Interacción en Sistemas Hápticos Multisensoriales: Respuesta de Colisión y Mejoras de Usabilidad(2011-10-10T09:26:39Z) Hernantes-Apezetxea, J. (Josune); Borro-Yagüez, D. (Diego)Las aplicaciones de Realidad Virtual son cada vez más frecuentes en áreas como la industria o la medicina ya que pueden utilizarse como herramientas de trabajo o de aprendizaje. La necesidad actual de que estos sistemas sean cada vez más realistas obliga a introducir el sentido del tacto aumentando de forma considerable la precisión y eficiencia con la que pueden desarrollarse las tareas además de la inmersión de los usuarios en este tipo de entornos. Los dispositivos hápticos permiten al usuario interactuar con objetos del entorno virtual a través del sentido del tacto percibiendo una respuesta de fuerza a cualquier colisión con el entorno. Sin embargo, esta tecnología háptica es todavía reciente lo que no permite obtener una respuesta estable y realista en casos complejos. La presente Tesis investiga y ofrece soluciones en dos áreas fundamentales de la háptica: el cálculo de las fuerzas y pares de contacto como resultado de las acciones de los usuarios en entornos virtuales y la percepción multisensorial. La detección y respuesta de colisión en tiempo real es una tarea complicada y esencial para la efectividad de estos sistemas hápticos. Este trabajo desarrolla un método de renderizado háptico capaz de calcular una respuesta háptica estable y agradable incluso en situaciones complejas tales como las tareas de desensamblado en entornos aeronáuticos. Además, se analiza la eficacia de combinar los distintos canales sensoriales disponibles para mejorar la percepción global del sistema así como la inmersión final del usuario.
- Empuje lateral del hormigón fresco sobre elementos de encofrado vertical: estudio experimental y desarrollo de un modelo empírico.(2011-09-26T10:41:52Z) Santilli-Almaraz, A. (Adrián); Puente-Urruzmendi, I.(Iñigo)Para realizar el diseño de encofrados verticales, debe considerarse el valor de la presión lateral realizada por el hormigón en estado fresco. La solución más conservadora es la distribución hidrostática de un líquido de igual densidad que el hormigón, cuya utilización produciría encofrados robustos y de un elevado costo. Además, el aspecto económico se ve limitado por la seguridad: una subestimación de la presión lateral puede dar lugar a piezas de mala calidad o, en el peor de los casos, el fallo del encofrado. Por lo tanto, un conocimiento detallado no solamente de la máxima presión lateral, sino también de su velocidad de decaimiento, permitiría diseñar en forma óptima los encofrados verticales, así como los tiempos mínimos de desencofrado, con el consiguiente incremento en su competitividad. Sin embargo, dada la naturaleza heterogénea de las propiedades del hormigón fresco y la gran cantidad de factores que influyen en el fenómeno, la determinación de la máxima presión lateral es una tarea compleja, que generalmente se resuelve a partir de un modelo experimental. En la presente Tesis, la investigación se ha centrado en la presión lateral realizada por el hormigón vibrado, con el objetivo de realizar recomendaciones para la práctica habitual del cálculo de encofrados. Aproximadamente 200 datos experimentales, obtenidos por diferentes autores, han sido recopilados de la bibliografía. Estos datos han permitido, en primer lugar, evaluar la precisión de los distintos modelos experimentales, discutiendo en función del nivel de control de obra, la velocidad de llenado y la sección transversal de la pieza a realizar (columnas, paredes o grandes volúmenes de hormigón). En segundo lugar, detectar zonas donde es necesario un mayor esfuerzo experimental para mejorar los modelos empíricos. Posteriormente, se han realizado dos campañas experimentales, las cuales han permitido continuar con la evaluación de los modelos experimentales y determinar la influencia en la máxima presión lateral de factores que no se encuentran estudiados, o presentan contradicciones, en la bibliografía. En general, los datos experimentales recopilados y obtenidos muestran que la presión lateral es menor que la correspondiente a la distribución hidrostática. Por otro lado, las predicciones de los diferentes modelos a altas velocidades de llenado (> 10 m/hr) suelen coincidir con la distribución hidrostática. Para resolver este problema, se ha desarrollado un modelo experimental en base a intervalos de confianza de regresiones lineales simples, que permite obtener mejores resultados en el cálculo de la máxima presión lateral a elevadas velocidades de llenado. Así mismo, se ha propuesto un método basado en Splines cúbicos de alisado para determinar la velocidad de decaimiento de la presión lateral. Este método ha sido aplicado a una de las campañas experimentales para determinar la influencia de varios factores en la velocidad inicial de decaimiento de la presión lateral. Se pretende que todo el trabajo realizado en esta tesis permita el desarrollo de herramientas que permitan optimizar el diseño de encofrados verticales, así como avanzar en la mejora del conocimiento de los tiempos mínimos de desencofrado.
- Modulador de Banda Lateral Única y Portadora Suprimida - SSBSC- con conversión directa de Frecuencia Intermedia de 70MHz a banda ultra ancha de Microondas (2.5 a 10.5GHz)(2011-07-06T07:56:51Z) Gurutzeaga-Zubillaga, I. (Iñaki); Muñoz-Emparan, A. (Armando)La ampliación del espectro utilizado en las comunicaciones inalámbricas demanda dispositivos de banda ancha que cubran rangos de frecuencia, cada vez más en el entorno de las frecuencias de Microondas (WiFI, WiMAX). De esta forma, dispositivos de gran anchura de banda podrían servir como elementos básicos de sistemas basados en bloques comunes sin más que conmutar filtros de entrada o servir para los futuros sistemas como el conocido UWB (Ultra Wide Band) que abarcaría un espectro entre 3,1 y 10,5GHz. El elemento clave para esta funcionalidad sería el conversor con gran anchura de banda y alto rechazo a señales no deseadas, tanto endógenas o del sistema (el OL por ejemplo) como exógenas (señales interferentes). Y dentro del conversor, la función clave básica ejecutada por el dispositivo mezclador: una traslación del espectro de la información tanto en sentido ascendente –conversor elevador- o en sentido descendente –conversor descendente-. Por otro lado, los equipos de radioenlaces punto a punto utilizan de manera reiterada el bloque conversor de frecuencias, tanto si se trata de conversores elevadores o moduladores como de conversores descendentes o receptores, incluyendo todos ellos sub-sistemas mezcladores que facilitan la traslación de frecuencias necesarias en cualquier sistema de comunicación. Por tanto, el estudio y la investigación de este tipo de dispositivos son de gran utilidad, tanto en el campo de los circuitos híbridos (MIC) como en el campo de los circuitos integrados (MMIC). El enfoque del trabajo incide en una visión de conjunto hasta llegar al conversor, abarcando todo el abanico de conocimiento que puede haber entre el nivel superior de sistema y la capa física, de modo que puede ser un trabajo complementario con el resto de líneas de investigación que se llevan a cabo en le seno del departamento, siempre en el campo genérico de la aplicaciones de RF y Microondas. Este enfoque ha permitido profundizar en varios aspectos fundamentales como el dominio de las herramientas de simulación, entre las que destaca ADS de Agilent que se ha empleado en profundidad tanto a nivel de sistema como a nivel físico, incluyendo simulaciones 2,5D por el Método de Momentos, contrastadas con medidas posteriores. Además, al incluir estas medidas se ha afianzado mucho el conocimiento del proceso de medición y caracterización de componentes y circuitos en el rango de las Microondas, proceso siempre delicado y de conocida dificultad. En el camino, se ha investigado sobre la utilización de materiales de bajo costo, como pueden ser el conocido sustrato FR-4 y los componentes de montaje SMD convencionales, en los dispositivos que se han fabricado en el rango de frecuencias del trabajo, entre 2,5 y 10,5GHz. También, se ha profundizado en la validez del uso de las nuevas técnicas de fabricación de circuitos impresos sin procesos de revelado y atacado químico, generadores de gran cantidad de residuos difícilmente reciclables, sustituyéndolos por circuitos fabricados por micro-mecanizado con máquinas de control numérico. El objetivo perseguido, ha sido el diseño de un conversor elevador de gran ancho de banda de funcionamiento y grandes rechazos de las señales principales no deseadas: BL y OL; en otras palabras, y siguiendo la terminología clásica de la Ingeniería de Sistemas de Transmisión, se trataría de un Modulador de Banda Lateral Única y Portadora Suprimida –Single SideBand Supressed Carrier en su acepción inglesa- con conversión directa de Frecuencia Intermedia de 70MHz a banda ultra ancha de Microondas (2.5 a 10.5GHz).
- Automated Image Analysis for the Characterization of Animal Models of Lung Disease using X-ray micro-Computed Tomography(2011-06-03T08:22:54Z) Artaechevarria-Artieda, X. (Xabier); Ortiz-de-Solorzano, C. (Carlos)Lung cancer and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are among the deadliest diseases worldwide, and animal models play a key role in understanding the natural history of these diseases, as well as in pre-clinical treatment trials. Different techniques can be used to study animal models of lung disease, such as pulmonary function tests or histology. X-ray microcomputed tomography (micro-CT) represents a very convenient technology to obtain three-dimensional images of the lungs with minimum invasiveness. Multiple preliminary studies have shown the use of micro-CT to assess the progress of mouse models of lung disease. In this thesis, we set up a generic protocol for image acquisition which is of use even for heavily diseased animals. The protocol includes endotracheal intubation, pulmonary function tests and iso-pressure breath holds for movement artifact reduction. Chest micro-CT image segmentation and analysis methods have been developed to quantify the effects of disease. These methods allow for quantitative measurements on the lungs and the airways separately, which can be used to monitor disease development. Moreover, significant contributions have been made to the field of atlas-based segmentation, with applications in multiple image modalities and segmentation problems. Developed methods have been applied to characterize the dynamic evolution of three relevant mouse models of lung disease: elastase-induced emphysema, silica-induced chronic pulmonary inflammation and urethaneinduced lung cancer combined with emphysema. Apart from micro-CT, other techniques have also been used to complement the data. Results show the use of micro-CT and automated image analysis to quantify the effect of different pulmonary diseases on small animal models. Methods presented in this thesis will be of use to characterize other models of lung disease, as well as for treatment testing.
- Nueva Metodología de Modelado Matemático Integral de las EDAR(Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra., 2011) Grau-Gumbau, P. (Paloma); Ayesa-Iturrate, E. (Eduardo)Tras una revisión del potencial y las limitaciones de los principales modelos matemáticos existentes para describir de manera conjunta los procesos unitarios de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), la presente tesis desarrolla una nueva metodología de modelado. Esta metodología permite la construcción sistemática y rigurosa de modelos integrales de planta capaces de reproducir las mutuas interrelaciones entre los diferentes elementos de las líneas de aguas y fangos, garantizando en todo momento la continuidad de masa elemental y carga. La nueva metodología desarrollada, denominada metodología PWM (Plant Wide Modelling) está basada en la utilización de una lista genérica de transformaciones de las que se eligen las más adecuadas para los procesos que tienen lugar en cada EDAR objeto de estudio. La definición de los componentes en sus fracciones másicas elementales permite garantizar la continuidad de masa y carga en cada transformación y a lo largo de toda la planta. La definición de los componentes en base a sus fracciones másicas ha sido utilizada para el desarrollo de un algoritmo para la caracterización automática del influente. Este algoritmo ha sido empleado con éxito en la caracterización del agua residual influente de la EDAR de Galindo (Bilbao). La metodología PWM propuesta ha sido utilizada para la construcción de un modelo integral para un caso de estudio estándar (BSM2). El modelo obtenido ha sido verificado en diferentes escenarios de simulación. Posteriormente se ha llevado a cabo un análisis comparativo entre la utilización del modelo de EDAR obtenido frente a otras propuestas de modelado integral existentes en la bibliografía. Se ha construido en modelo integral para la EDAR Galindo-Bilbao de acuerdo con la metodología PWM. El modelo obtenido ha sido utilizado en la validación de una estrategia de control automático en la línea de aguas de la EDAR. Posteriormente se ha llevado a cabo una exploración de la operación de la EDAR en escenarios hipotéticos que consideran de forma conjunta líneas de aguas y fangos. La exposición finaliza con el capítulo dedicado a las conclusiones del estudio realizado, la bibliografía utilizada y una serie de anexos que proporcionan información adicional a la incluida en la memoria.
- Estudio de la influencia del usuario y los modos de vibración de la interfaz en la estabilidad y dinámica de sistemas hápticos(Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra., 2010) Puerto-Coy, M.J. (Mildred Jesenia); Sanchez-Tapia, E.J. (Emilio José); Gil-Nobajas, J.J. (Jorge Juan)Las interfaces hápticas intentan recrear la sensacón transmitida por la interacción con un objeto representado en un escenario virtual, realizando esto a través de un brazo robótico. Los sistemas actuales se han visto beneficiados con respuestas más realistas visualmente, pero en cuanto a las técnicas de rendering háptico, en las cuales se necesita una retroalimentación en posición o en fuerza, no se ha logrado transmitir plenamente la sensación de rigidez de un objeto. En lugar de eso, los objetos rígidos virtuales no se sienten naturales, debido a que al ser tocados con la interfaz háptica no son lo suficientemente rígidos o presentan oscilaciones y rebotes. Esta tesis analiza la influencia de varios elementos presentes en el lazo de control que condicionan el funcionamiento y la estabilidad de sistemas hápticos basados en impedancias. Las conclusiones de este estudio pueden ser utilizadas en el diseño de interfaces hápticas, realizando también aportaciones a diferentes campos del conocimiento involucrados en este tipo de sistemas que influyen unidos en el mismo lazo de realimentación. Este estudio se ha enfocado principalmente en dos fenómenos. El primero es la influencia de la posición de agarre del usuario en la dinámica del sistema. Este objetivo requiere de la selección de un modelo mecánico diseñado con este propósito para identificar los parámetros donde influye el usuario. Debido a que las características humanas difieren de una persona a otra, se ha realizado un análisis estadístico para confirmar la repercusión de este factor, validando las conclusiones de su importancia frente a otros factores. La posición de agarre del stylus es uno de los principales factores que intervienen en la respuesta del sistema, afectando la percepción del amortiguamiento de los objetos rígidos virtuales. El segundo fenómeno estudiado ha sido el de los modos de vibración del dispositivo y la forma como afectan la estabilidad del sistema háptico. Se ha encontrado que los modos de resonancia modelados reducen significativamente los valores de la impedancia implementable o región-Z en la rigidez de objetos virtuales. Esto ha sido corroborado para la región-Z del PHANToM. Estos resultados han sido aplicados en un control adaptable para garantizar la transmisión de las propiedades de un escenario virtual, sin importar quién o dónde se agarre la interfaz háptica.