This thesis develops general solutions to two open problems of robot kinematics: the exhaustive computation of the singularity set of a manipulator, and the synthesis of singularity-free paths between given configurations. Obtaining proper solutions to these problems is crucial, because singularities generally pose problems to the normal operation of a robot and, thus, they should be taken into account before the actual construction of a prototype. The ability to compute the whole singularity set also provides rich information on the global motion capabilities of a manipulator. The projections onto the task and joint spaces delimit the working regions in such spaces, may inform on the various assembly modes of the manipulator, and highlight areas where control or dexterity losses can arise, among other anomalous behaviour. These projections also supply a fair view of the feasible movements of the system, but do not reveal all possible singularity-free motions. Automatic motion planners allowing to circumvent problematic singularities should thus be devised to assist the design and programming stages of a manipulator. The key role played by singular configurations has been thoroughly known for several years, but existing methods for singularity computation or avoidance still concentrate on specific classes of manipulators. The absence of methods able to tackle these problems on a sufficiently large class of manipulators is problematic because it hinders the analysis of more complex manipulators or the development of new robot topologies. A main reason for this absence has been the lack of computational tools suitable to the underlying mathematics that such problems conceal. However, recent advances in the field of numerical methods for polynomial system solving now permit to confront these issues with a very general intention in mind. The purpose of this thesis is to take advantage of this progress and to propose general robust methods for the computation and avoidance of singularities on non-redundant manipulators of arbitrary architecture. Overall, the work seeks to contribute to the general understanding on how the motions of complex multibody systems can be predicted, planned, or controlled in an efficient and reliable way. / Aquesta tesi desenvolupa solucions generals per dos problemes oberts de la cinemàtica de robots: el càlcul exhaustiu del conjunt singular d'un manipulador, i la síntesi de camins lliures de singularitats entre configuracions donades. Obtenir solucions adequades per aquests problemes és crucial, ja que les singularitats plantegen problemes al funcionament normal del robot i, per tant, haurien de ser completament identificades abans de la construcció d'un prototipus. La habilitat de computar tot el conjunt singular també proporciona informació rica sobre les capacitats globals de moviment d'un manipulador. Les projeccions cap a l'espai de tasques o d'articulacions delimiten les regions de treball en aquests espais, poden informar sobre les diferents maneres de muntar el manipulador, i remarquen les àrees on poden sorgir pèrdues de control o destresa, entre d'altres comportaments anòmals. Aquestes projeccions també proporcionen una imatge fidel dels moviments factibles del sistema, però no revelen tots els possibles moviments lliures de singularitats. Planificadors de moviment automàtics que permetin evitar les singularitats problemàtiques haurien de ser ideats per tal d'assistir les etapes de disseny i programació d'un manipulador. El paper clau que juguen les configuracions singulars ha estat àmpliament conegut durant anys, però els mètodes existents pel càlcul o evitació de singularitats encara es concentren en classes específiques de manipuladors. L'absència de mètodes capaços de tractar aquests problemes en una classe suficientment gran de manipuladors és problemàtica, ja que dificulta l'anàlisi de manipuladors més complexes o el desenvolupament de noves topologies de robots. Una raó principal d'aquesta absència ha estat la manca d'eines computacionals adequades a les matemàtiques subjacents que aquests problemes amaguen. No obstant, avenços recents en el camp de mètodes numèrics per la solució de sistemes polinòmics permeten ara enfrontar-se a aquests temes amb una intenció molt general en ment. El propòsit d'aquesta tesi és aprofitar aquest progrés i proposar mètodes robustos i generals pel càlcul i evitació de singularitats per manipuladors no redundants d'arquitectura arbitrària. En global, el treball busca contribuir a la comprensió general sobre com els moviments de sistemes multicos complexos es poden predir, planificar o controlar d'una manera eficient i segura

A través dels anys els sistemes d’informació mèdica (SIM) s’han desenvolupat i desplegat, seguint agendes específiques abordant els problemes individuals. Encara que hi ha hagut diversos esforços, encara és necessari millorar la integració de sistemes per tal de superar les barreres de disponibilitat de les dades, sobretot quan l’status quo revela que la majoria de les vegades els sistemes coexisteixen com autistes. L’assoliment d’una visió integrada i transversal de tots els registres d’un pacient no és una tasca fàcil, ja que els patrons de producció i la utilització de les dades en l’assistència sanitària són molt complexes i involucren actors heterogenis i un flux de dades complexe. Aquest és un problema real, tant dins com entre les institucions de salut que fan la tasca d’integració difícil i molt sovint ni tan sols possible. Els agents són entitats de programari autònomes que poden percebre el caràcter dinàmic de l’entorn, permetent proactivitat respecte a les accions que s’adapten millor a un usuari particular per a un determinat conjunt d’objectius. Els agents actuen en representació dels seus usuaris, i a través de la seva activitat social poden interactuar amb l’usuari, amb altres agents i amb el propi entorn a través de l’intercanvi de missatges o fent ús de dispositius auxiliars. La seva flexibilitat per integrar altres tecnologies pot millorar l’escalabilitat del sistema i la seva tolerància a fallades, en la direcció d’una inter-operabilitat global dels sistemes. En aquest sentit, un enfocament multi-agent es presenta com un candidat fort per fer front als problemes de la integració dels Sistemes d’Informació Mèdica. El treball d’aquesta tesi neix d’aquestes premisses, i es centra en les següents preguntes: pot la tecnologia dels agents millorar o ajudar en la integració de sistemes d’Informació Mèdica dins d’una sola institució sanitària? Com es pot estendre el model basat en agents per a una única institució cap a una integració de sistemes de salut multi-institució? Per tal d’abordar aquesta qüestió es van definir una sèrie d’objectius: Identificar l’estat de l’art pel que fa a la utilització d’agents en el sector sanitari, adreçar els problemes d’integració d’informació mèdica en una mateixa institució de salut, proposar un model, especificar l’aplicació d’agents per a la integració intra-institució de les dades i informació mèdica entre diferents institucions de salut mitjançant l’ampliació dels models i especificacions del model anterior a un escenari d’integració de dades entre múltiples institucions. Les principals contribucions d’aquesta tesi són: una caracterització de com s’està utilitzant la tecnologia d’agents per resoldre problemes en l’àmbit mèdic; un sistema d’agents intra-institucional d’integració de dades mèdiques; una caracterització de perfil de dades necessàries de professionals de la salut; la identificació dels camins per a la optimització del sistema i la gestió de prioritats basada en el tipus i la font de les dades; i un sistema basat en agents per a la integració de dades mèdiques inter-institucionals. / Através dos anos, os Sistemas de Informação em Saúde (SIS) foram desenvolvidos seguindo agendas específicas, muitas vezes direcionados para a resolução de problemas particulares e de âmbito departamental. Apesar dos esforços desenvolvidos, a realidade mostra ser ainda necessário o desenvolvimento de processos de integração de sistemas tendo em vista superar as barreiras ainda existentes e permitir a disponibilidade de dados de uma forma transversal. Esta situação é particularmente relevante quando o status quo revela que os sistemas desenvolvidos coexistem de um modo autista. Alterar este estado não é uma tarefa fácil uma vez que os padrões de produção e uso de dados em cuidados de saúde são complexos e envolvem atores heterogêneos. Este é um problema real não só dentro das instituições mas também entre instituições de saúde o que torna a tarefa de integração difícil. Os Agentes são entidades de software autónomas capazes de se adaptar a um ambiente dinâmico, sendo pró-ativos na identificação das ações que são mais adequadas tendo em vista um conjunto de objectivos pré-definidos. Os Agentes são socialmente ativos e podem interagir com o utilizador, outros agentes e com o seu ambiente através de troca de mensagens ou fazendo uso de dispositivos auxiliares. Neste sentido, agindo em nome do profissional de saúde na sua busca por informação, a abordagem baseada em Agents apresenta-se como uma forma interessante de mitigar os problemas que dificultam a troca de dados entre sistemas de Informação na Saúde. O trabalho desta tese evolui a partir destas premissas, e foca-se nas seguintes perguntas: Pode a tecnologia baseada em Agentes ajudar a integração de Sistemas de Informação em Saúde dentro de uma única instituição de saúde? Como pode um modelo baseado em Agentes de integração de dados dentro de uma instituição ser estendido para um ambiente de integração entre sistemas de informação de várias instituições? Por forma a responder a estas questões, um conjunto de objetivos foram definidos: Identificar o estado da arte em relação ao uso de agentes em na área da Saúde; tendo em consideração os problemas na integração de informação dentro de uma instituição de saúde, propor um modelo, especificação e implementação de um sistema baseado em agentes que promova o acesso alargado aos dados existentes; e alargando a abrangência do acesso aos dados para fora da barreira institucional, estender o modelo e especificações para um cenário de integração de dados entre múltiplas instituições de saúde. As principais contribuições da tese são: a caracterização de como os Agents são usados na resolução de problemas na área da saúde; um sistema baseado em agentes para a integração de dados de saúde intra-instituição; uma análise de diferentes perfis de profissionais de saúde reflectindo as diferentes necessidades de informação em diversos cenários de prestação de cuidados; a identificação de caminhos para a otimização do sistema e agendamento de ações com base no tipo e fonte de dados; e um sistema baseado em agentes para a integração de dados de saúde entre múltiplas instituições de saúde. / Through the years, Health Information Systems (HIS) have been developed and deployed following specific agendas, addressing individual or departamental problems. Albeit several efforts, system integration enhancements are still needed in order to surmount data availability barriers particularly when the status quo reveals that most of the time they coexist as autistic systems. Achieving an integrated and transversal view of all records of one patient is not an easy task as the patterns of data production and usage in healthcare are highly complex, involving heterogeneous actors and an intricate data flow. This is a real issue both within and between health institutions making the integration task difficult and quite commonly not even possible. Agents are autonomous software entities which can perceive the dynamic character of the surrounding environment enabling pro-activeness regarding the actions that are better suited to a particular user and a given set of goals. They act on behalf of their users and by being socially active they can engage the user, other agents and the environment through message exchanging or auxiliary devices. In this sense, and by acting on behalf of health professionals in their quest for information, a Multi-Agent approach presents itself as strong candidate for tackling problems in Health Information Systems integration. The work on this thesis grows from these premises, and is focused on the following questions: Can agent technology enhance or help Health Information Systems integration within a single health institution? How can a single institution agent based approach model be extended for multi-institution health systems integration? In order to address these questions, a set of objectives were defined: identify the state of the art regarding the use of agents in Healthcare; to address health information integration issues within a single health institution by proposing a model, specification and implementation for agent based intra-institution health data integration; and to address health information integration between different health institutions by extending the models and specification of the previous model to a multiple health institution data integration scenario. The main contributions from this thesis are: a characterisation of how agent technology is being used for solving problems in the healthcare domain; an agent based system for intra-institution health data integration; a characterisation of health professionals data needs profile; identification of paths for system optimisation and priority management based on type and source of data; and an agent based system for inter-institution health data integration.

Network science has significantly advanced in the last decade, providing insights into the underlying structure and dynamics of complex networks. Critical infrastructures such as telecommunication networks play a pivotal role in ensuring the smooth functioning of modern day living. These networks have to constantly deal with failures of their components. In multiple failure scenarios, where traditional protection and restoration schemes are not suitable because of the quantity of resources that would be required, the concept of robustness is used in order to quantify just how good a network is under such a large-scale failure scenario. The aim of this thesis is to, firstly, investigate the current challenges that might lead to multiple failure scenarios of present day networks and, secondly, to propose novel metrics able to quantify the network robustness. / La ciència de les xarxes (o network science) ha avançat significativament en l'última dècada, proporcionant coneixement sobre l'estructura subjacent i la dinàmica de les xarxes complexes (o complex networks). Infraestructures crítiques com xarxes de telecomunicacions, juguen un paper fonamental per garantir el bon funcionament de la vida moderna. Aquestes xarxes han de lidiar constantment amb fallades dels seus components. En escenaris de fallades múltiples, on els esquemes de protecció i restauració tradicionals no són adequats degut a la gran quantitat de recursos que serien necessaris, el concepte de robustesa (o robustness) s'utilitza per tal de quantificar com de bona és una xarxa quan es produeix una fallada a gran escala. L'objectiu d'aquesta tesi és, en primer lloc, investigar les amenaces actuals de les xarxes d'avui en dia que poden portar a escenaris de fallades múltiples i, en segon lloc, proposar nous indicadors capaços de quantificar la robustesa d'aquestes xarxes.

La rápida adaptación de la computación Cloud, ha llevado a un incremento veloz en la tasa de amenazas de las tecnologías de la información. El objetivo de estas nuevas amenazas cubren desde sistemas distribuidos a gran escala, tal como el Gran Colisionador de Partículas del CERN, hasta sistemas industriales (plantas nucleares, de electricidad, petróleo, etc.) distribuidos, es decir sistemas interconectados SCADA El uso de herramientas automáticas para el análisis de vulnerabilidades es realmente atractivo, pero mientras que estas herramientas pueden encontrar problemas comunes en el código fuente de un programa, estas no detectan un número significativo de vulnerabilidades críticas y complejas. Además, los sistemas middleware de los sistemas distribuidos basan su seguridad en mecanismos como son la autenticación, la autorización y la delegación. A pesar que estos mecanismos han sido ampliamente estudiados en profundidad, y deberían tener control sobre los recursos, estos no son suficientes para asegurar que todos los recursos de la aplicación están protegidos. Por lo tanto, la seguridad de los sistemas distribuidos ha sido puesta bajo la mirada vigilante de profesionales de la seguridad de la academia, industria y gobierno. Para abordar el problema de evaluar la seguridad de sistemas middleware críticos, proponemos una nueva metodología automatizada de análisis de vulnerabilidades, llamada “Análisis de Vectores de Ataque para Complejas Interrelaciones Middleware” (AvA4cmi), la cual es capaz de indicar cuales componentes middleware deben ser analizados y por qué. AvA4cmi está basada en la automatización de una parte de la novedosa metodología de análisis manual “Primeros Principios de Análisis de Vulnerabilidades” (FPVA), la cual ha sido usada satisfactoriamente para evaluar sistemas middleware reconocidos. Los resultados de AvA4cmi son independientes del lenguaje de programación, proveen una evaluación completa de cada vector de ataque en el middleware, y está basada en la taxonomía “Enumeración Común de Debilidades” (CWE), un catálogo formal para describir fallos de seguridad. Nuestros resultados se contrastaron contra el análisis manual de vulnerabilidades realizado al middleware CrossBroker, y nuestros resultados indicaron las debilidades más notables de los vectores de ataque del middleware gLite WMS, corroborando cuales componentes middleware deben ser analizados y por qué. / The fast adaptation of Cloud computing has led to an increased speedy rate of novel information technology threats. The targets of these new threats involve from large scale distributed system, such as the Large Hadron Collider by the CERN, up to industrial (nuclear, electricity, oil, etc.) distributed systems, i.e. SCADA networked systems. The use of automated tools for vulnerability assessment is quite attractive, but while these tools can find common problems in a program's source code, they miss a significant number of critical and complex vulnerabilities. In addition, frequently middleware systems base their security on mechanisms such as authentication, authorization, and delegation. While these mechanisms have been studied in depth and can control key resources, they are not enough to assure that all application's resources are safe. Therefore, security of distributed systems has been placed under the watchful eye of security practitioners in government, academia, and industry. To tackle the problem of assessing the security of critical middleware systems, we propose a new automated vulnerability assessment methodology, called Attack Vector Analyzer for Complex Middleware Interrelationships(AvA4cmi), which is able to automatically hint which middleware components should be assessed and why. AvA4cmi is based on automatizing part of the First Principles Vulnerability Assessment, an innovative analystic-centric (manual) methodology, which has been used successfully to evaluate several known middleware systems. AvA4cmi's results are language-independent, provide a comprehensive assessment of every possible attack vector in the middleware, and it is based on the Common Weakness Enumeration (CWE) system, a formal list for describing security weaknesses. Our results are contrasted against previous manual vulnerability assessment of the CrossBroker, and hint the most remarkable weaknesses for gLite WMS middleware, and corroborate which middleware components should be assessed and why.

Un coneixement en profunditat de l’estructura miocardíaca que enllacés la forma i la funció del cor aportaria un coneixement crucial per a estudis i procediments mèdics i de cirurgia clínica. Malgrat existeixen propostes de models clínics conceptuals de l’organització miocardíaca de les fibres, la manca d’una metodologia automàtica i objectiva ha evitat que s’arribés a un consens. Fins i tot amb l’ús de mesures objectives a partir de tècniques d’imatge moderna com la Ressonància Magnètica de Tensor de Difusió (RM TD), no s’ha arribat a cap acord pel que fa a l’arquitectura miocàrdia. La reconstrucció d’aquestes dades a partir d’streamlining s’ha establert com a una tècnica de referència per representar l’arquitectura cardíaca. Proporciona reconstruccions automàtiques i objectives a baix nivell de detall, però es queda curta a l’hora de donar interpretacions globals abstractes. En aquesta tesi presentem diverses noves tècniques de multiressolució aplicades com a metodologia que permeti produir representacions simplificades de l’arquitectura cardíaca, en combinació amb tècniques millorades d’streamlining adaptades a aquest nou entorn. D’altra banda, hem contribuït amb un marc de validació complet que va des de l’anàlisi local dels mètodes de preprocessament aplicats a les dades de la RM TD, i fins a una anàlisi global de les reconstruccions tractogràfiques en el marc de multiressolució. Aquesta validació es basa tant en la quantificació de la coherència anatòmica dels teixits musculars, com en la confiança en la reconstrucció basada en el mateix principi. Hem dut a terme experiments de reconstrucció de bases de dades de RM TD de cors canins provinents de la base de dades pública de la Universitat Johns Hopkins. El nostre enfocament produeix un conjunt reduït de trajectòries que representen les principals característiques geomètriques de l’estructura anatòmica del miocardi. Aquesta metodologia i avaluació permet l’obtenció de representacions validades de les principals característiques geomètriques de les trajectòries de les fibres, facilitant desxifrar les principals propietats de l’organització arquitectural del cor. La geometria de les fibres es preserva a través de reduccions, fet que valida el model simplificat per a la interpretació de l’arquitectura cardíaca. En l’anàlisi del rendiment de les nostres representacions gràfiques, hem detectat correlació a baix nivell de detalls de l’arquitectura miocardíaca, així com també en la conceptualització més abstracta cap a una distribució helicoïdal i contínua de les fibres del miocardi ventricular. L’anàlisi objectiva de l’arquitectura del miocardi mitjançant un mètode automàtic, incloent-hi el miocardi al complet, i utilitzant diversos nivells de complexitat en 3D, mostra una distribució contínua i helicoïdal de les fibres miocardíaques tant al ventricle dret com a l’esquerre, donant suport al model anatòmic del la banda helicoïdal ventricular miocàrdia descrita pel Dr. F. Torrent-Guasp. / Deep understanding of myocardial structure linking morphology and function of the heart would unravel crucial knowledge for medical and surgical clinical procedures and studies. Several clinically procured conceptual models of myocardial fiber organization have been proposed, but the lack of an automatic and objective methodology prevented an agreement. Even with the use of objective measures from modern imaging techniques as Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DT-MRI), no consensus about myocardial architecture has been achieved so far. Reconstruction of these data by means of streamlining has been established as a reference technique for representing cardiac architecture. It provides automatic and objective reconstructions at low level of detail, but falls short to give abstract global interpretations. In this thesis, we present a set of novel multi-resolution techniques applied as a methodology able to produce simplified representations of cardiac architecture in combination with improved streamlining techniques tailored for this environment. Besides, we have contributed a complete validation framework that goes from local analysis of pre-processing methods applied to DT-MRI data, to global analysis of tractographic reconstructions in the multi-resolution framework. This validation is both based on the quantification of anatomical coherence of muscular tissues and reconstruction confidence based on the same principle. We performed experiments of reconstruction of unsegmented DT-MRI canine heart datasets coming from the public database of the Johns Hopkins University. Our approach produces reduced set of tracts that are representative of the main geometric features of myocardial anatomical structure. This methodology and evaluation allow the obtention of validated representations of the main geometric features of the fiber tracts, making easier to decipher the main properties of the architectural organization of the heart. Fiber geometry is preserved along reductions, which validates the simplified model for interpretation of cardiac architecture. On the analysis of the output from our graphic representations, we found correlation with low-level details of myocardial architecture, but also with the more abstract conceptualization of a continuous helical ventricular myocardial fiber array. Objective analysis of myocardial architecture by an automated method, including the entire myocardium and using several 3D levels of complexity, reveals a continuous helical myocardial fiber arrangement of both right and left ventricles, supporting the anatomical model of the helical ventricular myocardial band (HVMB) described by Dr. F. Torrent-Guasp.

Els avanços en neurociència han portat el desenvolupament de models complexes de neurones artificials semblants a les seves contraparts biològiques. Aquests models han millorat la funcionalitat de les xarxes neuronals artificials i han aparegut noves aplicacions. No obstant, la complexitat dels nous models de neurones fa que la seva simulació sigui difícil i requereixi molt de temps i un elevat consum de potència. Aquests no són un problemes importants per aplicacions que no tenen restriccions de consum i en la complexitat del sistema com són la simulació de neurones naturals o la recerca de les diferents habilitats de les xarxes neuronals artificials. Però hi ha altres aplicacions, com les de temps real en sistemes portables, que requereixen sistemes ràpids, petits i de baix consum pels que la simulació de complexes neurones artificials no és una bona solució. Trobar una solució viable a aquest problema és l'objectiu d'aquest treball.Aquesta tesi descriu i analitza el model hardware d'una xarxa neuronal artificial basada en oscil.ladors acoblats que ha estat adaptada per ajustar-se als requeriments d'una realització VLSI i a la seva aplicació a tasques de segmentació d'imatge. Per reduir l'àrea ocupada i el consum de potència, les neurones modelades com oscil.ladors astables, es realitzen en un ASIC full-custom en lloc de ser simulades en una arquitectura hardware standard. La realització física de l'oscil.lador en lloc de simular-lo, permet al sistema portar a terme les mateixes tasques i reduir el consum de potència comparat amb el requeriments que necessita un ordinador per simular la xarxa.Primer, es modela un oscil.lador astable en mode corrent com a un integrador i un comparador amb histèresi. Després, s'utilitza aquest esquema per estudiar algebraicament i numèricament la sincronització d'oscil.ladors acoblats amb excitacions amb i sense inhibició i mismatch. Després, es repeteix l'anàlisi amb un model millorat que consta de dos integradors amb escales de temps diferents. Això ens permet simular els efectes secundaris com la capacitat de sortida de l'oscil.lador. A partir d'aquests resultats, s'estudia el comportament de matrius de una i dues dimensions d'oscil.ladors acoblats i després la xarxa és usada per segmentar imatges sintètiques.Basat en els resultats de l'anàlisi matemàtica, es dissenya una xarxa microelectrònica en un ASIC CMOS amb tecnologia 0.8µm i doble capa de polisilici. El circuit és descrit i simulat extensivament per tal de comprovar la seva funcionalitat com a element de segmentació. Després, els resultats experimentals validen la funcionalitat de la xarxa com a element de segmentació i confirmen la importància del efectes secundaris modelats en la secció de l'anàlisi matemàtica. Finalment, la tesi acaba amb una estimació del nivell de complexitat del procés i una comparació amb d'altres mètodes, exposa les conclusions i explora noves possibilitats en la realització hardware d'algorismes neuromorphics per a la segmentació.L'anàlisi matemàtica i les simulacions demostren que els oscil.ladors astables poden ser usats com a cel.les bàsiques per a xarxes de segmentació. També demostren que els retards deguts a la capacitat de sortida combinada amb el mismatch dels dispositius han de ser limitats per tal que la xarxa treballi correctament. La realització física del model de neurona basat en un oscil.lador no linial demostra que és possible realitzar físicament un sistema de segmentació més ràpid que la seva simulació en ordinadors molt més potents sense perdre funcionalitat.Noves línies de recerca són l'estudi en més detall dels mecanismes de sincronització amb acoblaments més febles combinat amb el mismatch dels dispositius, l'ús de comparador en mode corrent més ràpids de baix consum i l'ús d'imatges en nivell de grisos. / Advances in neurosciences have induced the development of complex models of artificial neurons closer to their biological counterparts. These models improved functionality of artificial neural networks and novel applications have appeared. Nevertheless, complexity of new neuron models makes their simulation difficult, and time and power consuming. This is not a major drawback for applications that have no restrictions on power consumption and system complexity as simulation of natural neurons or exploration of different abilities of artificial neural networks. But, there are other applications, as found in real time portable systems, that require fast and small systems and low power requirements for which simulating complex artificial neurons is not a good solution. Finding a feasible solution to this problem is the aim of this work.This dissertation describes and analyzes a hardware model of an artificial neural network based on coupled oscillators that have been adapted to fit VLSI requirements and its applications to scene segmentation tasks. To reduce area overhead and power consumption, neurons, which are modeled as astable oscillators, are implemented on a full custom ASIC instead of being simulated on a standard hardware architecture. The implementation of a physical oscillator instead of their simulation, allows the system to perform the same tasks and reduce power consumption compared to requirements needed for a computer to simulate the network.First, a current-mode astable oscillator is modeled as an integrator and a hysteresis comparator. Then, this scheme is used to study algebraically and numerically the synchronization of excitatory coupled oscillators with and without external inhibition and mismatch. After this, the analysis is repeated with an improved model composed of two integrators with different timescales. This allows us to simulate secondary effects as oscillator output capacitance. From these results, the behavior of one-dimensional and two-dimensional arrays of coupled oscillators is studied and then, the network is applied to synthetic image segmentation.Based on results of the mathematical analysis, a microelectronic network is designed on a double-poly 0.8µm CMOS ASIC. This circuit is described and extensively simulated to check its functionality as a segmentation layer. Then, experimental results validate the network functionality as a segmentation network and confirm the importance of secondary effects modeled in the mathematical analysis section. Finally, this dissertation ends with an estimation of the scheme complexity, compares it to other methods, sets out concluding remarks and explores future trends on implementation of neuromorphic segmentation schemes.Mathematical analysis and simulations demonstrate that astable oscillators can be used as basic cells of segmentation networks. They also demonstrate that delays due to cell output capacitance combined with device mismatch have to be limited below certain boundaries for the network to work properly. The physical implementation of a neuron model based on a non-linear oscillator demonstrates that it is possible to implement an oscillatory segmentation scheme that runs much faster that its simulated counterpart on powerful computers.Future lines of research are the deeper study of synchronization mechanisms with weaker coupling strength combined with device mismatch, the use of faster current comparators with low power consumption figures and the use of gray level input images.

La rápida evolución de la robótica esta promoviendo que emerjan nuevos campos relacionados con la robótica. Inspirándose en ideas provinientes de la psicología del desarrollo, la robótica del desarrollo es un nuevo campo que pretende proveer a los robots de capacidades que les permiten aprender de una manera abierta durante toda su vida. Hay situaciones donde los ingenieros o los diseñadores no pueden prever todos los posibles problemas que un robot pueda encontrar. Tal como el número de tareas que un robot debe hacer crece, este problema se vuelve más evidente, y las soluciones de ingenería tradicionales pueden no ser completamente factibles. En tal caso, la robótica del desarrollo proporciona una serie de principios y directrices para construir robots que tienen las herramientas cognitivas adecuadas a fin de adquirir el conocimiento necesario. Auto-exploración, aprendizaje incremental, scaffolding social e imitación. Todas son herramientas que contribuyen a construir robots con un alto grado de autonomía. Mediante la auto-exploración internamente motivada, un robot descubre lo que su cuerpo es capaz de hacer. Las técnicas de aprendizaje incremental permite que un robot tenga conocimiento listo al instante, a partir de construir estructuras cognitivas encima de otras más viejas. El scaffolding o andamiaje social y las capacidades de imitación permiten aprovechar lo que los humanos --- u otros robots --- ya saben. De esta manera, los robots tienen metas que perseguir y aportan, o bien un uso final para las habilidades aprendidas, o bien ejemplos de cómo lograr una determinada tarea. Esta tesis presenta un estudio de una serie de técnicas, las cuales ejemplifican cómo algunos de esos principios, aplicados a robots reales, funcionan juntos, permitiendo al robot aprender autónomamente a ejecutar una serie de tareas. También mostramos cómo el robot, aprovechándose de técnicas de aprendizaje activo e incremental, es capaz de decidir la mejor manera de explorar su entorno a fin de adquirir el conocimiento que mejor le ayuda a lograr sus objetivos. Ésto, añadido al descubrimiento autónomo de las limitaciones de su propio cuerpo, disminuye la cantidad de conocimiento especifico del dominio que es necesario poner en el diseño del sistema de aprendizaje. Primeramente, presentamos un algoritmo de aprendizaje incremental para Modelos de Mixtura de Gaussianas aplicado al problema de aprendizaje sensorimotor. Implementado en un robot móvil, el objetivo es adquirir un modelo que es capaz de realizar predicciones sobre los estados sensoriales futuros. Este modelo predictivo es reutilizado como substrato representacional, el cual sirve para categorizar y anticipar situaciones tales como la colisión contra un objeto. Después de un periodo extendido de aprendizaje, y habiendo encontrado situaciones diferentes, observamos que los modelos adquiridos se terminan siendo bastante grandes. Sin embargo, nos dimos cuenta que, en un momento dado, solo una pequeña porcion del mismo es utilizada. Además, estas areas son utilizadas consistentemente por un periodo relativamente largo de tiempo. Presentamos una extensión para el algoritmo de Regresión basado en Mixturas de Gaussianas, el cual aprovecha este hecho a fin de reducir el coste computacional de la inferencia. Las técnicas aquí presentadas fueron también aplicadas en un problema diferente y más commplejo: la imitación de una secuencia de notas musicales proporcionadas por un humano. Estas son producidas por un objeto musical virtual que es utilizado por un robot humanoide. El robot no solo aprende a utilizar este objeto, sino que también aprende sobre las limitaciones de su propio cuerpo. Ésto le permite entender mejor qué puede hacer y cómo puede hacerlo, subrayando la importancia de la influencia que el hecho de tener cuerpo tiene en la interacción del robot con su entorno y el tipo de estructuras cognitivas que se forman como consecuencia de este tipo de interacción. / The rapid evolution of robotics is promoting new robotics related research fields to emerge. Taking insights from developmental psychology, developmental robotics is a new field which aims to endow robots with capabilities that enable them to life-long learning in an open-ended way. There are situations where engineers or designers cannot foresee all the possible problems a robot may encounter. As the number of tasks that a robot must do grows, this problem becomes more evident and traditional engineering solutions may not be entirely feasible. In that case, developmental robotics provides a series of principles and guidelines to construct robots which have the adequate cognitive tools in order to acquire the necessary knowledge. Self-exploration, incremental learning, social scaffolding or imitation. All are tools which contribute to build robots with a high degree of autonomy. By means of internally motivated self-exploration, a robot discovers what its body is able to do. Incremental learning techniques enable a robot to have ready-to-use knowledge by building new cognitive structures on top of old ones. Social scaffolding and imitation capabilities allows taking advantage of what humans --- or other robots --- already know. In this way, robots have goals to pursue and provide either an end use of learned skills or examples on how to accomplish a given task. This thesis presents a study of a series of techniques which exemplify how some of those principles, applied to real robots, work together, enabling the robot to autonomously learn to perform a series of tasks. We also show how the robot, by taking advantage of active and incremental learning, is able to decide the best way to explore its environment in order to acquire knowledge that best helps in accomplishing its goals. This, in addition to the autonomous discovery of its own body limitations, leverages the amount of domain specific knowledge that needs to be put in the design of the learning system. First and foremost, we present an incremental learning algorithm for Gaussian Mixture Models applied to the problem of sensorimotor learning. Implemented in a mobile robot, the objective is to acquire a model which is capable of making predictions about future sensory states. This predictive model is reused as a representation substrate which serves to categorize and anticipate situations such as the collision with an object. After an extended period of learning, and having encountered different situations, we observed that the acquired models become quite large. However, we realized that, at any given time, only small portions of it are used. Furthermore, these areas are consistently used over relatively long periods of time. We present an extension to the standard Gaussian Mixture Regression algorithm which takes advantage of this fact in order to reduce the computational cost of inference. The techniques herein presented were also applied in a different and more complex problem: the imitation of a sequence of musical notes provided by a human. Those are produced by a virtual musical object which is used by a humanoid robot. The robot not only learns to use this object, but also learns about its own body limitations. This enables it to better understand what it is able to do and how, highlighting the importance of embodiment in the interaction of a robot with its environment and the kind of cognitive structures that are formed as a consequence of this type of interaction.

El objetivo de esta tesis es de determinar la calidad de las condiciones de parada existentes para terminar un Algoritmo Evolutivo cuando llegue a su un estado estacionario. Un Algoritmo Evolutivo es una técnica iterativa basada en poblaciones de individuos e inspirada en las reglas de la evolución natural para encontrar (o explorar) el conjunto de puntos, en un espacio de búsqueda, que mejor se ajustan a una situación dada de acuerdo con una función de coste. Delante de cualquier problema, en prácticamente todas las situaciones, se necesita explorar un conjunto de posibles soluciones donde cada una de ellas se puede evaluar. Por tanto, los Algoritmos Evolutivos se pueden entender como una técnica de optimización si tenemos una función de coste que determine la bondad del ajuste. Como para cualquier técnica iterativa, es esencial disponer de un criterio de parada. En el caso de los métodos de optimización, el algoritmo habría de parase en el momento en el que ha llegado a su estado estacionario y por tanto ya no se podrán mejorar los resultados. Determinar la fiabilidad de las condiciones de parada de un algoritmo evolutivo es de gran importancia. Un criterio de parada débil o equivocado puede afectar negativamente tanto al esfuerzo computacional como al resultado final. En esta tesis introducimos un marco estadístico para determinar cuándo una condición de parada es capaz de parar el Algoritmo Evolutivo en el momento en el que llegue a su estado estacionario. Por una parte, se presenta una aproximación numérica a los estados estacionarios para detectar el momento en el cual la población de individuos del algoritmo evolutivo ha perdido su diversidad. Esta aproximación se ha aplicado a diferentes métodos de computación evolutiva que están basados en la diversidad y a una selección de funciones que cubren las propiedades más relevantes respecto a la convergencia de los algoritmos evolutivos. Los experimentos muestran que la condición presentada funciona independientemente de la dimensión del espacio de búsqueda y del perfil de la función de coste. También muestran que el método Differential Evolution (DE) figura como el mejor paradigma entre los algoritmos evolutivos para aplicar el método de parada. Por otra parte, utilizamos un modelo de regresión lineal para determinar los requisitos que aseguran que una medida derivada de la población evolutiva del algoritmo evolutivo está relacionada con la distancia al óptimo en el espacio de búsqueda. El marco teórico presentado se analiza para diferentes funciones de un conjunto de funciones marco y para dos criterios de parada estándar basados en la mejora del valor de la función de coste y en la distribución en el espacio de búsqueda de la población de individuos para cada método de los algoritmos evolutivos. Los resultados validan el marco estadístico presentado como una buena herramienta para determinar la capacidad de una medida para parar el algoritmo evolutivo y selecciona la medida basada en la distribución de la población como la más conveniente para aplicaciones en casos reales. / The goal of this Thesis is assessing the quality of existing stopping conditions for terminating Evolutionary Algorithms at its steady state. An Evolutionary Algorithm (EA) is an iterative population based technique based on natural evolution rules principles to find (or explore) in a given search space the set of point that best fits a given real situation according to a cost function. When a problem is presented in practically all situations, an exploration of a set of possible solutions is needed and for each possible solution its goodness is valuable. EAs can be viewed as an optimization technique if a function is given. As any iterative technique, a stop criterion for terminating EA numeric implementation is mandatory. In the case of optimization methods, the algorithm should stop at the time it has reached a steady state so it can not improve results anymore. Assessing the reliability of termination conditions for evolutionary algorithms is of prime importance. A wrong or weak stop criterion can negatively affect both the computational effort and the final result. In this Thesis, we introduce a statistical framework for assessing whether a termination condition is able to stop EA at its steady state. In one hand a numeric approximation to steady states to detect the point in which EA population has lost its diversity has been presented for EA termination. This approximation has been applied to different EA paradigms based on diversity and a selection of functions covering the properties most relevant for EA convergence. Experiments show that our condition works regardless of the search space dimension and function landscape and Differential Evolution (DE) arises as the best EA paradigm. On the other hand, we use a regression model in order to determine the requirements ensuring that a measure derived from EA evolving population is related to the distance to the optimum in x-space. Our theoretical framework is analyzed across several benchmark test functions and two standard termination criteria based on function improvement in function space and EA population x-space distribution for the DE paradigm. Results validate our statistical framework as a powerful tool for determining the capability of a measure for terminating EA and select the x-space distribution as the best-suited for accurately stopping DE in real-world applications.

Desde hace varias décadas los robots industriales han demostrado su eficiencia para tareas desarrolladas en entornos perfectamente conocidos. No obstante, surgen importantes complicaciones operativas en entornos limitadamente conocidos, y esto dificulta de manera considerable su uso en muchas áreas de interés, limitando la expansión de la robótica. Esta tesis pretende aportar una pequeña contribución a este vasto problema y, para ello, focaliza su estudio sobre un problema concreto: la manipulación robotizada de objetos deformables. La operación sobre objetos rígidos no está exenta de problemas, muchos de ellos derivados de información imperfecta, pero al menos se sabe que la forma de estos objetos permanecerá inalterable cuando se los manipule. Es por ello que el trato con objetos deformables requiere abordar el problema desde una nueva perspectiva que pasa, necesariamente, por el uso de algún modelo del objeto que aporte información sobre su forma en función de la actuación del robot. Las dificultades surgen fundamentalmente por dos motivos: el modelo no es perfecto y la actuación del robot no es totalmente conocida. Esto obliga al uso de información externa con la que poder corregir ambas deficiencias, pero con ello tampoco queda resuelto el problema dado que esa nueva información tampoco es perfecta. Esta tesis aborda el problema de conseguir una buena información sobre la forma de una membrana de caucho natural fijada a una plataforma circular, cuando se la somete a una manipulación robotizada. Para ello se ha diseñado, implementado y validado el modelo exponencial de masas y muelles sobre el que se ha llevado a cabo un completo estudio del comportamiento de la membrana ante diferentes actuaciones del robot. A partir de ahí, y haciendo uso de información sensorial de fuerza, par y visión estereoscópica, se han diseñado, implementado y validado un conjunto de algoritmos de integración sensorial basados en el filtro de partículas y en la fusión probabilística, con los que se ha conseguido obtener una información de suficiente calidad como para operar debidamente. / Industrial robots have proven their efficiency for several decades, when they operate in perfectly known environments. However, significant operational complications arise in limitedly known environments, and this difficult significantively its use in many areas of interest, hindering its expansion. This thesis aims to make a small contribution to this vast problem and, for this reason, the study focuses on a specific problem: the robotic manipulation of deformable objects. The operation on rigid objects is not exempt of problems. Many of them arise from an operation with non-perfect information, but at least we know that the shape of these objects remains unchanged when they are handled. But the handling of deformable objects requires the addressing of the problem from a new perspective, which necessarily needs the use of some object model that provides shape information based on the operation of the robot. The fundamental problem arises for two reasons: the model is not perfect and the operation of the robot is not fully known. This requires the use of independent information with which to correct both deficiencies, but even so, the problem is not totally solved because the new information is not perfect. This thesis addresses the problem of getting a proper information about the shape of a natural rubber membrane attached to a circular platform, when such membrane is subjected to a robotic manipulation. To address such problem, the exponential mass-spring model has been is designed, implemented and validated. A complete study has been made about the behavior of the membrane at different operations of the robot. Thereafter, making use of information obtained from force, torque and stereoscopic vision sensors, we have designed, implemented and validated a set of sensory integration algorithms. Such algorithms are based on particle filter and the probabilistic fusion, and it have allowed to obtain an information of sufficient quality to operate properly.

Wind power has emerged as one of the most promising renewable energy sources. The very penetration levels of wind energy in power systems have altered several aspects of power system operation, such as system stability. Owing to the large penetration of wind power, transmission system operators (TSOs) have established special grid codes for wind farms connection. These grid codes require wind farms to provide ancillary services to the grid such as frequency and voltage regulation. In the near future, the capability of damping power system oscillations will be required. As a result of the development of such requirements, the concept of wind power plant (WPP) arises being de ned as a wind farm which is expected to behave similarly to a conventional power plant in terms of power generation, control and ancillary services. As future grid codes will require power oscillation damping contribution from wind power, the thesis is mainly focused on the analysis of the power system stabilizer (PSS) capability of wind power plants. The change produced by wind power plants based on di erent wind turbine technologies on power system small signal dynamics is analysed to determine their possible contribution to damp oscillations. The eff ect of the distance from the tie line to the wind power plant on the controller response and the influence of wind power plants proximity to synchronous generators are demonstrated to be critical factors. At this point several questions are raised as: What are the most critical factors? How can be ensure a proper contribution, at least the best possible response? Can it be ensured to be independent to the power system and the controller selected? To answer these questions, this thesis conducts research on proper selection of input-output signal pairs to damp out electromechanical oscillations using wind power plants without drawing attention to a particular control design. This is necessary conclusions about the power system independently of a particular controller. The capability to damp is an intrinsic characteristic of the system and should not be a ected by a particular controller (PSS). Firstly, di erent analysis techniques are compared, considering both controllability and observability measures and input-output interactions. This enables recommendations to be drawn so as to the selection of the the best signal pairs to damp power system oscillations considering di erent approaches, such as single-input single-output (SISO) and multivariable control (MIMO). Second, a new criterion to select the best input-output signals used by a PSS based on WPPs is presented, considering explicitly local and remote signals in the analysis. Taking into account fundamental design limitations and using controllability and observability concepts, the criterion is able to identify the most suitable pair of input-output local signals without consider any particular controller. Finally, due to the increase of wind power generation - including o shore locations - and the concept of an interconnected Pan-European network, a new o shore wind power plant AC network similar in design to the European SuperGrid \SuperNode", is analyzed. The cost e ect of choosing a nonstandard operating frequency on the o shore AC network is investigated. As the o shore AC network is isolated from onshore networks through the use of HVDC links, it may be operated in an asynchronous fashion and at a suitable frequency. The cost associated with operating the network at a fixed frequency in the range 20 to 120 Hz is investigated, focusing on the frequency-cost-scalings of electrical devices (such as cables, transformers and reactive compensation) and the related o shore infrastructures, / L'energia e olica s'ha convertit en una de les fonts d'energia renovable m es prometedores. Actualment, l'elevat nivell de penetraci o de l'energia e olica a la xarxa el ectrica ha conduï t a la modi caci o del comportament de diversos aspectes d'aquesta, com per exemple, l'estabilitat. Degut a aquesta gran penetraci o, els operadors de xarxes de transmissi o (TSOs) han establert procediments d'operaci o especials per a la connexi o de grans parcs e olics. Aquests codis requereixen als parcs elics que realitzin serveis auxiliars al sistema el ectric com, per exemple, la regulaci o de freqü encia i la regulaci o de la pot encia reactiva. En un futur proper, la capacitat dels parcs e olics per esmorteir les oscil lacions del sistema de pot encia es requerir a (en l'actualitat ja existeixen esborranys de nous procediments d'operaci o que ho inclouen). A causa d'aquest requeriments, el concepte de central de generaci o d'energia e olica es de neix com un parc e olic que s'espera que es comporti de manera similar a una central de generaci o el ectrica convencional en termes de poder realitzar tasques tals com generaci o, control i serveis auxiliars. Ja que un futur requeriment dels operadors de xarxa ser a la contribuci o de l'energia e olica en l'esmorteiment de les oscil lacions de pot encia, en aquesta tesi s'estudia la capacitat de les centrals e oliques per actuar com estabilitzador dels sistemes el ectrics de pot encia. A m es a m es, s'analitza l'efecte de les centrals d'energia e olica al comportament din amic del sistema el ectric considerant l'estabilitat de petita senyal, per a determinar quina podr a ser la possible contribuci o proporcionada per aquestes tecnologies. S'ha estudiat que l'efecte de la dist ancia des d'el punt de connexi o amb la central d'energia e olica a la resposta del control estabilitzant i la influ encia de la proximitat de les centrals e oliques als generadors s ncrons s on factors cr tics. D'aquest fet surgeixen algunes preguntes com: Es aquest el factor m es cr tic? Com es pot assegurar una contribuci o adequada, si m es no la millor resposta possible, per ajudar a estabilitzar el sistema el ectric? Es poden asegurar quina ser a la contribuci o a l'estabilitat del sistema el ectric independentment de la xarxa i l'esquema de control escollit? Per respondre a aquestes preguntes, aquesta tesi ha realitzat investigacions sobre l'adequada selecci o de parells de senyals d'entrada-sortida per esmorteir les oscil lacions electromec aniques amb centrals e oliques evitant dissenyar el controlador i propossant met odes f acilment adaptables a qualsevol sistema el ectric. En primer lloc, s'han comparat diferents t ecniques d'an alisi tenint en compte tant les mesures de controlabilitat i observabilitat com les interaccions entre les senyals d'entrada i sortida. D'aquesta comparaci o, certes recomanacions es donen a l'hora de seleccionar els millors parells de senyals per esmorteir les oscil lacions del sistema el ectric de pot encia considerant diferents esquemes de control com ara entrada unica sortida unica (SISO) i control multivariable (MIMO). En segon lloc, s'ha proposat un nou criteri per seleccionar les senyals d'entrada i sortida utilitzades per un control estabilitzador per centrals d'energia e olica. On, a difer encia amb anteriors met odes de selecci o proposats, el criteri presentat considera expl citament tant senyals locals com senyals remotes dins el seu an alisi. Aquest criteri es capa c d'identi car la parella de senyals locals d'entrada i sortida m es adequada sense realitzar el disseny del controlador, considerant tant les limitacions fonamentals del disseny del controlador imposades per el sistema com els conceptes de controlabilitat i observabilitat. Finalment, a causa del augment de la generaci o d'energia e olica, principalment en localitzacions marines, i al concepte d'una xarxa el ectrica comuna Pan-Europea, s'ha realitzat l'an alisi d'un nou concepte de xarxa en corrent altern (AC) dins de les centrals d'energia e olica marina, amb un disseny similar al concepte investigat a la Super-Xarxa Europea \Supernode". En aquest treball s'ha investigat l'efecte que t e en els costos la tria una freqüencia nominal d'operaci o no est andard en dita xarxa en corrent altern. La xarxa en AC que es forma entre les turbines e oliques i el convertidor de transmissi o es aï llada tant de les xarxes terrestres per l' us d'enlla cos en corrent continu (HVDC) com de la pr opia de les turbines per el convertidor que porten incorporat. Aquest fet implica que aquesta xarxa pot ser operada sense sincronitzar a qualsevol freqüencia. En aquesta tesi, s'ha estudiat quin es el cost associat amb l'operaci o de la xarxa a una freqü encia fi xa dins del rang de 20-120 Hz, focalitzant principalment en l'escalat del costos dels diferents elements el ectrics (com ara cables, transformadors i compensaci o reatviva i infraestructures necessaris en instal lacions marines respecte la freqüencia.