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1ª Jornada Latino Americana de Mecatrónica
Universidad Tecnológica Nacional, Buenos Aires, Argentina
1 y 2 de Noviembre de 2015
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Proyectos de Investigación en Inteligencia Artificial y Robótica
Claudio Verrastro Juan Carlos Gómez
GIAR-UTNBA
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Índice
• Objetivos Generales
• Reseña Histórica
• Integrantes
• Líneas de Trabajo
• Proyectos Actuales
• Publicaciones
• Equipamiento
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Objetivos Generales
• Formación de RRHH en Técnicas IA y R para su aplicación práctica: Becarios de Grado, Graduados, Maestría, Doctorado • Desarrollo e Innovación: Proyectos innovadores, PICT • Transferencia: Acuerdos y Convenios Empresas e Instituciones, Publicaciones, Seminarios
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Reseña Histórica
•1986: Grupo UTN-FRBA Inteligencia Artificial FRBA •2003: Materias electivas Ing. Electrónica Introducción a la IA Aplicaciones IA •2009: Grupo UTN Res 611/11 Inteligencia Artificial y Robótica
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Integrantes
• 2 Docentes en la Dirección. • 5 Docentes en Investigación. • 4 Becarios BINID. • 7 Becas de Rectorado. • 1 Becarios CIN • 9 Becarios de la SAE. • 1 Ad-honorem
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Líneas de Trabajo
•Medicina Nuclear •Reconocimiento de Patrones •Robótica Móvil •Brazo Robot •Robótica Colaborativa •Interfaz Hombre Máquina •Visión Artificial •Control Difuso •Redes Neuronales
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Proyectos en Curso
•Análisis de Señales Biológicas (BCI) •Robot Hexápodo Autónomo •Telemetría Móvil 3D (TM3D) •Algoritmos de Reconstrucción en Tomografía PET Y SPECT •Fotomultiplicador Digital de Estado Sólido (DSIPM)
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Clasificación de imaginación motriz mediante la detección de ERD/ERS para aplicaciones BCI
Integrantes: Emiliano Statello Sebastian Jaremczuk Ing. Ramiro Rodríguez Colmeiro
Directores: Ing. Juan Carlos Gómez
Grupo: PROSECER - GIAR – UTN FRBA
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¿Qué es un sistema BCI?
• Del inglés (Brain-Computer Interfaces)
• La estructura de un BCIs está compuesta de las siguientes partes:
• Adquisición de la señal
• Pre-procesamiento
• Clasificación
• Interacción con el/los dispositivos
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Esquema básico del BCI
Corteza motora primaria
Área de proyección sensorial
Área asociado a
la visión
Área asociado a la audición
Lóbulo occipital
Detección de las señales ERS/ ERD
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ERD/ERS
Discriminación de la imaginación de las extremidades superiores.
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Método
Wavelet con Morlet
Separabilidad de Bandas
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Extracción de características
6 características totales: 4 directas 2 indirectas
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Extracción de características
Fisher Factor de mérito
Separabilidad de bandas
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Red Neuronal
TIPO DE RED
•Multilayer perceptron
•Neurona logsig
•Back-propagation
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Resultados
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Resultados
Puesto Grupo Error Mínimo
[%]
MI Máximo
[bit]
Tiempo de Clasificación
[seg.]
1 C 10,71 0,61 7,59
2 GIAR-1 10 0,56 9
3 F 15,71 0,46 5,05
4 B 17,14 0,45 6,7
5 A 13,57 0,44 4,18
6 G 17,14 0,29 4,66
7 I 23,57 0,26 6,34
8 E 17,14 0,21 6,13
9 D 32,14 0,09 5,66
10 H 49,29 0 9
Comparación con el set BCI Competition 2003
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Robot Hexápodo Autónomo
Integrantes: Juan Alarcón
Matías Scremin
Elias da Ponte
Director: Ing Sergio Alberino
Grupo: GIAR – UTN FRBA
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Robot Hexápodo Autónomo
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Desarrollo de un robot hexápodo (RH) con
comportamiento autónomo, basando su operación en
aprendizaje por refuerzo (Reinforcement Learning).
Se contempla la incorporación de dispositivos de
comunicación a través de algún medio inalámbrico
estándar (Ethernet, Wifi, Bluetooth, etc…) para el estudio
de diferentes técnicas de aprendizaje.
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Robot Hexápodo Autónomo
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
Objetivos particulares:
• Diseñar y experimentar configuraciones mecánicas
poliarticuladas que permitan posicionar al robot en forma
eficiente
• Desarrollar algoritmos para el control sincronizado y
eficiente de los servomecanismos que componen el robot
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Robot Hexápodo Autónomo Diseño
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6 patas con 3 articulaciones en cada una de ellas
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Robot Hexápodo Autónomo Simulación
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Marilou Robotics Studio
Ambiente de simulación 3D para robots móviles
condiciones reales
respetando las leyes físicas
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Robot Hexápodo Autónomo Avance
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Construcción del
Prototipo
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Robot Hexápodo Autónomo Avance
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Ambiente
Acción at
Estado
st
Recompensa
rt
rt+1
st+1
Agente
Aprendizaje por
Refuerzo
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Telemetria Móvil 3D
Integrantes: Leandro Di Matteo, Mariana Prieto, Ariel Hernández, Maximiliano Marufo da Silva, Verónica Fabbro , Juan Alarcón
Directores: Ing. Claudio Verrastro, Ing Juan Carlos Gómez
Grupo: GIAR – UTN FRBA
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) Objetivos
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1. Desarrollo de un sistema de telemetría en 3 D mediante
el empleo de 2 o más cámaras
2. Desarrollo de un sistema de servo con realimentación
visual para el movimiento de una montura tipo Azimut-
Elevación para el seguimiento visual de objetos en el
espacio
3. Desarrollo de implementación de algoritmos de
seguimiento y segmentación de objetos sobre escenas
dinámicas
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) Modelo topográfico
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) layout
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PAD
Unidad de Seguimiento
“A” Unidad de
Seguimiento “B”
Vehículo
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) Equipamiento
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) Algoritmos de traking
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) Resultados
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Telemetría Móvil 3D (TM3D) Resultados
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Algoritmos de Reconstrucción en Tomografía PET Y SPECT
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
Integrantes: Ramiro Germán Rodríguez
Colmeiro, Rodrigo García
Director: Martín Belzunce, Claudio
Verrastro,
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Algoritmos de Reconstrucción en Tomografía PET Y SPECT
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• Desarrollo de Algoritmo de Reconstrucción de Imagen en
Tomografías por Emisión, PET y SPECT.
•Implementación eficiente para disminuir los tiempos de
reconstrucción mediante utilización de procesadores gráficos (GPUs).
•Lograr una Mejora de la Resolución a través de un Modelado
detallado del AR-PET y del AR-TGS.
•Diseño e implementación de algoritmo de estimación de scatter.
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Algoritmos de Reconstrucción Tomografías por emisión
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“La tomografía es una técnica que permite reconstruir una imagen
volumétrica de un objeto desconocido a través de mediciones externas a
él.”
Tomografías por Emisión
Emisión de Positrones
(PET)
Emisión de Fotón Único
(SPECT)
Imagen
Superposición de Proyecciones de la Imagen
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Algoritmos de Reconstrucción Tomografía PET
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Algoritmos de Reconstrucción Tomografía SPECT
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
γ
γ γ
• Se detecta un único fotón gamma
• Se lo debe colimar físicamente para
adquirir fotones en una dirección dada
• La resolución espacial está determinada
por la apertura del colimador
• La atenuación del fotón depende de la
posición donde se emitió Evento
Disperso Evento
Verdadero
Fotón
Frenado
Colimador Detector • Las proyecciones van desde 0º a 360º
• También se utilizan sinogramas
• Los algoritmos de reconstrucción tienen la
misma base que en PET
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Algoritmos de Reconstrucción
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
“Son algoritmos que permiten generar imágenes precisas que
cuantifiquen la distribución de uno o más radioisótopos en el cuerpo
bajo estudio.”
Iterativos Analíticos
• Requieren una matriz del sistema
(SRM) que modele el proceso de
adquisición
• Implementación compleja
• Alto costo computacional
• Mayor inmunidad al ruido estadístico
• Modelos precisos de la matriz del
sistema permite mejorar la resolución
espacial
Dos Tipos de Algoritmos
• Basados en la transformada de
Radon
• Bajo costo computacional
• Sensible al ruido
• Fácil implementación
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Algoritmos de Reconstrucción Maximum Likelihood Expectation Maximization
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
X: Imagen Reconstruida
B: Sinograma Adquirido
P: Sinograma Proyectado
A: Matriz del Sistema
Proyección
Retroproyección
Normalización
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Algoritmos de Reconstrucción Resultados
• Se lograron importantes factores de aceleración en los algoritmos ML-EM y OS-EM utilizando GPUs.
• Se propusieron, diseñaron e implementaron proyectores que realizan una modelización precisa del proceso de adquisición de los scanners AR-PET y AR-TGS.
• Los proyectores propuestos para el AR-TGS permitieron llear la resolución espacial a menos de 5 cm (respecto de 10 cm con FBP)
• Se está trabajando en la estimación del scatter, que permitirá completar todos los aspectos necesarios para la reconstrucción y cuantificación de imágenes en PET y SPECT
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 1 y 2 de Noviembre de 2015
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Fotomultiplicador Digital de Estado Sólido (DSIPM)
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
Integrantes: Juan Alarcón, Oscar
Comito
Director: Oscar Wainberg
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Fotomultiplicador Digital de Estado Sólido (DSIPM)
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
Como Detectores de Radiación
gamma
Usos:
Medicina Nuclear
Prospección geológica
Seguridad radiológica
Astrofísica
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Fotomultiplicador Digital de Estado Sólido (DSIPM)
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
Cuentas
Carga [fC]
SiPM (S13360)
PMT (H8804)
1 SPE
1
2
3
4 5
SPEs
SiPM vs PMT
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Fotomultiplicador Digital de Estado Sólido (DSIPM)
Espectro de fotones térmicos
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
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Fotomultiplicador Digital
Arreglo experimental
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
Fuente HV (70V) Amplificador
Centellador
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Fotomultiplicador Digital Uso en astrofísica
Centelladores orgánicos para
astrofísica
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
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Fotomultiplicador Digital uso en prospección geológica
Centelladores orgánicos para
prospección geológica
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
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Publicaciones último año
1- “Desplazamiento de un robot con una extremidad utilizando técnicas de aprendizaje por refuerzo” M. A. Scremin; J. C. Gómez; C. Verrastro; P. Folino; S. Alberino; J. Alarcón; E. da Ponte; VIII JAR 11-2014. ISBN 978-987-1978-19-9
2- “Clasificación de imaginación motriz mediante la detección de ERD/ERS para aplicaciones BCI” R. G. Rodríguez Colmeiro; E. Statello; S. Ezequiel Jaremczuk; JC. Gómez; C. Verrastro VIII JAR 11-2014. ISBN 978-987-1978-19-9
3- “Algoritmo de seguimiento de objetos basado en visión asistida por computador en tiempo real utilizando CAMShift e histogramas ponderados” Autores: Hernández, R. Verrastro, L. Di Matteo, M. Prieto, M. Marufo, J.C. Gómez, C. Verrastro. VIII JAR 11-2014. ISBN 978-987-1978-19-9
4- “Algoritmo de seguimiento de objetos en imágenes mediante reconstrucción iterativa de histograma en tiempo real” Autores: M. Prieto, M. Marufo, L. Di Matteo, R. Verrastro, A. Hernández, J. C. Gómez, C. Verrastro. VIII JAR 11-2014. ISBN 978-987-1978-19-9
5- “Programación de Robots utilizando Hoja de Cálculo” F A. Sampieri, S. Alberino, P.l Folino, J.C. Gómez, C. Verrastro. VIII JAR 11-2014. ISBN 978-987-1978-19-9
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
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Publicaciones último año
6- “Aprendizaje por refuerzo y control difuso para generar comportamiento de robots” J.C. Gómez; C. Verrastro VIII JAR 11-2014. ISBN 978-987-1978-19-9
7- New Model To Describe The Early Steps Of Phototransduction” E. Salido, L. N. Servalli, J.C. Gómez, C. Verrastro, VI Congreso latinoamericano de ingeniería biomédica. 10- 2014. Paraná.. ISBN 978-3-319-13116-0
8- "An Attenuated Projector for Iterative Reconstruction Algorithm of a High Sensitivity Tomographic Gamma Scanner" M. Belzunce; C. Verrastro; L. Martinez Garbino; E. Venialgo; E. Da Ponte; A. Carimatto; J. Alarcon; D. Estryk; M. Cohen.. IEEE Transactions On Nuclear Science.Albuquerque: Ieee-Inst Electrical Electronics Engineers Inc. 2014 vol.61 n°2. p975 - 984. issn 0018-9499
9- "Verificación de Algoritmos DSP en FPGA para Espectrometría Gamma" L. Martínez Garbino; C. Verrastro. Santa Clara, Costa Rica.. 2014.CRIA 2014 ICTP
10- "3D Imaging in Non Destructive Assay of Nuclear Waste Drums" L. Martinez Garbino; M. Belzunce; E. Da Ponte; C. Verrastro.. Seatle USA. 2014. NSS IEEE 2014.
11- "3D Model for Computing the System Response Matrix of an Hexagonal PET Scanner" M. Belzunce; C. Verrastro. Seatle,USA 2014. 2014 NSS/MIC. IEEE
12- " A Pulse Modeling Tool for PET Scanners ": L. Martinez Garbino; E. Venialgo; D. Estryk; C. Verrastro; M. Belzunce. Seatle USA. 2014.NSS/MIC, IEEE
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
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Equipamiento
• Dos laboratorios de 17 y 50 m2 en la SCTIP FRBA
• 1Plataforma Móvil con Brazo Robótico (PMIR) • 5 minirobots móvil (MINIPI) • 6 Robots ER1 (Grant-MS-ER) • Range Finder infrarojo • Cámara Estéreo para visión 3D • 2 monturas motorizadas para telemetría óptica • 2 Servidores de datos propios • 10 PCs de uso común en SECTIP • Generador de Funciones arbitrarias • Osciloscopio Digital • Multímetro TRMS
Jornadas Latino Americanas de Mecatrónica, 2 y 3 de Noviembre de 2015
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Conclusiones
Mecatrónica • Mecánica Robótica, Diseño • Electrónica Sensores, controladores, visión • Eléctrica Motores, actuadores • Sistemas • Algoritmos, IA
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Preguntas
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www.secyt.frba.utn.edu.ar/gia/
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Gracias!
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http://blog.frba.utn.edu.ar/utnbae
nmovimiento/1ras-jornadas-
latinoamericanas-de-
mecatronica-en-la-utn-buenos-
aires/