Synthesis of Hand Exoskeletons for the Rehabilitation of Post-Stroke Patients

This dissertation presents the synthesis of a hand exoskeleton (HE) for the rehabilitation of post-stroke patients. Through the analysis of state-of-the-art, a topological classification was proposed. Based on the proposed classification principles, the rehabilitation HEs were systematically analyzed and classified. This classification is helpful to both understand the reason of proposing certain solutions for specific applications and provide some useful guidelines for the design of a new HE, that was actually the primary motivation of this study. Further to this classification, a novel rehabilitation HE was designed to support patients in cylindrical shape grasping tasks with the aim of recovering the basic functions of manipulation. The proposed device comprises five planar mechanisms, one per finger, globally actuated by two electric motors. Indeed, the thumb flexion/extension movement is controlled by one actuator whereas a second actuator is devoted to the control of the flexion/extension of the other four fingers. By focusing on the single finger mechanism, intended as the basic model of the targeted HE, the feasibility study of three different 1 DOF mechanisms are analyzed: a 6-link mechanism, that is connected to the human finger only at its tip, an 8-link and a 12-link mechanisms where phalanges and articulations are part of the kinematic chain. The advantages and drawbacks of each mechanism are deeply analyzed with respect to targeted requirements: the 12-link mechanism was selected as the most suitable solution. The dimensional synthesis based on the Burmester theory as well as kinematic and static analyses were separately done for all fingers in order to satisfy the desired specifications. The HE was finally designed and a prototype was built. The experimental results of the first tests are promising and demonstrate the potential for clinical applications of the proposed device in robot-assisted training of the human hand for grasping functions.

Inverse Static Analysis of Massive Parallel Arrays of Three-State Actuators via Artificial Intelligence

Massive parallel robots (MPRs) driven by discrete actuators are force regulated robots that undergo continuous motions despite being commanded through a finite number of states only. Designing a real-time control of such systems requires fast and efficient methods for solving their inverse static analysis (ISA), which is a challenging problem and the subject of this thesis. In particular, five Artificial intelligence methods are proposed to investigate the on-line computation and the generalization error of ISA problem of a class of MPRs featuring three-state force actuators and one degree of revolute motion.

Sviluppo economico e qualità istituzionale: il ruolo di disuguaglianza e corruzione

Nell'ambito delle teorie dello sviluppo, un filone di studi, originato dai lavori di North (1973) e consolidatosi negli ultimi anni, individua nelle istituzioni, definite come le regole del gioco o i vincoli disegnati dagli uomini per disciplinare i loro rapporti, i fattori fondamentali dello sviluppo economico. Le istituzioni, nel modello elaborato da Acemoglu, Johnson e Robinson (2004), sono il frutto di interazioni dinamiche tra potere politico de jure, determinato dalle istituzioni politiche, e potere politico de facto, determinato dalla distribuzione delle risorse economiche. Sulla base di questa prospettiva teorica, questa tesi propone uno studio di carattere quantitativo sulla qualità istituzionale, la traduzione operativa del concetto di istituzioni, composta dalle tre fondamentali dimensioni di democrazia, efficienza ed efficacia del governo e assenza di corruzione. La prima parte, che analizza sistematicamente pro e contro di ciascuna tipologia di indicatori, è dedicata alla revisione delle misure quantitative di qualità istituzionale, e individua nei Worldwide Governance Indicators la misura più solida e consistente. Questi indici sono quindi utilizzati nella seconda parte, dove si propone un'analisi empirica sulle determinanti della qualità istituzionale. Le stime del modello di regressione cross-country evidenziano che la qualità istituzionale è influenzata da alcuni fattori prevalentemente esogeni come la geografia, la disponibilità di risorse naturali e altre caratteristiche storiche e culturali, insieme ad altri fattori di carattere più endogeno. In quest'ultima categoria, i risultati evidenziano un effetto positivo del livello di sviluppo economico, mentre la disuguaglianza economica mostra un impatto negativo su ciascuna delle tre dimensioni di qualità istituzionale, in particolare sulla corruzione. Questi risultati supportano la prospettiva teorica e suggeriscono che azioni di policy orientate alla riduzione delle disparità sono capaci di generare sviluppo rafforzando la democrazia, migliorando l'efficienza complessiva del sistema economico e riducendo i livelli di corruzione.

Per un atlante dell'architettura storica bolognese. Caratteri costruttivi e conservazione consapevole

La ripresa degli studi sulla manualistica del recupero ha contribuito, attraverso una lettura tecnica vista in prospettiva storica, a diffondere sensibilità conoscitiva e consapevolezza del patrimonio premoderno. Tuttavia l’esigenza di superare il tracciato delineato dall’uso dei manuali di recupero – da molti intesi, semplicisticamente, come cataloghi per soluzioni architettoniche di ripristino e ricostruzione – ha reso indispensabile una riflessione sul reale bisogno di questi strumenti e sulle loro ripercussioni operative. Se i manuali, spesso, esprimono una visione statica e totalizzante dell’edilizia storica, l’atlante dichiara una concezione dinamica e “sempre aperta”, in cui ogni elemento rilevato è caso a sé. L’atlante fa, quindi, riferimento ad una concezione “geografica” in cui la catalogazione non è esaustiva e dogmatica ma, contrariamente, dà luogo ad un repertorio di casi criticamente analizzati nell’ottica della conoscenza e della conservazione. L’obiettivo della ricerca non è consistito, pertanto, nel descrivere la totalità dei caratteri costruttivi e delle loro combinazioni, ma nell’individuare casi singoli che sono letti ed interpretati all’interno del loro contesto storico-costruttivo e che valgono quale monito per un’azione progettuale consapevole, orientata al minimo intervento e alla compatibilità fisico-meccanica, figurativa e filologica. Nello specifico la ricerca, collocata in un riferimento temporale compreso tra il XIII e il XIX secolo, ha approfondito i seguenti caratteri: solai lignei, appartato decorativo in cotto e portali. Attraverso un approccio interdisciplinare lo studio si è proposto di contribuire alla costituzione di una metodologia di ricerca sulle tecniche costruttive storiche, ravvisando nel momento conoscitivo la prima fase del progetto di conservazione. È indiscusso, infatti, il solido legame che esiste tra conoscenza, progetto ed operatività. Solo attraverso la consapevolezza storica e architettonica del manufatto è possibile individuare scelte conservative criticamente vagliate ed operare in funzione della specificità del caso in esame e delle sue reali necessità.

Attivita' fisica adattata nella riabilitazione post-ictus: Risultati al follow-up di 12 mesi

L’ictus è un importante problema di salute pubblica, è causa di morte e disabilità nella popolazione anziana. La necessità di strategie di prevenzione secondaria e terziaria per migliorare il funzionamento post-ictus e prevenire o ritardare altre condizioni disabilitanti, ha portato l’Italia a sviluppare un intervento di Attività Fisica Adattata (AFA) per l’ictus, che permettesse di migliorare gli esiti della riabilitazione. Obiettivo dello studio è di valutare se l’AFA unita all’Educazione Terapeutica (ET), rispetto al trattamento riabilitativo standard, migliora il funzionamento e la qualità di vita in pazienti con ictus. Studio clinico non randomizzato, in cui sono stati valutati 229 pazienti in riabilitazione post-ictus, 126 nel gruppo sperimentale (AFA+ET) e 103 nel gruppo di controllo. I pazienti sono stati valutati al baseline, a 4 e a 12 mesi di follow-up. Le misure di esito sono il cambiamento a 4 mesi di follow-up (che corrisponde a 2 mesi post-intervento nel gruppo sperimentale) di: distanza percorsa, Berg Balance Scale, Short Physical Performance Battery, e Motricity Index. Le variabili misurate a 4 e a 12 mesi di follow-up sono: Barthel Index, Geriatric Depression Scale, SF-12 e Caregiver Strain Index. La distanza percorsa, la performance fisica, l’equilibrio e il punteggio della componente fisica della qualità di vita sono migliorate a 4 mesi nel gruppo AFA+ET e rimasti stabili nel gruppo di controllo. A 12 mesi di follow-up, il gruppo AFA+ET ottiene un cambiamento maggiore, rispetto al gruppo di controllo, nell’abilità di svolgimento delle attività giornaliere e nella qualità di vita. Infine il gruppo AFA+ET riporta, nell’ultimo anno, un minor numero di fratture e minor ricorso a visite riabilitative rispetto al gruppo di controllo. I risultati confermano che l’AFA+ET è efficace nel migliorare le condizioni cliniche di pazienti con ictus e che gli effetti, soprattutto sulla riabilitazione fisica, sono mantenuti anche a lungo termine.

Enhancement of Trajectory Determination of Orbiter Spacecraft by Using Pairs of Planetary Optical Images

The subject of the present thesis is about the enhancement of orbiter spacecraft navigation capabilities obtained by the standard radiometric link, taking advantage of an imaging payload and making use of a novel definition of optical measurements. An ESA Mission to Mercury called BepiColombo, was selected as a reference case for this study, and in particular its Mercury Planetary Orbiter (MPO), because of the presence of SIMBIO-SYS, an instrument suite part of the MPO payload, capable of acquiring high resolution images of the surface of Mercury. The use of optical measurements for navigation, can provide complementary informations with respect to Doppler, for enhanced performances or a relaxation of the radio tracking requisites in term of ground station schedule. Classical optical techniques based on centroids, limbs or landmarks, were the base to a novel idea for optical navigation, inspired by concepts of stereoscopic vision. In brief, the relation between two overlapped images acquired by a nadir pointed orbiter spacecraft at different times, was defined, and this information was then formulated into an optical measurement, to be processed by a navigation filter. The formulation of this novel optical observable is presented, moreover the analysis of the possible impact on the mission budget and images scheduling is addressed. Simulations are conducted using an orbit determination software already in use for spacecraft navigation in which the proposed optical measurements were implemented and the final results are given.

Optimal Supervisory Control of Hybrid Vehicles

Hybrid vehicles (HV), comprising a conventional ICE-based powertrain and a secondary energy source, to be converted into mechanical power as well, represent a well-established alternative to substantially reduce both fuel consumption and tailpipe emissions of passenger cars. Several HV architectures are either being studied or already available on market, e.g. Mechanical, Electric, Hydraulic and Pneumatic Hybrid Vehicles. Among the others, Electric (HEV) and Mechanical (HSF-HV) parallel Hybrid configurations are examined throughout this Thesis. To fully exploit the HVs potential, an optimal choice of the hybrid components to be installed must be properly designed, while an effective Supervisory Control must be adopted to coordinate the way the different power sources are managed and how they interact. Real-time controllers can be derived starting from the obtained optimal benchmark results. However, the application of these powerful instruments require a simplified and yet reliable and accurate model of the hybrid vehicle system. This can be a complex task, especially when the complexity of the system grows, i.e. a HSF-HV system assessed in this Thesis. The first task of the following dissertation is to establish the optimal modeling approach for an innovative and promising mechanical hybrid vehicle architecture. It will be shown how the chosen modeling paradigm can affect the goodness and the amount of computational effort of the solution, using an optimization technique based on Dynamic Programming. The second goal concerns the control of pollutant emissions in a parallel Diesel-HEV. The emissions level obtained under real world driving conditions is substantially higher than the usual result obtained in a homologation cycle. For this reason, an on-line control strategy capable of guaranteeing the respect of the desired emissions level, while minimizing fuel consumption and avoiding excessive battery depletion is the target of the corresponding section of the Thesis.

Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalità ed è costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento è stata valutata la possibilità di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilità relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all’interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento è caratterizzato dall’applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase è stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed è stata definita l’area di fattibilità del processo. Lo studio è stato completato investigando la possibilità di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all’ultimo ambito di intervento l’attività di studio si è focalizzata sull’utilizzo di sorgenti ad elevata densità di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L’attività sperimentale e di analisi dei risultati è stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

Automotive diesel engine transient operation: modeling, optimization and control

Traditionally, the study of internal combustion engines operation has focused on the steady-state performance. However, the daily driving schedule of automotive engines is inherently related to unsteady conditions. There are various operating conditions experienced by (diesel) engines that can be classified as transient. Besides the variation of the engine operating point, in terms of engine speed and torque, also the warm up phase can be considered as a transient condition. Chapter 2 has to do with this thermal transient condition; more precisely the main issue is the performance of a Selective Catalytic Reduction (SCR) system during cold start and warm up phases of the engine. The proposal of the underlying work is to investigate and identify optimal exhaust line heating strategies, to provide a fast activation of the catalytic reactions on SCR. Chapters 3 and 4 focus the attention on the dynamic behavior of the engine, when considering typical driving conditions. The common approach to dynamic optimization involves the solution of a single optimal-control problem. However, this approach requires the availability of models that are valid throughout the whole engine operating range and actuator ranges. In addition, the result of the optimization is meaningful only if the model is very accurate. Chapter 3 proposes a methodology to circumvent those demanding requirements: an iteration between transient measurements to refine a purpose-built model and a dynamic optimization which is constrained to the model validity region. Moreover all numerical methods required to implement this procedure are presented. Chapter 4 proposes an approach to derive a transient feedforward control system in an automated way. It relies on optimal control theory to solve a dynamic optimization problem for fast transients. From the optimal solutions, the relevant information is extracted and stored in maps spanned by the engine speed and the torque gradient.

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Prestazioni energetico-ambientali di sistemi cogenerativi avanzati e analisi di casi applicativi

Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare dapprima l’impatto ambientale di tali impianti e poi analizzare il contributo effettivo che oggi la tecnologia innovativa dei cicli Rankine organici può dare nella valorizzazione elettrica del calore di scarto di processi industriali, focalizzando l’obiettivo principalmente sulle turbine a gas ed eseguendo un caso di studio in un settore ancora poco esplorato da questa tecnologia, quello Oil&Gas. Dopo aver effettuato il censimento degli impianti a fonti fossili e rinnovabili, cogenerativi e non, presenti in Emilia-Romagna, è stato sviluppato un software chiamato MiniBref che permette di simulare il funzionamento di una qualsiasi centrale termoelettrica grazie alla possibilità di combinare la tecnologia dell’impianto con il tipo di combustibile consentendo la valutazione delle emissioni inquinanti ed i potenziali di inquinamento. Successivamente verranno illustrati gli ORC, partendo dalle caratteristiche impiantistiche e termodinamiche fino ad arrivare alla scelta del fluido organico, fondamentale per le performance del ciclo. Dopo aver effettuato una ricognizione dello stato dell’arte delle applicazioni industriali degli ORC nel recupero termico, verranno eseguite simulazioni numeriche per ricostruire gli ORC ed avere una panoramica il più completa ed attendibile delle prestazioni effettive di questi sistemi. In ultimo verranno illustrati i risultati di un caso di studio che vede l’adozione di recupero mediante ciclo organico in un’installazione esistente del settore Oil&Gas. Si effettuerà uno studio delle prestazione dell’impianto al variare delle pressioni massime e minime del ciclo ed al variare del fluido impiegato al fine di mostrare come questi parametri influenzino non solo le performance ma anche le caratteristiche impiantistiche da adottare. A conclusione del lavoro si riporteranno i risultati relativi all’analisi condotte considerando l’impianto ai carichi parziali ed in assetto cogenerativo.

Development Of New Toolkits For Orbit Determination Codes For Precise Radio Tracking Experiments

This thesis describes the developments of new models and toolkits for the orbit determination codes to support and improve the precise radio tracking experiments of the Cassini-Huygens mission, an interplanetary mission to study the Saturn system. The core of the orbit determination process is the comparison between observed observables and computed observables. Disturbances in either the observed or computed observables degrades the orbit determination process. Chapter 2 describes a detailed study of the numerical errors in the Doppler observables computed by NASA's ODP and MONTE, and ESA's AMFIN. A mathematical model of the numerical noise was developed and successfully validated analyzing against the Doppler observables computed by the ODP and MONTE, with typical relative errors smaller than 10%. The numerical noise proved to be, in general, an important source of noise in the orbit determination process and, in some conditions, it may becomes the dominant noise source. Three different approaches to reduce the numerical noise were proposed. Chapter 3 describes the development of the multiarc library, which allows to perform a multi-arc orbit determination with MONTE. The library was developed during the analysis of the Cassini radio science gravity experiments of the Saturn's satellite Rhea. Chapter 4 presents the estimation of the Rhea's gravity field obtained from a joint multi-arc analysis of Cassini R1 and R4 fly-bys, describing in details the spacecraft dynamical model used, the data selection and calibration procedure, and the analysis method followed. In particular, the approach of estimating the full unconstrained quadrupole gravity field was followed, obtaining a solution statistically not compatible with the condition of hydrostatic equilibrium. The solution proved to be stable and reliable. The normalized moment of inertia is in the range 0.37-0.4 indicating that Rhea's may be almost homogeneous, or at least characterized by a small degree of differentiation.

Design and Characterization of Curved and Spherical Flexure Hinges for Planar and Spatial Compliant Mechanisms

A flexure hinge is a flexible connector that can provide a limited rotational motion between two rigid parts by means of material deformation. These connectors can be used to substitute traditional kinematic pairs (like bearing couplings) in rigid-body mechanisms. When compared to their rigid-body counterpart, flexure hinges are characterized by reduced weight, absence of backlash and friction, part-count reduction, but restricted range of motion. There are several types of flexure hinges in the literature that have been studied and characterized for different applications. In our study, we have introduced new types of flexures with curved structures i.e. circularly curved-beam flexures and spherical flexures. These flexures have been utilized for both planar applications (e.g. articulated robotic fingers) and spatial applications (e.g. spherical compliant mechanisms). We have derived closed-form compliance equations for both circularly curved-beam flexures and spherical flexures. Each element of the spatial compliance matrix is analytically computed as a function of hinge dimensions and employed material. The theoretical model is then validated by comparing analytical data with the results obtained through Finite Element Analysis. A case study is also presented for each class of flexures, concerning the potential applications in the optimal design of planar and spatial compliant mechanisms. Each case study is followed by comparing the performance of these novel flexures with the performance of commonly used geometries in terms of principle compliance factors, parasitic motions and maximum stress demands. Furthermore, we have extended our study to the design and analysis of serial and parallel compliant mechanisms, where the proposed flexures have been employed to achieve spatial motions e.g. compliant spherical joints.

Towards Centrifugal Compressor Stages Virtual Testing

Flow features inside centrifugal compressor stages are very complicated to simulate with numerical tools due to the highly complex geometry and varying gas conditions all across the machine. For this reason, a big effort is currently being made to increase the fidelity of the numerical models during the design and validation phases. Computational Fluid Dynamics (CFD) plays an increasing role in the assessment of the performance prediction of centrifugal compressor stages. Historically, CFD was considered reliable for performance prediction on a qualitatively level, whereas tests were necessary to predict compressors performance on a quantitatively basis. In fact "standard" CFD with only the flow-path and blades included into the computational domain is known to be weak in capturing efficiency level and operating range accurately due to the under-estimation of losses and the lack of secondary flows modeling. This research project aims to fill the gap in accuracy between "standard" CFD and tests data by including a high fidelity reproduction of the gas domain and the use of advanced numerical models and tools introduced in the author's OEM in-house CFD code. In other words, this thesis describes a methodology by which virtual tests can be conducted on single stages and multistage centrifugal compressors in a similar fashion to a typical rig test that guarantee end users to operate machines with a confidence level not achievable before. Furthermore, the new "high fidelity" approach allowed understanding flow phenomena not fully captured before, increasing aerodynamicists capability and confidence in designing high efficiency and high reliable centrifugal compressor stages.