Design and Control of Robotic Hands

The application of dexterous robotic hands out of research laboratories has been limited by the intrinsic complexity that these devices present. This is directly reflected as an economically unreasonable cost and a low overall reliability. Within the research reported in this thesis it is shown how the problem of complexity in the design of robotic hands can be tackled, taking advantage of modern technologies (i.e. rapid prototyping), leading to innovative concepts for the design of the mechanical structure, the actuation and sensory systems. The solutions adopted drastically reduce the prototyping and production costs and increase the reliability, reducing the number of parts required and averaging their single reliability factors. In order to get guidelines for the design process, the problem of robotic grasp and manipulation by a dual arm/hand system has been reviewed. In this way, the requirements that should be fulfilled at hardware level to guarantee successful execution of the task has been highlighted. The contribution of this research from the manipulation planning side focuses on the redundancy resolution that arise in the execution of the task in a dexterous arm/hand system. In literature the problem of coordination of arm and hand during manipulation of an object has been widely analyzed in theory but often experimentally demonstrated in simplified robotic setup. Our aim is to cover the lack in the study of this topic and experimentally evaluate it in a complex system as a anthropomorphic arm hand system.

Modelli Digitali e Archivi di Progetto. Sistemi integrati di documentazione per l'architettura.

Le tecniche dell'informazione e i metodi della comunicazione hanno modificato il modo di redigere documenti destinati a trasmettere la conoscenza, in un processo che è a tutt'oggi in corso di evoluzione. Anche l'attività progettuale in ingegneria ed architettura, pure in un settore caratterizzato da una notevole inerzia metodologica e restio all'innovazione quale è quello dell'industria edilizia, ha conosciuto profonde trasformazioni in ragione delle nuove espressioni tecnologiche. Da tempo l'informazione necessaria per realizzare un edificio, dai disegni che lo rappresentano sino ai documenti che ne indicano le modalità costruttive, può essere gestita in maniera centralizzata mediante un unico archivio di progetto denominato IPDB (Integrated Project DataBase) pur essendone stata recentemente introdotta sul mercato una variante più operativa chiamata BIM (Building Information Modelling). Tuttavia l'industrializzazione del progetto che questi strumenti esplicano non rende conto appieno di tutti gli aspetti che vedono la realizzazione dell'opera architettonica come collettore di conoscenze proprie di una cultura progettuale che, particolarmente in Italia, è radicata nel tempo. La semantica della rappresentazione digitale è volta alla perequazione degli elementi costitutivi del progetto con l'obiettivo di catalogarne le sole caratteristiche fabbricative. L'analisi della letteratura scientifica pertinente alla materia mostra come non sia possibile attribuire ai metodi ed ai software presenti sul mercato la valenza di raccoglitori omnicomprensivi di informazione: questo approccio olistico costituisce invece il fondamento della modellazione integrata intesa come originale processo di rappresentazione della conoscenza, ordinata secondo il paradigma delle "scatole cinesi", modello evolvente che unifica linguaggi appartenenti ai differenti attori compartecipanti nei settori impiantistici, strutturali e della visualizzazione avanzata. Evidenziando criticamente i pregi e i limiti operativi derivanti dalla modellazione integrata, la componente sperimentale della ricerca è stata articolata con l'approfondimento di esperienze condotte in contesti accademici e professionali. Il risultato conseguito ha coniugato le tecniche di rilevamento alle potenzialità di "modelli tridimensionali intelligenti", dotati cioè di criteri discriminanti per la valutazione del relazionamento topologico dei componenti con l'insieme globale.

I progetti di Oswald Mathias Ungers per la città di Treviri. Questioni di composizione architettonica

Abstract This PhD thesis focuses on two projects carried out by Oswald Mathias Ungers in the city of Trier. More specifi cally, this study focuses on the relationship between composition principles, architectural forms, historical context and the nature of the city where these buildings have been built. The works carried out by Ungers in Trier are unique experiences - if taken in this master’s works context - and each one of them refl ects - in its specifi c project and architectural composition theme - the results - in terms of design - of a complex research on the fundamentals of architecture carried out by Ungers in more than fi ve decades of his activity. The theoretical and compositional experiment aspect is one of the main subjects to defi ne these buildings in terms of architecture. This aspect is so crucial that it is possible to consider them as an example of radical and specifi c experiences, referred to a specifi c place and based on a specifi c theoretical corpus. More specifi cally, this study focuses on the design activity carried out by Ungers in this city, mainly between the 80s and 90s and in the fi rst decade of the 21st century. It puts forward an interpretation that does not only defi ne the essential features, elements and questions lying behind these two architectures, but fi rst and foremost analyzes the theoretical, methodological and compositional relationship between Ungers and Trier, his adopted city. An increasingly closer relationship between the architect and his city highlights the wider relationship network established between the place and the projects carried out by Ungers in this city and makes it possible to understand the importance of Trier in the work of this architect, in his education and in his way to see, think and make architecture. The projects analyzed - the Thermen am Forum Museum (1988-1996) and the Kaiserthermen entrance hall (2003-2007) - were analyzed in terms of their architectural composition in an attempt to highlight the poetry of these architectures and to fi nd out their progressive, rational - and therefore transmissible - character. This study is an attempt to assess and unveil the compositional themes characterizing these projects while detecting the compositional principles lying behind the works and verifying the design process through which such principles were translated into architecture. Looking at these works as architectural composition examples makes it possible to clarify Ungers’ hermeneutic relationship established with the city’s history and structure. More specifi cally, the main subject of this thesis is the relationship between the architect, his city and history in the architectural solutions offered by two exemplary case studies, which were both built and placed in the historical city center of Trier and both connected with the ancient core of the city. The Thermen am Forum Museum and the Kaiserthermen entrance hall projects are - though being developed at different times of Ungers’ architectural life and though being extremely different in terms of approach to their context, due to their architectural image - two works that can be compared with the historical heritage of the city and this makes them ideal examples of the relationship between architectural forms, history and environment.

Sistemi tecnologici innovativi di involucro per il recupero del patrimonio edilizio recente. L'edilizia scolastica nel Comune di Bologna

La ricerca è volta a presentare un nuovo approccio integrato, a supporto di operatori e progettisti, per la gestione dell’intero processo progettuale di interventi di riqualificazione energetica e architettonica del patrimonio edilizio recente, mediante l’impiego di soluzioni tecnologiche innovative di involucro edilizio. Lo studio richiede necessariamente l’acquisizione di un repertorio selezionato di sistemi costruttivi di involucro, come base di partenza per l’elaborazione di soluzioni progettuali di recupero delle scuole appartenenti al secondo dopoguerra, in conglomerato cementizio armato, prevalentemente prefabbricate. Il progetto individua procedimenti costruttivi ecocompatibili per la progettazione di componenti prefabbricati di involucro “attivo”, adattabile ed efficiente, da assemblare a secco, nel rispetto dei requisiti prestazionali richiesti dalle attuali normative. La ricerca è finalizzata alla gestione dell’intero processo, supportato da sistemi di rilevazione geometrica, collegati a software di programmazione parametrica per la modellazione di superfici adattabili alla morfologia dei fabbricati oggetto di intervento. Tali strumenti informatizzati CAD-CAM sono connessi a macchine a controllo numerico CNC per la produzione industrializzata degli elementi costruttivi “su misura”. A titolo esemplificativo dell’approccio innovativo proposto, si formulano due possibili soluzioni di involucro in linea con i paradigmi della ricerca, nel rispetto dei principi di sostenibilità, intesa come modularità, rapidità di posa, reversibilità, recupero e riciclo di materiali. In particolare, le soluzioni innovative sono accomunate dall’applicazione di una tecnica basata sull’assemblaggio di elementi prefabbricati, dall’adozione di una trama esagonale per la tassellazione della nuova superficie di facciata, e dall’utilizzo del medesimo materiale termico isolante, plastico e inorganico, riciclato ed ecosostenibile, a basso impatto ambientale (AAM - Alkali Activated Materials). Le soluzioni progettuali proposte, sviluppate presso le due sedi coinvolte nella cotutela (Università di Bologna, Université Paris-Est) sono affrontate secondo un protocollo scientifico che prevede: progettazione del sistema costruttivo, analisi meccanica e termica, sperimentazione costruttiva, verifica delle tecniche di messa in opera e dei requisiti prestazionali.

Ragnar Östberg. Genius loci e memorie urbane. Stockholms Stadshuset-Nämndhuset e villa Geber

La ricerca si propone di analizzare una di quelle stagioni architettoniche controverse e lontane dalle internazionali strade maestre del nascente Neues Bauen: il romanticismo-nazionale svedese riletto attraverso l’esperienza del suo massimo esponente, Ragnar Östberg (1866-1945). L’obiettivo della tesi non è solamente quello di una revisione della critica storiografica, facendo così luce su una di quelle personalità considerate marginali, quanto quello di ricavare dalla lettura comparata di due tra i suoi progetti, fino ad ora mai indagati, quegli elementi che fanno dell’architettura un “fatto urbano” in cui la collettività può riconoscersi e parallelamente un fatto di rappresentazione della stessa. L’arcipelago di Stoccolma e quel processo di “renovatio urbis” a cui fu sottoposta proprio agli albori del XX secolo furono gli scenari in cui presero vita i due progetti: il complesso formato dallo Stockholms Stadshuset e la vicina parte mai realizzata del Nämndhuset, e villa Geber. Condensano due dimensioni che la città immersa nel paesaggio contiene: la natura urbana dell’edificio municipale e quella domestica della villa urbana isolata. La ricerca intesse un itinerario di disvelamento attraverso una matrice duale di lettura: “genius loci” e memorie urbane. I capitoli cercano di dimostrare come i due casi-studio siano espressione di quella pendolarità di ricerca tra lo spirito del luogo e le rimembranze delle forme urbane della tradizione. Questa analisi ci conduce in un viaggio alla ricerca dell’atlante delle “memorie urbane”, raccolte nei viaggi e nella formazione, comprendendo così il mondo analogico di riferimenti culturali con altre architetture europee della tradizione. I due progetti sorgono in opposte aree di espansione di Stoccolma e, pur nella loro diversità di scala, sono chiara espressione di appropriatezza al luogo e di strutture formali analoghe. Stockholm Stadshuset-Nämndhuset e villa Geber esprimono il metodo di Östberg, dove i riferimenti raccolti dall’imagination passive sono tramutati ed assemblati grazie alla imagination active.

1945-1973. Il museo monumento dei BBPR a carpi. Il campo politico e culturale di una architettura in memoria della deportazione politica e razziale

Il Museo Monumento al Deportato politico e razziale nel Castello dei Pio a Carpi (MO), a pochi passi dal Campo nazionale della deportazione razziale e politica di Fossoli, è il risultato di un concorso pubblico nazionale bandito nel 1963, frutto dell’impegno civile tra istituzioni, associazioni e intellettuali. Tra questi il gruppo BBPR il quale, in collaborazione con l’artista Renato Guttuso, si aggiudicheranno la vittoria del concorso. Il progetto vincitore, pur apportando alcune modifiche in fase di realizzazione, manterrà la sua impostazione antiretorica, utilizzando un linguaggio rigoroso e astratto. Partendo dalle caratteristiche che rendono quest’opera una struttura unica nel suo genere, obiettivo principale di questa ricerca di Dottorato è quello di restituire una genealogia del Museo Monumento al Deportato politico e razziale dei BBPR, ricostruendo il quadro culturale e politico italiano nel lasso di tempo che intercorre dalla fine della Seconda Guerra Mondiale (1945) e l’anno della sua inaugurazione (1973). Tale approccio metodologico scelto costituisce l’aspetto di novità della ricerca: un punto di vista ancora inedito con cui guardare il Museo-Monumento, differenziandosi, così, dalle più recenti pubblicazioni sullo stesso, le quali si concentrano soprattutto sulle logiche progettuali del Museo. In conclusione, lo scopo di questa tesi è quella di dare una nuova chiave interpretativa al Museo, che sia non solo un arricchimento alla sua conoscenza ma che, altresì, attesti l’esistenza di un’identità, altrettanto unica e irripetibile, della memoria della deportazione nella cultura architettonica italiana presa in esame, frutto di una “cultura condivisa” tra architetti, artisti, scrittori, politici e intellettuali, accumunati dalle tragiche vicende che in quest’opera si vogliono narrare.

Mars delivery service - development of the electro-mechanical systems of the Sample Fetch Rover for the Mars Sample Return Campaign

This thesis describes the development of the Sample Fetch Rover (SFR), studied for Mars Sample Return (MSR), an international campaign carried out in cooperation between the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the European Space Agency (ESA). The focus of this document is the design of the electro-mechanical systems of the rover. After placing this work into the general context of robotic planetary exploration and summarising the state of the art for what concerns Mars rovers, the architecture of the Mars Sample Return Campaign is presented. A complete overview of the current SFR architecture is provided, touching upon all the main subsystems of the spacecraft. For each area, it is discussed what are the design drivers, the chosen solutions and whether they use heritage technology (in particular from the ExoMars Rover) or new developments. This research focuses on two topics of particular interest, due to their relevance for the mission and the novelty of their design: locomotion and sample acquisition, which are discussed in depth. The early SFR locomotion concepts are summarised, covering the initial trade-offs and discarded designs for higher traverse performance. Once a consolidated architecture was reached, the locomotion subsystem was developed further, defining the details of the suspension, actuators, deployment mechanisms and wheels. This technology is presented here in detail, including some key analysis and test results that support the design and demonstrate how it responds to the mission requirements. Another major electro-mechanical system developed as part of this work is the one dedicated to sample tube acquisition. The concept of operations of this machinery was defined to be robust against the unknown conditions that characterise the mission. The design process led to a highly automated robotic system which is described here in its main components: vision system, robotic arm and tube storage.

Investigating the learning potential of the Second Quantum Revolution: development of an approach for secondary school students

In recent years we have witnessed important changes: the Second Quantum Revolution is in the spotlight of many countries, and it is creating a new generation of technologies. To unlock the potential of the Second Quantum Revolution, several countries have launched strategic plans and research programs that finance and set the pace of research and development of these new technologies (like the Quantum Flagship, the National Quantum Initiative Act and so on). The increasing pace of technological changes is also challenging science education and institutional systems, requiring them to help to prepare new generations of experts. This work is placed within physics education research and contributes to the challenge by developing an approach and a course about the Second Quantum Revolution. The aims are to promote quantum literacy and, in particular, to value from a cultural and educational perspective the Second Revolution. The dissertation is articulated in two parts. In the first, we unpack the Second Quantum Revolution from a cultural perspective and shed light on the main revolutionary aspects that are elevated to the rank of principles implemented in the design of a course for secondary school students, prospective and in-service teachers. The design process and the educational reconstruction of the activities are presented as well as the results of a pilot study conducted to investigate the impact of the approach on students' understanding and to gather feedback to refine and improve the instructional materials. The second part consists of the exploration of the Second Quantum Revolution as a context to introduce some basic concepts of quantum physics. We present the results of an implementation with secondary school students to investigate if and to what extent external representations could play any role to promote students’ understanding and acceptance of quantum physics as a personal reliable description of the world.

Thermal and air quality modeling of an electric vehicle cabin with low-cost sensors and reinforcement learning

The design process of any electric vehicle system has to be oriented towards the best energy efficiency, together with the constraint of maintaining comfort in the vehicle cabin. Main aim of this study is to research the best thermal management solution in terms of HVAC efficiency without compromising occupant’s comfort and internal air quality. An Arduino controlled Low Cost System of Sensors was developed and compared against reference instrumentation (average R-squared of 0.92) and then used to characterise the vehicle cabin in real parking and driving conditions trials. Data on the energy use of the HVAC was retrieved from the car On-Board Diagnostic port. Energy savings using recirculation can reach 30 %, but pollutants concentration in the cabin builds up in this operating mode. Moreover, the temperature profile appeared strongly nonuniform with air temperature differences up to 10° C. Optimisation methods often require a high number of runs to find the optimal configuration of the system. Fast models proved to be beneficial for these task, while CFD-1D model are usually slower despite the higher level of detail provided. In this work, the collected dataset was used to train a fast ML model of both cabin and HVAC using linear regression. Average scaled RMSE over all trials is 0.4 %, while computation time is 0.0077 ms for each second of simulated time on a laptop computer. Finally, a reinforcement learning environment was built in OpenAI and Stable-Baselines3 using the built-in Proximal Policy Optimisation algorithm to update the policy and seek for the best compromise between comfort, air quality and energy reward terms. The learning curves show an oscillating behaviour overall, with only 2 experiments behaving as expected even if too slow. This result leaves large room for improvement, ranging from the reward function engineering to the expansion of the ML model.

Architettura urbana, gender mainstreaming e l’impatto del femminismo

Questo lavoro di tesi esplora i possibili sviluppi di un'architettura urbana sensibile alle questioni di genere, sotto un prisma femminista intersezionale. Dalla fine degli anni '90, le sperimentazioni in questa direzione hanno cominciato a farsi sempre più numerose, a cominciare dall'esempio pionieristico di Vienna, divenuta città di riferimento per eccellenza. Questa tesi è particolarmente interessata ai progetti sperimentali di Parigi, pur mantenendo una visione comparativa con progetti in altre città europee. In quanto approcci che influenzano l'architettura urbana, vengono esplorati anche le politiche pubbliche e l'attivismo, a livello francese e italiano. Il loro contributo evidenzia il potenziale di reinvenzione simbolica e materiale dell'architettura urbana, passando dal sistema eteropatriarcale verso una maggiore inclusione e giustizia spaziale. Gli interrogativi principali di questo lavoro si basano sull'influenza delle teorie femministe nella pratica professionale di architette·i e urbaniste·i, sul loro ruolo nella trasformazione degli approcci alla città e alla pianificazione urbana, nonché nella trasformazione dell'estetica architettonica e urbana. Attraverso un approccio metodologico situato, riflessivo e interdisciplinare, derivante dalle discipline dell'architettura e dell'urbanistica, il fieldwork svolto ha avuto l'obiettivo di ricercare tendenze, evoluzioni e costanti nei progetti di architettura urbana di genere. Tenendo conto dell'evoluzione temporale delle mentalità sul genere e della consapevolezza sempre più profonda delle questioni femministe, questa tesi assume un approccio critico al Gender Mainstreaming. In aggiunta al pdf della tesi è presente un documento riassuntivo in lingua italiana.

At the intersection of Behavioural Economics, Nudging and Regulation: Rethinking the process of nudge design for regulation

Alongside the developments in behavioural economics, the concept of nudge was introduced as an intervention able to guide individual behaviour towards better choices without using coercion or incentives. While behavioural teams were created inside governmental units and regulatory authorities, nudging emerged in regulatory discourse, being increasingly regarded as a regulatory instrument that could overcome the disadvantages of other tools. This thesis analyses the viability of incorporating nudges into regulation. In particular, it investigates the implications for regulators of bringing iterative experimental testing – a widespread nudge design methodology outside regulation – into their own design practices. Nudges outside regulation are routinely designed using experiments of all kinds. This thesis intends to answer whether design premises rooted in iterative experimentation are still valid in the regulatory space, an arena that nudging entered into and that is distinct from the one where it originally emerged. The design and provision of nudges using the premises of iterative experimental testing is possible, but at a cost and burden for regulatory nudge designers. Therefore, the thesis evaluates how this burden can be reduced, in particular how nudges can be feasibly designed and provided through regulation or, put differently, how to more efficiently design and provide nudging as a regulatory tool.

Design and testing of innovative, artificial intelligence-based techniques to model and control the combustion process and to reduce the Co2 emissions in modern, high-performance, gasoline direct injection engines

This work deals with the development of calibration procedures and control systems to improve the performance and efficiency of modern spark ignition turbocharged engines. The algorithms developed are used to optimize and manage the spark advance and the air-to-fuel ratio to control the knock and the exhaust gas temperature at the turbine inlet. The described work falls within the activity that the research group started in the previous years with the industrial partner Ferrari S.p.a. . The first chapter deals with the development of a control-oriented engine simulator based on a neural network approach, with which the main combustion indexes can be simulated. The second chapter deals with the development of a procedure to calibrate offline the spark advance and the air-to-fuel ratio to run the engine under knock-limited conditions and with the maximum admissible exhaust gas temperature at the turbine inlet. This procedure is then converted into a model-based control system and validated with a Software in the Loop approach using the engine simulator developed in the first chapter. Finally, it is implemented in a rapid control prototyping hardware to manage the combustion in steady-state and transient operating conditions at the test bench. The third chapter deals with the study of an innovative and cheap sensor for the in-cylinder pressure measurement, which is a piezoelectric washer that can be installed between the spark plug and the engine head. The signal generated by this kind of sensor is studied, developing a specific algorithm to adjust the value of the knock index in real-time. Finally, with the engine simulator developed in the first chapter, it is demonstrated that the innovative sensor can be coupled with the control system described in the second chapter and that the performance obtained could be the same reachable with the standard in-cylinder pressure sensors.