Dalla città alla casa, dalla casa alla città: la mutevole ricerca di un Piano per il ben-essere urbano

La ricerca si propone di definire le linee guida per la stesura di un Piano che si occupi di qualità della vita e di benessere. Il richiamo alla qualità e al benessere è positivamente innovativo, in quanto impone agli organi decisionali di sintonizzarsi con la soggettività attiva dei cittadini e, contemporaneamente, rende evidente la necessità di un approccio più ampio e trasversale al tema della città e di una più stretta relazione dei tecnici/esperti con i responsabili degli organismi politicoamministrativi. La ricerca vuole indagare i limiti dell’urbanistica moderna di fronte alla complessità di bisogni e di nuove necessità espresse dalle popolazioni urbane contemporanee. La domanda dei servizi è notevolmente cambiata rispetto a quella degli anni Sessanta, oltre che sul piano quantitativo anche e soprattutto sul piano qualitativo, a causa degli intervenuti cambiamenti sociali che hanno trasformato la città moderna non solo dal punto di vista strutturale ma anche dal punto di vista culturale: l’intermittenza della cittadinanza, per cui le città sono sempre più vissute e godute da cittadini del mondo (turisti e/o visitatori, temporaneamente presenti) e da cittadini diffusi (suburbani, provinciali, metropolitani); la radicale trasformazione della struttura familiare, per cui la famiglia-tipo costituita da una coppia con figli, solido riferimento per l’economia e la politica, è oggi minoritaria; l’irregolarità e flessibilità dei calendari, delle agende e dei ritmi di vita della popolazione attiva; la mobilità sociale, per cui gli individui hanno traiettorie di vita e pratiche quotidiane meno determinate dalle loro origini sociali di quanto avveniva nel passato; l’elevazione del livello di istruzione e quindi l’incremento della domanda di cultura; la crescita della popolazione anziana e la forte individualizzazione sociale hanno generato una domanda di città espressa dalla gente estremamente variegata ed eterogenea, frammentata e volatile, e per alcuni aspetti assolutamente nuova. Accanto a vecchie e consolidate richieste – la città efficiente, funzionale, produttiva, accessibile a tutti – sorgono nuove domande, ideali e bisogni che hanno come oggetto la bellezza, la varietà, la fruibilità, la sicurezza, la capacità di stupire e divertire, la sostenibilità, la ricerca di nuove identità, domande che esprimono il desiderio di vivere e di godere la città, di stare bene in città, domande che non possono essere più soddisfatte attraverso un’idea di welfare semplicemente basata sull’istruzione, la sanità, il sistema pensionistico e l’assistenza sociale. La città moderna ovvero l’idea moderna della città, organizzata solo sui concetti di ordine, regolarità, pulizia, uguaglianza e buon governo, è stata consegnata alla storia passata trasformandosi ora in qualcosa di assai diverso che facciamo fatica a rappresentare, a descrivere, a raccontare. La città contemporanea può essere rappresentata in molteplici modi, sia dal punto di vista urbanistico che dal punto di vista sociale: nella letteratura recente è evidente la difficoltà di definire e di racchiudere entro limiti certi l’oggetto “città” e la mancanza di un convincimento forte nell’interpretazione delle trasformazioni politiche, economiche e sociali che hanno investito la società e il mondo nel secolo scorso. La città contemporanea, al di là degli ambiti amministrativi, delle espansioni territoriali e degli assetti urbanistici, delle infrastrutture, della tecnologia, del funzionalismo e dei mercati globali, è anche luogo delle relazioni umane, rappresentazione dei rapporti tra gli individui e dello spazio urbano in cui queste relazioni si muovono. La città è sia concentrazione fisica di persone e di edifici, ma anche varietà di usi e di gruppi, densità di rapporti sociali; è il luogo in cui avvengono i processi di coesione o di esclusione sociale, luogo delle norme culturali che regolano i comportamenti, dell’identità che si esprime materialmente e simbolicamente nello spazio pubblico della vita cittadina. Per studiare la città contemporanea è necessario utilizzare un approccio nuovo, fatto di contaminazioni e saperi trasversali forniti da altre discipline, come la sociologia e le scienze umane, che pure contribuiscono a costruire l’immagine comunemente percepita della città e del territorio, del paesaggio e dell’ambiente. La rappresentazione del sociale urbano varia in base all’idea di cosa è, in un dato momento storico e in un dato contesto, una situazione di benessere delle persone. L’urbanistica moderna mirava al massimo benessere del singolo e della collettività e a modellarsi sulle “effettive necessità delle persone”: nei vecchi manuali di urbanistica compare come appendice al piano regolatore il “Piano dei servizi”, che comprende i servizi distribuiti sul territorio circostante, una sorta di “piano regolatore sociale”, per evitare quartieri separati per fasce di popolazione o per classi. Nella città contemporanea la globalizzazione, le nuove forme di marginalizzazione e di esclusione, l’avvento della cosiddetta “new economy”, la ridefinizione della base produttiva e del mercato del lavoro urbani sono espressione di una complessità sociale che può essere definita sulla base delle transazioni e gli scambi simbolici piuttosto che sui processi di industrializzazione e di modernizzazione verso cui era orientata la città storica, definita moderna. Tutto ciò costituisce quel complesso di questioni che attualmente viene definito “nuovo welfare”, in contrapposizione a quello essenzialmente basato sull’istruzione, sulla sanità, sul sistema pensionistico e sull’assistenza sociale. La ricerca ha quindi analizzato gli strumenti tradizionali della pianificazione e programmazione territoriale, nella loro dimensione operativa e istituzionale: la destinazione principale di tali strumenti consiste nella classificazione e nella sistemazione dei servizi e dei contenitori urbanistici. E’ chiaro, tuttavia, che per poter rispondere alla molteplice complessità di domande, bisogni e desideri espressi dalla società contemporanea le dotazioni effettive per “fare città” devono necessariamente superare i concetti di “standard” e di “zonizzazione”, che risultano essere troppo rigidi e quindi incapaci di adattarsi all’evoluzione di una domanda crescente di qualità e di servizi e allo stesso tempo inadeguati nella gestione del rapporto tra lo spazio domestico e lo spazio collettivo. In questo senso è rilevante il rapporto tra le tipologie abitative e la morfologia urbana e quindi anche l’ambiente intorno alla casa, che stabilisce il rapporto “dalla casa alla città”, perché è in questa dualità che si definisce il rapporto tra spazi privati e spazi pubblici e si contestualizzano i temi della strada, dei negozi, dei luoghi di incontro, degli accessi. Dopo la convergenza dalla scala urbana alla scala edilizia si passa quindi dalla scala edilizia a quella urbana, dal momento che il criterio del benessere attraversa le diverse scale dello spazio abitabile. Non solo, nei sistemi territoriali in cui si è raggiunto un benessere diffuso ed un alto livello di sviluppo economico è emersa la consapevolezza che il concetto stesso di benessere sia non più legato esclusivamente alla capacità di reddito collettiva e/o individuale: oggi la qualità della vita si misura in termini di qualità ambientale e sociale. Ecco dunque la necessità di uno strumento di conoscenza della città contemporanea, da allegare al Piano, in cui vengano definiti i criteri da osservare nella progettazione dello spazio urbano al fine di determinare la qualità e il benessere dell’ambiente costruito, inteso come benessere generalizzato, nel suo significato di “qualità dello star bene”. E’ evidente che per raggiungere tale livello di qualità e benessere è necessario provvedere al soddisfacimento da una parte degli aspetti macroscopici del funzionamento sociale e del tenore di vita attraverso gli indicatori di reddito, occupazione, povertà, criminalità, abitazione, istruzione, etc.; dall’altra dei bisogni primari, elementari e di base, e di quelli secondari, culturali e quindi mutevoli, trapassando dal welfare state allo star bene o well being personale, alla wellness in senso olistico, tutte espressioni di un desiderio di bellezza mentale e fisica e di un nuovo rapporto del corpo con l’ambiente, quindi manifestazione concreta di un’esigenza di ben-essere individuale e collettivo. Ed è questa esigenza, nuova e difficile, che crea la diffusa sensazione dell’inizio di una nuova stagione urbana, molto più di quanto facciano pensare le stesse modifiche fisiche della città.

Path planning for image based visual servoing

This thesis deals with Visual Servoing and its strictly connected disciplines like projective geometry, image processing, robotics and non-linear control. More specifically the work addresses the problem to control a robotic manipulator through one of the largely used Visual Servoing techniques: the Image Based Visual Servoing (IBVS). In Image Based Visual Servoing the robot is driven by on-line performing a feedback control loop that is closed directly in the 2D space of the camera sensor. The work considers the case of a monocular system with the only camera mounted on the robot end effector (eye in hand configuration). Through IBVS the system can be positioned with respect to a 3D fixed target by minimizing the differences between its initial view and its goal view, corresponding respectively to the initial and the goal system configurations: the robot Cartesian Motion is thus generated only by means of visual informations. However, the execution of a positioning control task by IBVS is not straightforward because singularity problems may occur and local minima may be reached where the reached image is very close to the target one but the 3D positioning task is far from being fulfilled: this happens in particular for large camera displacements, when the the initial and the goal target views are noticeably different. To overcame singularity and local minima drawbacks, maintaining the good properties of IBVS robustness with respect to modeling and camera calibration errors, an opportune image path planning can be exploited. This work deals with the problem of generating opportune image plane trajectories for tracked points of the servoing control scheme (a trajectory is made of a path plus a time law). The generated image plane paths must be feasible i.e. they must be compliant with rigid body motion of the camera with respect to the object so as to avoid image jacobian singularities and local minima problems. In addition, the image planned trajectories must generate camera velocity screws which are smooth and within the allowed bounds of the robot. We will show that a scaled 3D motion planning algorithm can be devised in order to generate feasible image plane trajectories. Since the paths in the image are off-line generated it is also possible to tune the planning parameters so as to maintain the target inside the camera field of view even if, in some unfortunate cases, the feature target points would leave the camera images due to 3D robot motions. To test the validity of the proposed approach some both experiments and simulations results have been reported taking also into account the influence of noise in the path planning strategy. The experiments have been realized with a 6DOF anthropomorphic manipulator with a fire-wire camera installed on its end effector: the results demonstrate the good performances and the feasibility of the proposed approach.

On Designing Compliant Actuators Based On Dielectric Elastomers

Dielectric Elastomers (DE) are incompressible dielectrics which can experience deviatoric (isochoric) finite deformations in response to applied large electric fields. Thanks to the strong electro-mechanical coupling, DE intrinsically offer great potentialities for conceiving novel solid-state mechatronic devices, in particular linear actuators, which are more integrated, lightweight, economic, silent, resilient and disposable than equivalent devices based on traditional technologies. Such systems may have a huge impact in applications where the traditional technology does not allow coping with the limits of weight or encumbrance, and with problems involving interaction with humans or unknown environments. Fields such as medicine, domotic, entertainment, aerospace and transportation may profit. For actuation usage, DE are typically shaped in thin films coated with compliant electrodes on both sides and piled one on the other to form a multilayered DE. DE-based Linear Actuators (DELA) are entirely constituted by polymeric materials and their overall performance is highly influenced by several interacting factors; firstly by the electromechanical properties of the film, secondly by the mechanical properties and geometry of the polymeric frame designed to support the film, and finally by the driving circuits and activation strategies. In the last decade, much effort has been focused in the devolvement of analytical and numerical models that could explain and predict the hyperelastic behavior of different types of DE materials. Nevertheless, at present, the use of DELA is limited. The main reasons are 1) the lack of quantitative and qualitative models of the actuator as a whole system 2) the lack of a simple and reliable design methodology. In this thesis, a new point of view in the study of DELA is presented which takes into account the interaction between the DE film and the film supporting frame. Hyperelastic models of the DE film are reported which are capable of modeling the DE and the compliant electrodes. The supporting frames are analyzed and designed as compliant mechanisms using pseudo-rigid body models and subsequent finite element analysis. A new design methodology is reported which optimize the actuator performances allowing to specifically choose its inherent stiffness. As a particular case, the methodology focuses on the design of constant force actuators. This class of actuators are an example of how the force control could be highly simplified. Three new DE actuator concepts are proposed which highlight the goodness of the proposed method.

Wireless Networks for Body-Centric Communications

Progress in miniaturization of electronic components and design of wireless systems paved the way towards ubiquitous and pervasive communications, enabling anywhere and anytime connectivity. Wireless devices present on, inside, around the human body are becoming commonly used, leading to the class of body-centric communications. The presence of the body with all its peculiar characteristics has to be properly taken into account in the development and design of wireless networks in this context. This thesis addresses various aspects of body-centric communications, with the aim of investigating network performance achievable in different scenarios. The main original contributions pertain to the performance evaluation for Wireless Body Area Networks (WBANs) at the Medium Access Control layer: the application of Link Adaptation to these networks is proposed, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance algorithms used for WBAN are extensively investigated, coexistence with other wireless systems is examined. Then, an analytical model for interference in wireless access network is developed, which can be applied to the study of communication between devices located on humans and fixed nodes of an external infrastructure. Finally, results on experimental activities regarding the investigation of human mobility and sociality are presented.

A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the Basis of Stiffness and Stress Characteristics

Geometric nonlinearities of flexure hinges introduced by large deflections often complicate the analysis of compliant mechanisms containing such members, and therefore, Pseudo-Rigid-Body Models (PRBMs) have been well proposed and developed by Howell [1994] to analyze the characteristics of slender beams under large deflection. These models, however, fail to approximate the characteristics for the deep beams (short beams) or the other flexure hinges. Lobontiu's work [2001] contributed to the diverse flexure hinge analysis building on the assumptions of small deflection, which also limits the application range of these flexure hinges and cannot analyze the stiffness and stress characteristics of these flexure hinges for large deflection. Therefore, the objective of this thesis is to analyze flexure hinges considering both the effects of large-deflection and shear force, which guides the design of flexure-based compliant mechanisms. The main work conducted in the thesis is outlined as follows. 1. Three popular types of flexure hinges: (circular flexure hinges, elliptical flexure hinges and corner-filleted flexure hinges) are chosen for analysis at first. 2. Commercial software (Comsol) based Finite Element Analysis (FEA) method is then used for correcting the errors produced by the equations proposed by Lobontiu when the chosen flexure hinges suffer from large deformation. 3. Three sets of generic design equations for the three types of flexure hinges are further proposed on the basis of stiffness and stress characteristics from the FEA results. 4. A flexure-based four-bar compliant mechanism is finally studied and modeled using the proposed generic design equations. The load-displacement relationships are verified by a numerical example. The results show that a maximum error about the relationship between moment and rotation deformation is less than 3.4% for a flexure hinge, and it is lower than 5% for the four-bar compliant mechanism compared with the FEA results.

Nonlinear Control of Magnetically Actuated Spacecraft

The topic of this thesis is the feedback stabilization of the attitude of magnetically actuated spacecraft. The use of magnetic coils is an attractive solution for the generation of control torques on small satellites flying inclined low Earth orbits, since magnetic control systems are characterized by reduced weight and cost, higher reliability, and require less power with respect to other kinds of actuators. At the same time, the possibility of smooth modulation of control torques reduces coupling of the attitude control system with flexible modes, thus preserving pointing precision with respect to the case when pulse-modulated thrusters are used. The principle based on the interaction between the Earth's magnetic field and the magnetic field generated by the set of coils introduces an inherent nonlinearity, because control torques can be delivered only in a plane that is orthogonal to the direction of the geomagnetic field vector. In other words, the system is underactuated, because the rotational degrees of freedom of the spacecraft, modeled as a rigid body, exceed the number of independent control actions. The solution of the control issue for underactuated spacecraft is also interesting in the case of actuator failure, e.g. after the loss of a reaction-wheel in a three-axes stabilized spacecraft with no redundancy. The application of well known control strategies is no longer possible in this case for both regulation and tracking, so that new methods have been suggested for tackling this particular problem. The main contribution of this thesis is to propose continuous time-varying controllers that globally stabilize the attitude of a spacecraft, when magneto-torquers alone are used and when a momentum-wheel supports magnetic control in order to overcome the inherent underactuation. A kinematic maneuver planning scheme, stability analyses, and detailed simulation results are also provided, with new theoretical developments and particular attention toward application considerations.

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.