Il senso di presenza nelle realtà virtuali vissute tramite HMD: l'interazione e le interfacce

Grazie alla crescente evoluzione tecnologica è oggi possibile, tramite Head Mounted Display (HMD), vivere una realtà virtuale ricca nei dettagli, interattiva ed immersiva. L’avanzamento in questo settore ha infatti portato a una vera e propria rivoluzione, aprendo la possibilità di utilizzare questa tecnologia in molteplici ambiti. L’ostacolo riscontrato è che a un progresso di tale entità non si associa un adeguato aggiornamento e perfezionamento riguardo alle metodologie di interazione con oggetti 3D, dell’utilizzo di interfacce grafiche e del generale design ambientale. La diretta conseguenza di questo mancato aggiornamento è quella di indebolire o addirittura annullare l’effetto presenza dell'HMD, requisito indispensabile che consente all’utente di immergersi sensorialmente nel contesto simulato. L’obiettivo di questo studio consiste nel comprendere cosa è necessario tenere in considerazione e quali regole vanno cambiate per poter mantenere un'alta sensazione di presenza per l'utente all’interno di una realtà virtuale. A questo scopo è stato creato un ambiente virtuale 3D in grado di supportare l'utilizzo di un HMD, l'Oculus Rift, e di diversi dispositivi di input in grado di consentire controllo tramite movimenti naturali, il Razer Hydra ed il Leap Motion, in modo da poter effettuare un'analisi diretta sul livello del fattore presenza percepito nell'effettuare diverse interazioni con l'ambiente virtuale e le interfacce grafiche attraverso questi dispositivi. Questa analisi ha portato all'individuazione di molteplici aspetti in queste tipologie di interazioni e di design di intrefacce utente che, pur essendo di uso comune negli ambienti 3D contemporanei, se vissuti in un contesto di realtà virtuale non risultano più funzionali e indeboliscono il senso di presenza percepito dall'utente. Per ognuno di questi aspetti è stata proposta ed implementata una soluzione alternativa (basata su concetti teorici quali Natural Mapping, Diegesis, Affordance, Flow) in grado di risultare funzionale anche in un contesto di realtà virtuale e di garantire una forte sensazione di presenza all'utente. Il risultato finale di questo studio sono quindi nuovi metodi di design di ambienti virtuali per realtà aumentata. Questi metodi hanno permesso la creazione di un ambiente virtuale 3D pensato per essere vissuto tramite HMD dove l'utente è in grado di utilizzare movimenti naturali per interagire con oggetti 3D ed operare interfacce grafiche.

Un sistema intelligente per la riabilitazione cognitiva nella sclerosi multipla

La riabilitazione cognitiva si occupa di rimediare o alleviare i deficit cognitivi risultanti da traumi dovuti a lesioni cerebrali, come quelli indotti dalla sclerosi multipla. L'obiettivo è proporre un sistema per fornire un supporto alla riabilitazione individuale e di gruppo della sclerosi multipla, mediante un meccanismo di avanzamento automatico di difficoltà degli esercizi di riabilitazione, e strumenti di controllo dinamico delle sessioni.

Risposta della taxocenosi ad Arpacticoidi lungo un gradiente di acidificazione (Castello Aragonese, Ischia)

Recentemente molti studi in ambiente marino sono stati focalizzati sui possibili impatti dovuti alle variazioni del pH degli oceani, causato dall’aumento delle immissioni di CO2 nell’atmosfera. Tra i possibili effetti nocivi, l’acidificazione oceanica può indurre cambiamenti nelle abbondanze e nelle distribuzioni delle engeneer species, con conseguenti ripercussioni sulla fauna associata. Esempio tipico di engeneer species sono le macroalghe che sono capaci di creare, lungo le coste rocciose, habitat diversi a seconda della specie che riesce ad attecchire. Tra le specie animali che dominano in questi habitat troviamo i copepodi Arpacticoidi, piccoli crostacei che svolgono un ruolo chiave all’interno delle reti trofiche. Per questi motivi lo scopo di questo lavoro è valutare possibili effetti dell’acidificazione sulle taxocenosi a copepodi Arpacticoidi associate alle macroalghe. Lo studio è stato svolto ad Ischia, nella zona nei pressi del Castello Aragonese, dove vi sono dei vents di origine vulcanica che emettono CO2 e formano un gradiente naturale di acidificazione lungo un’area di circa 300m, suddivisibile in 3 stazioni a differenti valori medi di pH. L’analisi delle taxocenosi è stata svolta a livello di generi e famiglie di Arpacticoidi, in termini di abbondanze e di struttura di comunità, su differenti specie algali raccolte lungo il gradiente di acidificazione. Mentre non si notano differenze significative per le famiglie, la struttura di comunità analizzata a livello di generi di copepodi Arpacticoidi mostra una suddivisione in due comunità ben distinte, delle quali una appartenente alla stazione acidificata e un'altra alle stazioni di controllo e moderatamente acidificata. Tale suddivisione si conferma anche prendendo in considerazione la diversa complessità strutturale delle alghe. Per quanto riguarda le abbondanze, sia a livello di famiglie che di generi, queste mostrano generalmente valori più elevati nella stazione moderatamente acidificata e valori più bassi nella stazione più acidificata. C’è però da considerare che se non si tiene conto della complessità algale queste differenze sono significative per le famiglie Ectinosomatidae, Thalestridae e per il genere Dactylopusia, mentre, se si tiene conto della complessità algale, vi sono differenze significative per la famiglia Miraciidae e per i generi Amonardia e Dactylopusia. In definitiva questo studio sembrerebbe evidenziare che le taxocenosi a copepodi Arpacticoidi siano influenzate sia dalla differente complessità algale, che dall’acidificazione oceanica. Inoltre mostra che, in prospettiva di studi futuri, potrebbe essere necessario focalizzarsi su specie algali ben definite e su un'analisi tassonomica dei copepodi Arpacticoidi approfondita fino al livello di specie.

Stato dell'arte della progettazione automatica di programmi per robot

La comprensione delle proprietà e delle meccaniche di funzionamento dei sistemi complessi e dinamici che ci circondano è uno degli obiettivi principali delle discipline ingegneristiche e scientifiche. Lo sviluppo nel campo dell'Intelligenza Artificiale ha permesso la creazione di entità robotiche sempre più intelligenti, in grado di manifestare comportamenti notevoli e di raggiungere gli obiettivi prefissati: la progettazione di software di controllo ha velocemente ricevuto una crescente responsabilità. Questo elaborato si propone di inquadrare in generale la situazione della progettazione di software di controllo robotici, focalizzandosi in particolare sulle tecniche di progettazione automatica di programmi per robot: dopo aver inquadrato il background su cui si basa la progettazione automatica ed aver mostrato una panoramica dei principali metodi di progettazione diretta, vengono elencate e spiegate le tecniche più utilizzate ed interessanti della progettazione automatica di programmi per robot.

Passive based control on a kuka arm

L'interazione in maniera sicura e compliante è una caratteristica sempre più richiesta per i sistemi robotici. La modellazione di sistemi eseguita tramite l'uso di sistemi port-Hamiltoninani permette di comprendere cosa avviene a livello energetico durante l'interazione e aiuta nella progettazinoe di un controllore tale che il comportamento del sistema controllato sia passivo e sicuro durante essa. Ciò sfocia nel cosiddetto Controllore Intrinsicamente Passivo (IPC). Dal momento che questo un controllo impone la rigidezza desiderata al sistema controllato, è possibile, tra le altre cose, replicare il comportamento del dispositivo RCC (Centro Remoto di Complianza) e di migliorarlo in modo tale che durante l'azione di peg-in-hole il buco sia meno sollecitato dal robot.

Applicazione del linguaggio ad agenti Jason per la programmazione di alto livello di robot

I sistemi software rivestono nel campo dell'informatica un ruolo di fondamentale importanza. Negli ultimi anni una caratteristica richiesta ai sistemi è la decentralizzazione del controllo, nell'ottica di un sistema visto come connessioni di parti che possono interagire, e dove ciascuna parte possiede un certo grado di autonomia nella scelta delle attività che devono essere compiute. In tale contesto si introduce il paradigma degli agenti, in quanto include sia aspetti relativi ai modelli computazionali, sia aspetti relativi ai linguaggi. Nella tesi si esplora l'applicazione del linguaggio di programmazione Jason applicato alla programmazione dei controllori di robot. In particolare, si esplora ciò che riguarda il comportamento individuale dell'agente.

Evoluzione di un sistema di automazione della guida di motoveicoli per test su banco a rulli

Evoluzione di un sistema Hardware in the Loop per l'automazione della guida di motoveicoli su banco a rulli. Questo sistema HIL, simulando un certo tipo di condizioni, permette di svolgere test su strategia centralina, implementate per il controllo motore.

Ingegnerizzazione di RBAC-MAS in TuCSoN

L'obiettivo della tesi è la creazione di un'infrastruttura di tipo RBAC (Role Based Access Control), adibita al controllo degli accessi all'interno del linguaggio di coordinazione TuCSoN. Il punto di partenza si basa sull'analisi del lavoro sviluppato dall'Ing. Galassi: "Modello di sicurezza e controllo di accesso in una infrastruttura di coordinazione: architettura e implementazione". Usando questa come base teorica di partenza, si sono estrapolati i concetti chiave e si è data vita ad un'implementazione funzionante e di semplice utilizzo di RBAC in TuCSoN.

Energy management system: Progettazione e sviluppo di uno strumento di stima e analisi di variabili energetiche

Questo elaborato di tesi è nato con l'esigenza di sviluppare un nuovo modulo per la stima di variabili energetiche da inserire nel software On.Energy, per dare la possibilità a tutti gli utilizzatori di capire quanto i valori osservati nella realtà si discostino da un modello teorico appositamente creato, e fornire quindi un ulteriore strumento di analisi per mantenere sotto controllo il sistema nell'ottica del miglioramento continuo. Il risultato sarà uno strumento che verrà provato in via sperimentale sugli stabilimenti di due aziende leader in Italia in settori produttivi largamente differenti (Amadori - alimentare, Pfizer - farmaceutico), ma accomunati dalle esigenze di monitorare, analizzare e efficientare i consumi energetici.

Studio di un azionamento brushless di tipo predittivo per la trazione in un veicolo elettrico ibrido

Nel campo dell’automotive, negli ultimi anni, gli sviluppi sono stati consistenti: infatti sono state introdotte sul mercato molte novità, tra le quali vetture con propulsione elettrica o ibrida. Il controllo del motore termico durante il moto è studiato da moltissimi anni, mentre il controllo di un motore elettrico è tuttora in fase di continua ricerca e sviluppo. Infatti, con l’introduzione di tecniche vettoriali, si sono ottenuti notevoli miglioramenti a livello di qualità di utilizzo del motore elettrico stesso. In particolare, l’introduzione di un nuovo metodo di controllo che prende il nome di “controllo predittivo” cerca di ottimizzare ulteriormente la propulsione elettrica. Oggetto di studio in questa tesi è il controllo predittivo implementato per la regolazione delle correnti di statore in un motore brushless. Dopo una presentazione di carattere generale, che spazia dalle tipologie di vetture elettriche alle batterie utilizzate a bordo, passando dai vari tipi di propulsori elettrici verosimilmente utilizzabili, viene descritto, a livello teorico, il sistema utilizzato nelle simulazioni in questa tesi, prestando particolare attenzione alla macchina sincrona brushless a magneti permanenti ed al suo controllo vettoriale oltre che alla tecnica per un corretto deflussaggio. Successivamente sono descritti il controllo predittivo di corrente utilizzato nelle simulazioni, con un occhio di riguardo alla compensazione del ritardo di calcolo necessario per ottimizzare ulteriormente il controllo del motore di trazione elettrico, e la modellizzazione del veicolo elettrico ibrido in ambiente Simulink di Matlab, rimandando alle Appendici A e B per la eventuale consultazione dei codici implementati. Infine sono presentati i risultati ottenuti con vari tipi di prove per verificare se effettivamente il veicolo esegue ciò che è richiesto.

Implementazione di una metodologia basata sulla chimica cinetica estesa tabulata per la simulazione dell'insorgenza e dell'evoluzione della detonazione nei motori ad accensione comandata

L'analisi accurata del processo di combustione è un aspetto sempre più influente nello sviluppo di un motore a combustione interna. In particolare il fenomeno della detonazione pone dei limiti sull'efficienza dei motori ad accensione comandata. Il rapporto di compressione è limitato in fase di progettazione dello sviluppo motore, lasciando al controllo dell'anticipo di accensione il compito di ridurre le problematiche di una combustione anomala. Nella seguente tesi si vuole implementare una metodologia per la valutazione dell'insorgere e dello sviluppo della detonazione in base alle condizioni di funzionamento del motore per differenti miscele di combustibili. Il metodo consiste nell'affiancare la cinetica chimica tabulata al risolutore CFD, \textsc{KIVA-3}. La cinetica chimica permette di determinare la velocità di reazione per differenti specie durante l'ossidazione a partire da precise condizioni ambiente. Il solutore CFD potrebbe risolvere questo tipo di problema ma utilizzare dei modelli con più reazioni chimiche richiede dei tempi di simulazioni troppo elevati. La cinetica chimica tabulata consiste nella determinazione ed estrapolazione dei dati relativi all'evoluzione della detonazione utilizzando schemi cinetici con centinaia o migliaia di reazioni. In seguito alla determinazione della miscela desiderata sono state eseguite delle simulazioni utilizzando il solutore Cantera per la determinazione dell'evoluzione dell'ossigeno. E' stata scelta questa grandezza come indicatore del progresso della detonazione poiché fornisce un'indicazione sullo stato di avanzamento delle reazioni. Successivamente i dati ricavati sono stati forniti al solutore CFD, tramite il quale sono state effettuate delle simulazioni per verificare i risultati ottenuti nella valutazione del comportamento di un motore ad alte prestazioni.

Applicazione di reticoli di Bragg "chirped" per il monitoraggio strutturale di laminati CFRP

L’uso dei materiali compositi è andato aumentando negli ultimi decenni per la loro elevata rigidezza, la resistenza specifica e il possibile risparmio, notevole in termini di peso dell’intera struttura. Tali materiali introducono però nuove problematiche riguardanti le modalità di danneggiamento e il comportamento a fatica. Mentre questi fenomeni sono relativamente ben compresi nei materiali metallici, per una struttura in composito non esistono ancora modelli in grado di predire con sufficiente affidabilità l’evoluzione del danneggiamento. Negli ultimi anni la ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi in grado di rilevare la presenza e l’evoluzione del danno, definiti Structural Health Monitoring Systems, ovvero sistemi di monitoraggio strutturale. Il danneggiamento strutturale può così essere individuato e identificato per mezzo di sensori distribuiti integrati nella struttura stessa, aventi la possibilità di trasmettere queste informazioni a un sistema di analisi esterno permettendo di valutare lo stato di degrado della struttura in tempo reale. In questo contesto si inseriscono le attività di ricerca sulle strutture intelligenti che, inglobando al loro interno opportune tipologie di sensori e attuatori, sono in grado di monitorare l’ambiente fisico operativo, raccoglierne e interpretarne le informazioni per poi rispondere ai cambiamenti della struttura in modo appropriato attraverso gli attuatori. L’impiego di sensori e attuatori inglobati nelle strutture offre molteplici vantaggi rispetto ai sistemi di trasduzione e attuazione convenzionali. L’attività di ricerca condotta in questa tesi è rivolta all’indagine di tecniche di SHM per mezzo di sensori a fibra ottica. Essi presentano molteplici peculiarità che li rendono i candidati ideali per queste applicazioni. Esistono diversi tipi di sensori che utilizzano le fibre ottiche. Nel presente lavoro si sono utilizzati sensori di deformazione basati sui reticoli di Bragg (FBG) chirped. Questi sensori sono costituiti da un reticolo inscritto all’interno della fibra, che ha l’effetto di riflettere solo alcune lunghezze d’onda della luce incidente. Se le proprietà geometriche del reticolo cambiano per effetto di una deformazione, cambia anche la forma dello spettro riflesso. Inoltre, con il tipo di sensore usato, è possibile correlare lo spettro con la posizione di eventuali danneggiamenti interni al materiale. Gli obbiettivi di questa ricerca sono di verificare gli effetti della presenza di una fibra ottica sulle caratteristiche meccaniche di un laminato e di trovare un legame tra la risposta in frequenza del sensore FBG e lo stato tensionale e il grado di danneggiamento di un componente in composito.

Studio di un circuito ad alta efficienza in un apparato per terapie diatermiche

Il lavoro presentato di seguito è volto al miglioramento delle prestazioni dell'apparato per la Tecar terapia prodotto da EME.srl. Tale apparato presenta, allo stato attuale, un sistema basato principalmente su circuiti a componenti attivi operanti in regione lineare che producono una oscillazione a 455kHz, la amplificano e infine la adattano alle caratteristiche richieste per tale apparato. Ampiezza dell'oscillazione e corrente sul carico (paziente) vengono controllate mediante un doppio sistema di retroazione: uno analogico e uno basato su microcontrollore. Entrambi i sistemi lavorano sui valori medi di tensione e corrente. Lo scopo di tale elaborato è quello di migliorare tale apparato rendendo possibile il controllo di nuovi parametri, come la frequenza di oscillazione cosa non possibile nell'attuale implementazione. Si valuterà, nell'ambito dell'attività di tesi, se mantenere l'idea costruttiva originale in cui si aveva un oscillatore autonomo con una cascata di amplificazione a efficienza non elevatissima, retroazionato analogicamente e un controllo mediante uC, oppure passare ad una nuova architettura totalmente gestita da uC sfruttando topologie utilizzate in altri macchinari di EME.srl con l'aggiunta di soluzioni tratte dal mondo delle energie rinnovabili. Per lo studio di tale apparato verrà effettuata inoltre una caratterizzazione sperimentale del corpo umano utilizzando la mano di un soggetto volontario per avere un carico campione realistico e cercando ulteriori riscontri in letteratura.

Caratterizzazione e confronto di misuratori di portata per utilizzo in emodialisi

La dialisi è una terapia essenziale alla sopravvivenza delle persone colpite da insufficienza renale. Senza questo trattamento periodico l’aspettativa di vita si riduce a pochi giorni. Il fine di questo trattamento è il ripristino dell’equilibrio idro-elettrolitico e acido-base del paziente e la rimozione del fluido in eccesso che l’organismo non è in grado di espellere autonomamente. La parte di liquido che passa attraverso il filtro dal lato sangue, alla parte di bagno dialisi prende il nome di ultrafiltrato. Ciò comporta che nelle macchine per emodialisi ci sia un sistema di controllo dedicato all’ultrafiltrazione. La durata della seduta è variabile, è finalizzata a riportare il paziente al peso ottimale in un tempo limitato. Il seguente elaborato è stato svolto presso il laboratorio della start-up IBD Italian Biomedical Devices, uno dei progetti in via di sviluppo è la realizzazione di una macchina per emodialisi a basso costo. Obiettivo della tesi è stato quello di confrontare due misuratori di portata e valutarne l’adeguatezza per la gestione del sistema di ultrafiltrazione. È stato esplorato tutto il range di portate a cui potrebbero essere sottoposti durante l’utilizzo del macchinario. I sensori oggetto di studio sono l’Oval Gears Flowmeters ed il flussimetro Series 800, entrambi adatti all’impiego in ambito biomedicale. Appartengono a due diverse classi: il primo è un contatore volumetrico, registra il numero di volumi base lo che attraversano. Il secondo è un misuratore a turbina, genera impulsi verso l’esterno in numero proporzionale alla velocità del fluido. Lo studio necessita anche di una parte di acquisizione dei segnali provenienti dai sensori, è stata implementata interamente sulla piattaforma Arduino. I dati acquisiti sono stati elaborati ed analizzati al fine di avere un confronto tra i misuratori e con il gold-standard. Per poter confrontare le prestazioni è stato realizzato e seguito un protocollo sperimentale.

Sintesi e caratterizzazione di macromolecole ramificate per la funzionalizzazione di scaffolds osteocondrali

L’osteoartrosi è la malattia delle articolazioni più comune al mondo ed è spesso causa di condizioni fortemente disabilitanti. Date le limitazioni dei trattamenti attualmente proposti per la gestione dei pazienti osteoartrosici è di grande interesse la ricerca di soluzioni alternative. A tal fine Fin-Ceramica S.p.A. desidera progettare un innovativo sostituto osteocondrale in collagene attivato con un’emergente classe di macromolecole polimeriche: i dendrimeri. Questi polimeri offrono un’unica opportunità di mostrare all’interfaccia con il tessuto naturale una pluralità di gruppi funzionali favorendo, con un’adeguata ingegnerizzazione, le interazioni biologiche e sostenendo la vitalità e l’attività cellulare. In questo lavoro di tesi, con in mente una futura convalida di processo necessaria a garantire la sicurezza e l’affidabilità del prodotto, sono stati sviluppati nuovi metodi per verificare ed ottimizzare la reazione di sintesi del dendrimero, per caratterizzare il materiale ottenuto e per creare legami covalenti fra collagene e dendrimero attivando potenzialmente il sostituto osteocondrale. Il primo obiettivo è stato conseguito sfruttando la presenza o l’assenza di gruppi amminici disponibili ai terminali del dendrimero in crescita e la formazione di un prodotto di scarto cromoforo durante la sintesi. In relazione a questi elementi sono stati individuati metodi semplici ed efficaci, quali la spettrofotometria ultravioletta ed i saggi colorimetrici con TNBS e ninidrina, per monitorare ogni step di reazione portandolo a compimento e ricavare i tempi necessari a tale scopo. Il dendrimero ottenuto è stato quindi caratterizzato tramite spettrometria infrarossa in trasformata di Fourier. Nota la composizione teorica della nostra macromolecola quest’analisi ha consentito l’identificazione del materiale prodotto ed ha inoltre permesso di dimostrare la ripetibilità dello specifico processo di sintesi dendrimerica. Infine per individuare una possibile procedura di funzionalizzazione del collagene con il dendrimero sono stati sperimentati due differenti metodi relativi a due diversi agenti crosslinkanti. Per rilevare un’eventuale modifica delle proprietà superficiali dei campioni realizzati, conseguente alla presenza dei dendrimeri, ne è stata valutata la bagnabilità attraverso la misura dell’angolo di contatto. La determinazione per uno dei due metodi di un significativo aumento di idrofilicità rispetto al campione di controllo ha verificato la fattibilità della reazione di funzionalizzazione del collagene con il dendrimero sintetizzato in questa ricerca identificando un possibile reagente ed una relativa procedura. I risultati ottenuti da queste ricerche costituiscono informazioni necessarie all’attività di convalida del processo di sintesi del dendrimero ed alla realizzazione del sostituto osteocondrale attivato progettato da Fin-Ceramica.