Integration of robotic inverse kinematic routines in an algorithmic 3D modeling software

An industrial manipulator equipped with an automatic clay extruder is used to realize a machine that can manufacture additively clay objects. The desired geometries are designed by means of a 3D modeling software and then sliced in a sequence of layers with the same thickness of the extruded clay section. The profiles of each layer are transformed in trajectories for the extruder and therefore for the end-effector of the manipulator. The goal of this thesis is to improve the algorithm for the inverse kinematic resolution and the integration of the routine within the development software that controls the machine (Rhino/Grasshopper). The kinematic model is described by homogeneous transformations, adopting the Denavit-Hartenberg standard convention. The function is implemented in C# and it has been preliminarily tested in Matlab. The outcome of this work is a substantial reduction of the computation time relative to the execution of the algorithm, which is halved.

Game programming: Grafica 3d

Tesi riguardante la creazione di tutte le risorse grafiche necessarie ad un videogioco tridimensionale in prima persona con Blender e Unity3D. Gli argomenti trattati sono: prgettazione, 3D modeling, texturing e shading.

Shear behaviour of reinforced cconcrete slab under concentrated load: an investigation through non-linear and sequentially linear analysis

English: The assessment of safety in existing bridges and viaducts led the Ministry of Public Works of the Netherlands to finance a specific campaing aimed at the study of the response of the elements of these infrastructures. Therefore, this activity is focused on the investigation of the behaviour of reinforced concrete slabs under concentrated loads, adopting finite element modeling and comparison with experimental results. These elements are characterized by shear behaviour and crisi, whose modeling is, from a computational point of view, a hard challeng, due to the brittle behavior combined with three-dimensional effects. The numerical modeling of the failure is studied through Sequentially Linear Analysis (SLA), an alternative Finite Element method, with respect to traditional incremental and iterative approaches. The comparison between the two different numerical techniques represents one of the first works and comparisons in a three-dimensional environment. It's carried out adopting one of the experimental test executed on reinforced concrete slabs as well. The advantage of the SLA is to avoid the well known problems of convergence of typical non-linear analysis, by directly specifying a damage increment, in terms of reduction of stiffness and resistance in particular finite element, instead of load or displacement increasing on the whole structure . For the first time, particular attention has been paid to specific aspects of the slabs, like an accurate constraints modeling and sensitivity of the solution with respect to the mesh density. This detailed analysis with respect to the main parameters proofed a strong influence of the tensile fracture energy, mesh density and chosen model on the solution in terms of force-displacement diagram, distribution of the crack patterns and shear failure mode. The SLA showed a great potential, but it requires a further developments for what regards two aspects of modeling: load conditions (constant and proportional loads) and softening behaviour of brittle materials (like concrete) in the three-dimensional field, in order to widen its horizons in these new contexts of study.

La strategia BIM a supporto del progetto della sicurezza nel cantiere edile: il caso dell'ospedale di primo soccorso a Lampedusa.

Throughout this research, the whole life cycle of a building will be analyzed, with a special focus on the most common issues that affect the construction sector nowadays, such as safety. In fact, the goal is to enhance the management of the entire construction process in order to reduce the risk of accidents. The contemporary trend is that of researching new tools capable of reducing, or even eliminating, the most common mistakes that usually lead to safety risks. That is one of the main reasons why new technologies and tools have been introduced in the field. The one we will focus on is the so-called BIM: Building Information Modeling. With the term BIM we refer to wider and more complex analysis tool than a simple 3D modeling software. Through BIM technologies we are able to generate a multi-dimension 3D model which contains all the information about the project. This innovative approach aims at a better understanding and control of the project by taking into consideration the entire life cycle and resulting in a faster and more sustainable way of management. Furthermore, BIM software allows for the sharing of all the information among the different aspects of the project and among the different participants involved thus improving the cooperation and communication. In addition, BIM software utilizes smart tools that simulate and visualize the process in advance, thus preventing issues that might not have been taking into consideration during the design process. This leads to higher chances of avoiding risks, delays and cost increases. Using a hospital case study, we will apply this approach for the completion of a safety plan, with a special focus onto the construction phase.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.

Lifetime Modeling of SiC Power Modules in Automotive Traction Inverters

This thesis presents a model-based software implementation for the estimation of the damage of a power module inside and automotive traction inverter with few hardware test setup performed to support the simulation with real-life data.

Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

Finite element modeling of flow/compression-induced deformation of alginate scaffolds for bone tissue engineering

Trauma or degenerative diseases such as osteonecrosis may determine bone loss whose recover is promised by a "tissue engineering“ approach. This strategy involves the use of stem cells, grown onboard of adequate biocompatible/bioreabsorbable hosting templates (usually defined as scaffolds) and cultured in specific dynamic environments afforded by differentiation-inducing actuators (usually defined as bioreactors) to produce implantable tissue constructs. The purpose of this thesis is to evaluate, by finite element modeling of flow/compression-induced deformation, alginate scaffolds intended for bone tissue engineering. This work was conducted at the Biomechanics Laboratory of the Institute of Biomedical and Neural Engineering of the Reykjavik University of Iceland. In this respect, Comsol Multiphysics 5.1 simulations were carried out to approximate the loads over alginate 3D matrices under perfusion, compression and perfusion+compression, when varyingalginate pore size and flow/compression regimen. The results of the simulations show that the shear forces in the matrix of the scaffold increase coherently with the increase in flow and load, and decrease with the increase of the pore size. Flow and load rates suggested for proper osteogenic cell differentiation are reported.

Il Vestibolo di Piazza d'Oro - Rilievi per la modellazione 3D ed il texturing

Il caso studio del vestibolo ottagonale di Villa Adriana ha dato la possibilità di applicare ad un edificio di notevole valore storico e artistico tecniche di restituzione digitale e di modellazione tridimensionale basate su applicativi di modellazione geometrica, con lo scopo di generarne il modello 3D digitale fotorealistico e polifunzionale. Nel caso specifico del vestibolo, un modello tridimensionale di questo tipo risulta utile a fini documentativi, a sostegno di ipotesi costruttive e come strumento per la valutazione di interventi di restauro. Il percorso intrapreso ha permesso di valutare le criticità nelle tecniche di acquisizione, modellazione e foto-modellazione tridimensionale applicate in ambito archeologico, tecniche usate abitualmente anche in settori quali l’architettura, il design industriale ma anche nel cinema (effetti speciali e film d’animazione) e in ambito videoludico, con obiettivi differenti: nel settore del design e della progettazione industriale il Reverse Modeling viene impiegato per eseguire controlli di qualità e rispetto delle tolleranze sul prodotto finale, mentre in ambito cinematografico e videoludico (in combinazione con altri software) permette la creazione di modelli realistici da inserire all’interno di film o videogiochi, (modelli non solo di oggetti ma anche di persone). La generazione di un modello tridimensionale ottenuto tramite Reverse Modeling è frutto di un processo opposto alla progettazione e può avvenire secondo diverse strategie, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici che la rendono più indicata in alcuni casi piuttosto che in altri. In questo studio sono state analizzate acquisizioni tridimensionali effettuate tramite Laser Scan e tramite applicazioni Structure from Motion/Dense Stereo View.

Economic and Environmental Optimization of Ornamental Stone Block Cutting with a 3D Algorithm

This thesis focuses on finding the optimum block cutting dimensions in terms of the environmental and economic factors by using a 3D algorithm for a limestone quarry in Foggia, Italy. The environmental concerns of quarrying operations are mainly: energy consumption, material waste, and pollution. The main economic concerns are the block recovery, the selling prices, and the production costs. Fractures adversely affect the block recovery ratio. With a fracture model, block production can be optimized. In this research, the waste volume produced by quarrying was minimised to increase the recovery ratio and ensure economic benefits. SlabCutOpt is a software developed at DICAM–University of Bologna for block cutting optimization which tests different cutting angles on the x-y-z planes to offer up alternative cutting methods. The program tests several block sizes and outputs the optimal result for each entry. By using SlabCutOpt, ten different block dimensions were analysed, the results indicated the maximum number of non-intersecting blocks for each dimension. After analysing the outputs, the block named number 1 with the dimensions ‘1mx1mx1m’ had the highest recovery ratio as 43% and the total Relative Money Value (RMV) with a value of 22829. Dimension number 1, also had the lowest waste volume, with a value of 3953.25 m3, for the total bench. For cutting the total bench volume of 6932.25m3, the diamond wire cutter had the lowest dust emission values for the block with the dimension ‘2mx2mx2m’, with a value of 24m3. When compared with the Eco-Label standards, block dimensions having surface area values lower than 15m2, were found to fit the natural resource waste criteria of the label, as the threshold required 25% of minimum recovery [1]. Due to the relativity of production costs, together with the Eco-Label threshold, the research recommends the selection of the blocks with a surface area value between 6m2 and 14m2.

HBIM methodology for structural preservation of historical buildings: the semantic modeling of the San Felice sul Panaro fortress

Building Information Modelling is changing the design and construction field ever since it entered the market. It took just some time to show its capabilities, it takes some time to be mastered before it could be used expressing all its best features. Since it was conceived to be adopted from the earliest stage of design to get the maximum from the decisional project, it still struggles to adapt to existing buildings. In fact, there is a branch of this methodology that is dedicated to what has been already made that is called Historic BIM or HBIM. This study aims to make clear what are BIM and HBIM, both from a theoretical point of view and in practice, applying from scratch the state of the art to a case study. It had been chosen the fortress of San Felice sul Panaro, a marvellous building with a thousand years of history in its bricks, that suffered violent earthquakes, but it is still standing. By means of this example, it will be shown which are the limits that could be encountered when applying BIM methodology to existing heritage, moreover will be pointed out all the new features that a simple 2D design could not achieve.

Studio e Realizzazione del Modello RVE (Representative Volume Element) per componenti polimerici realizzati in stampa 3D FDM

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Gli attuali metodi di analisi agli elementi finiti (FEM) e le tecnologie CAE (Computer-Aided Engineering) non sono in grado di studiare modelli 3D di componenti stampati, dal momento che il risultato finale dipende dai parametri di processo e ambientali. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito della meso struttura del componente stampato per estendere l’analisi FEM anche a questa tipologia di componenti. Lo scopo del lavoro proposto è di creare un elemento omogeneo che rappresenti accuratamente il comportamento di un componente realizzato in stampa 3D FDM, questo avviene attraverso la definizione e l’analisi di un volume rappresentativo (RVE). Attraverso la tecnica dell’omogeneizzazione, il volume definito riassume le principali caratteristiche meccaniche della struttura stampata, permettendo nuove analisi e ottimizzazioni. Questo approccio permette di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predire le proprietà meccaniche dei componenti a partire da determinati parametri di stampa, permettendo così alla tecnologia FDM di diventare sempre di più uno dei principali processi industriali a basso costo.

An Embedded In-Cabin Lightweight High-Performance 3D Gaze Estimation System

Gaze estimation has gained interest in recent years for being an important cue to obtain information about the internal cognitive state of humans. Regardless of whether it is the 3D gaze vector or the point of gaze (PoG), gaze estimation has been applied in various fields, such as: human robot interaction, augmented reality, medicine, aviation and automotive. In the latter field, as part of Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), it allows the development of cutting-edge systems capable of mitigating road accidents by monitoring driver distraction. Gaze estimation can be also used to enhance the driving experience, for instance, autonomous driving. It also can improve comfort with augmented reality components capable of being commanded by the driver's eyes. Although, several high-performance real-time inference works already exist, just a few are capable of working with only a RGB camera on computationally constrained devices, such as a microcontroller. This work aims to develop a low-cost, efficient and high-performance embedded system capable of estimating the driver's gaze using deep learning and a RGB camera. The proposed system has achieved near-SOTA performances with about 90% less memory footprint. The capabilities to generalize in unseen environments have been evaluated through a live demonstration, where high performance and near real-time inference were obtained using a webcam and a Raspberry Pi4.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.