Optimal pose selection for the calibration of an overconstrained Cable-Driven Parallel Robot

In this project an optimal pose selection method for the calibration of an overconstrained Cable-Driven Parallel robot is presented. This manipulator belongs to a subcategory of parallel robots, where the classic rigid "legs" are replaced by cables. Cables are flexible elements that bring advantages and disadvantages to the robot modeling. For this reason, there are many open research issues, and the calibration of geometric parameters is one of them. The identification of the geometry of a robot, in particular, is usually called Kinematic Calibration. Many methods have been proposed in the past years for the solution of the latter problem. Although these methods are based on calibration using different kinematic models, when the robot’s geometry becomes more complex, their robustness and reliability decrease. This fact makes the selection of the calibration poses more complicated. The position and the orientation of the endeffector in the workspace become important in terms of selection. Thus, in general, it is necessary to evaluate the robustness of the chosen calibration method, by means, for example, of a parameter such as the observability index. In fact, it is known from the theory, that the maximization of the above mentioned index identifies the best choice of calibration poses, and consequently, using this pose set may improve the calibration process. The objective of this thesis is to analyze optimization algorithms which aim to calculate an optimal choice of poses both in quantitative and qualitative terms. Quantitatively, because it is of fundamental importance to understand how many poses are needed. Not necessarily a greater number of poses leads to a better result. Qualitatively, because it is useful to understand if the selected combination of poses actually gives additional information in the process of the identification of the parameters.

Direct Kinematics of Underactuated Cable-Driven Parallel Robots: Sensitivity to Redundant Measurements

Underactuated cable-driven parallel robots (UACDPRs) shift a 6-degree-of-freedom end-effector (EE) with fewer than 6 cables. This thesis proposes a new automatic calibration technique that is applicable for under-actuated cable-driven parallel robots. The purpose of this work is to develop a method that uses free motion as an exciting trajectory for the acquisition of calibration data. The key point of this approach is to find a relationship between the unknown parameters to be calibrated (the lengths of the cables) and the parameters that could be measured by sensors (the swivel pulley angles measured by the encoders and roll-and-pitch angles measured by inclinometers on the platform). The equations involved are the geometrical-closure equations and the finite-difference velocity equations, solved using the least-squares algorithm. Simulations are performed on a parallel robot driven by 4 cables for validation. The final purpose of the calibration method is, still, the determination of the platform initial pose. As a consequence of underactuation, the EE is underconstrained and, for assigned cable lengths, the EE pose cannot be obtained by means of forward kinematics only. Hence, a direct-kinematics algorithm for a 4-cable UACDPR using redundant sensor measurements is proposed. The proposed method measures two orientation parameters of the EE besides cable lengths, in order to determine the other four pose variables, namely 3 position coordinates and one additional orientation parameter. Then, we study the performance of the direct-kinematics algorithm through the computation of the sensitivity of the direct-kinematics solution to measurement errors. Furthermore, position and orientation error upper limits are computed for bounded cable lengths errors resulting from the calibration procedure, and roll and pitch angles errors which are due to inclinometer inaccuracies.

Feedback control of underactuated cable-driven parallel robots

In this work an Underactuated Cable-Driven Parallel Robot (UACDPR) that operates in the three dimensional Euclidean space is considered. The End-Effector has 6 degrees of freedom and is actuated by 4 cables, therefore from a mechanical point of view the robot is defined underconstrained. However, considering only three controlled pose variables, the degree of redundancy for the control theory can be considered one. The aim of this thesis is to design a feedback controller for a point-to-point motion that satisfies the transient requirements, and is capable of reducing oscillations that derive from the reduced number of constraints. A force control is chosen for the positioning of the End-Effector, and error with respect to the reference is computed through data measure of several sensors (load cells, encoders and inclinometers) such as cable lengths, tension and orientation of the platform. In order to express the relation between pose and cable tension, the inverse model is derived from the kinematic and dynamic model of the parallel robot. The intrinsic non-linear nature of UACDPRs systems introduces an additional level of complexity in the development of the controller, as a result the control law is composed by a partial feedback linearization, and damping injection to reduce orientation instability. The fourth cable allows to satisfy a further tension distribution constraint, ensuring positive tension during all the instants of motion. Then simulations with different initial conditions are presented in order to optimize control parameters, and lastly an experimental validation of the model is carried out, the results are analysed and limits of the presented approach are defined.

Structure learning of graphical models for task-oriented robot grasping

In the collective imaginaries a robot is a human like machine as any androids in science fiction. However the type of robots that you will encounter most frequently are machinery that do work that is too dangerous, boring or onerous. Most of the robots in the world are of this type. They can be found in auto, medical, manufacturing and space industries. Therefore a robot is a system that contains sensors, control systems, manipulators, power supplies and software all working together to perform a task. The development and use of such a system is an active area of research and one of the main problems is the development of interaction skills with the surrounding environment, which include the ability to grasp objects. To perform this task the robot needs to sense the environment and acquire the object informations, physical attributes that may influence a grasp. Humans can solve this grasping problem easily due to their past experiences, that is why many researchers are approaching it from a machine learning perspective finding grasp of an object using information of already known objects. But humans can select the best grasp amongst a vast repertoire not only considering the physical attributes of the object to grasp but even to obtain a certain effect. This is why in our case the study in the area of robot manipulation is focused on grasping and integrating symbolic tasks with data gained through sensors. The learning model is based on Bayesian Network to encode the statistical dependencies between the data collected by the sensors and the symbolic task. This data representation has several advantages. It allows to take into account the uncertainty of the real world, allowing to deal with sensor noise, encodes notion of causality and provides an unified network for learning. Since the network is actually implemented and based on the human expert knowledge, it is very interesting to implement an automated method to learn the structure as in the future more tasks and object features can be introduced and a complex network design based only on human expert knowledge can become unreliable. Since structure learning algorithms presents some weaknesses, the goal of this thesis is to analyze real data used in the network modeled by the human expert, implement a feasible structure learning approach and compare the results with the network designed by the expert in order to possibly enhance it.

Principi di funzionemento e architettura del robot chirurgico Da Vinci S e sue applicazioni in ambito otorinolaringoiatrico.

La tesi descrive il funzionamento del robot chirurgico Da Vinci S ed illustra la sua architettura. Si analizza poi il suo impiego in ambito otorinolaringoiatrico mostrando vantaggi e limiti di questa innovativa tecnologia.

On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi politiofeni double-cable per applicazioni fotovoltaiche

In questo lavoro di tesi è stato sintetizzato un nuovo copolimero contenente il gruppo fullerenico in catena laterale. Il copolimero è risultato solubile nei comuni solventi organici e ha dato una efficienza di conversione fotovoltaica in un sistema BHJ del 2.19%.

Caratterizzazione della superficie di array di nanofili di silicio

Nel primo capitolo viene introdotto lo studio eff�ettuato e descritto un metodo di misure successivo alla caratterizzazione della super�ficie. Nel secondo capitolo vengono descritti i campioni analizzati e, nello speci�fico, la crescita attraverso MaCE dei nanofi�li di silicio. Nel terzo capitolo viene descritto lo strumento AFM utilizzato e la teoria della caratterizzazione alla base dello studio condotto. Nella quarta sezione vengono descritti i risultati ottenuti mentre nelle conclusioni viene tratto il risultato dei valori ottenuti di RMS roughness e roughness exponent.

Observability of high density tracing molecular lines in lensed galaxies with the Atacama large millimeter array

Lo scopo di questo lavoro di tesi è indagare le capacità di ALMA di osservare il continuo e le righe molecolari di emissione di HCN, HCO+ e HNC, in galassie lensate ad alto z, nelle prime fasi della loro formazione. Per farlo vengono utilizzate osservazioni ALMA di righe di emissione molecolare, relative a dati pubblici di Ciclo 0. Queste osservazioni vengono utilizzate per simulare in modo realistico l’emissione da parte di galassie ad alto z e la risposta osservativa del telescopio, assumendo diverse possibili geometrie di lensing. Inoltre le recenti osservazioni ALMA sono state utilizzate per aggiornare le relazioni già esistenti tra la luminosità FIR e la luminosità delle righe molecolari. Queste recenti osservazioni con maggiore sensibilità e risoluzione angolare, sembrano essere in buon accordo con le precedenti osservazioni. Per realizzare questo progetto di tesi, sono stati scaricati dall’archivio ALMA i dati non calibrati relativi a due sorgenti ben studiate: NGC1614, rappresentativa delle galassie di tipo starburst ed IRAS 20551-4250, un AGN oscurato. Il processo di calibrazione è stato ripetuto per esaminare le proprietà dei cubi di dati utilizzando il pacchetto Common Astronomy Software Applications (CASA). Le righe spettrali osservate e l’emissione del continuo sono state successivamente estrapolate ad alto z riscalando adeguatamente le distanze, le dimensioni delle sorgenti e le frequenze di emissione. In seguito è stato applicato un modello di lensing gravitazionale basato su quello di Lapi et al. (2012). Sono state considerate diverse configurazioni tra lente e sorgente per ottenere diverse geometrie delle immagini e diversi fattori di amplificazione. Infine stato utilizzato il software CASA per simulare le osservazioni ALMA in modo da verificare le capacità osservative del telescopio al variare della geometria del sistema. Per ogni riga molecolare e per l’emissione del continuo sono state determinate la sensibilit e la risoluzione che possono essere raggiunte con le osservazioni ALMA e sono state analizzate alcune strategie osservative per effettuare survey di righe spettrali in oggetti lensati. Inoltre stata analizzata la possibilit di caratterizzare oggetti starburst ed AGN dai rapporti tra le righe di emissione delle molecole traccianti di alta densit. Le prestazioni di ALMA consentiranno di distinguere e stimare i contributi relativi di SB ed AGN in galassie lensate a z > 2.5, quindi vicine alla loro presunta epoca di formazione (Lapi et al. 2010), in meno di 5 minuti di osservazione per qualsiasi fattore di magnificazione. Nel presente lavoro sono state inoltre discusse alcune strategie osservative per condurre survey o followup per osservare le righe di HCN(4-3), HCO+(4-3) e HNC(4-3) in galassie lensate a redshift 2.5 < z < 3, dimostrando che sono possibili per campioni statisticamente significativi in tempi relativamente brevi.

Teoria del consenso e applicazione al problema del coordinamento del moto di robot.

Il sempre crescente numero di applicazioni di reti di sensori, robot cooperanti e formazioni di veicoli, ha fatto sì che le problematiche legate al coordinamento di sistemi multi-agente (MAS) diventassero tra le più studiate nell’ambito della teoria dei controlli. Esistono numerosi approcci per affrontare il problema, spesso profondamente diversi tra loro. La strategia studiata in questa tesi è basata sulla Teoria del Consenso, che ha una natura distribuita e completamente leader-less; inoltre il contenuto informativo scambiato tra gli agenti è ridotto al minimo. I primi 3 capitoli introducono ed analizzano le leggi di interazione (Protocolli di Consenso) che permettono di coordinare un Network di sistemi dinamici. Nel capitolo 4 si pensa all'applicazione della teoria al problema del "loitering" circolare di più robot volanti attorno ad un obiettivo in movimento. Si sviluppa a tale scopo una simulazione in ambiente Matlab/Simulink, che genera le traiettorie di riferimento di raggio e centro impostabili, a partire da qualunque posizione iniziale degli agenti. Tale simulazione è stata utilizzata presso il “Center for Research on Complex Automated Systems” (CASY-DEI Università di Bologna) per implementare il loitering di una rete di quadrirotori "CrazyFlie". I risultati ed il setup di laboratorio sono riportati nel capitolo 5. Sviluppi futuri si concentreranno su algoritmi locali che permettano agli agenti di evitare collisioni durante i transitori: il controllo di collision-avoidance dovrà essere completamente indipendente da quello di consenso, per non snaturare il protocollo di Consenso stesso.

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.