Programmable electronic platform for the remote control of the cell-migration galvanotaxis

Il presente lavoro di tesi nasce come collaborazione tra il Laboratorio di Progettazione Elettronica e il Laboratorio di Microscopia a Fluorescenza del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell' Università di Bologna. In particolare nasce dalla volontà di dotare il dipartimento di un apparato sperimentale in grado di svolgere studi sulla Galvanotassia, un fenomeno biologico consistente nella migrazione di cellule sottoposte a stimolazione elettrica. La Galvanotassia è nota da fine '800 ma non sono ancora chiari i meccanismi cellulari che la provocano. Una migliore comprensione di tale fenomeno potrebbe portare importanti sviluppi in ambito medico, sia diagnostici che terapeutici. Dalla letteratura a riguardo non è emersa l'esistenza di apparecchi elettronici di controllo che permettano lo studio della Galvanotassia e che possano essere duttili a seconda del tipo di esperimento che si voglia svolgere. Da qui l'idea di iniziare lo sviluppo di un dispositivo elettronico, che fosse riprogrammabile, a basso costo e facilmente trasportabile. La progettazione di questo dispositivo ha portato ad una prima fase di test e verifiche sperimentali che hanno permesso di migliorare e affinare la costruzione di uno strumento di misura e controllo dei parametri relativi alla Galvanotassia. Sono già stati programmati test futuri che porteranno ad una versione definitiva dell' apparecchiatura alla quale succederanno più approfondite ricerche sul fenomeno della Galvanotassia.

Development and validation of the Multiple Remote Tower (MRT) for remote air traffic control

The symbol in air traffic control (ATC), essentially unchanged since the beginning of commercial air traffic early last century, is the characteristic control tower with its large, tilted windows, situated at an exposed location, and rising high above the airport. “Remote Tower” is changing the provision of Air Traffic Services (ATS) in a way that it is more service tailored, dynamically located and available when and where needed, enabled by digital solutions replacing the physical presence of controllers and control towers at aerodromes with a remotely provided Air Traffic Service for Multiple Aerodromes. The paper examines this phenomenon that will mark an epochal change, analysing the experiments and validations carried out in the last years.

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.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

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.

Control and navigation of a rover for agricultural purposes

L’obiettivo di questa tesi è di descrivere e implementare via software un modello di rover autonomo per uso in ambito agricolo. La scelta di questo argomento deriva dal fatto che al laboratorio CASY dell’Università di Bologna è stato commissionato un robot che possa aiutare piccoli imprenditori agricoli a essere competitivi con i più grandi. Le funzionalità che il robot avrà, una volta ultimato, andranno dal tagliare l’erba allo spruzzare fertilizzante sugli alberi da frutto. Questa tesi si interessa del progetto del sistema di navigazione. Inizialmente viene introdotto il modello cinematico e in particolare la configurazione differential drive in cui il rover rientra. Successivamente viene elaborato un sistema di controllo basato sulla linearizzazione statica del feedback. Una volta completati il modello e il sistema di controllo si procede con la generazione di traiettoria: vengono analizzati e confrontati alcuni algoritmi per l’inseguimento di una traiettoria definita tramite waypoint. Infine è presentato un algoritmo per la navigazione all’interno di un campo di filari di alberi da frutto. Le uniche informazioni esterne disponibili in questo contesto sono le rilevazioni di sensori di distanza frontali e laterali, in quanto un GPS sarebbe troppo impreciso per gli scopi. Questa tesi costituisce la base per ulteriori sviluppi del progetto. In particolare la realizzazione di un programma di supervisione che stabilisca la modalità di moto da attuare e programmi specifici per le varie funzionalità agricole del rover.

Shape-based compliance control for snake robots

I serpenti robot sono una classe di meccanismi iper-ridondanti che appartiene alla robotica modulare. Grazie alla loro forma snella ed allungata e all'alto grado di ridondanza possono muoversi in ambienti complessi con elevata agilità. L'abilità di spostarsi, manipolare e adattarsi efficientemente ad una grande varietà di terreni li rende ideali per diverse applicazioni, come ad esempio attività di ricerca e soccorso, ispezione o ricognizione. I robot serpenti si muovono nello spazio modificando la propria forma, senza necessità di ulteriori dispositivi quali ruote od arti. Tali deformazioni, che consistono in movimenti ondulatori ciclici che generano uno spostamento dell'intero meccanismo, vengono definiti andature. La maggior parte di esse sono ispirate al mondo naturale, come lo strisciamento, il movimento laterale o il movimento a concertina, mentre altre sono create per applicazioni specifiche, come il rotolamento o l'arrampicamento. Un serpente robot con molti gradi di libertà deve essere capace di coordinare i propri giunti e reagire ad ostacoli in tempo reale per riuscire a muoversi efficacemente in ambienti complessi o non strutturati. Inoltre, aumentare la semplicità e ridurre il numero di controllori necessari alla locomozione alleggerise una struttura di controllo che potrebbe richiedere complessità per ulteriori attività specifiche. L'obiettivo di questa tesi è ottenere un comportamento autonomo cedevole che si adatti alla conformazione dell'ambiente in cui il robot si sta spostando, accrescendo le capacità di locomozione del serpente robot. Sfruttando la cedevolezza intrinseca del serpente robot utilizzato in questo lavoro, il SEA Snake, e utilizzando un controllo che combina cedevolezza attiva ad una struttura di coordinazione che ammette una decentralizzazione variabile del robot, si dimostra come tre andature possano essere modificate per ottenere una locomozione efficiente in ambienti complessi non noti a priori o non modellabili.

Integration of ROS for the control of industrial robotic systems in a proprietary environment

The paper deals with the integration of ROS, in the proprietary environment of the Marchesini Group company, for the control of industrial robotic systems. The basic tools of this open-source software are deeply studied to model a full proprietary Pick and Place manipulator inside it, and to develop custom ROS nodes to calculate trajectories; speaking of which, the URDF format is the standard to represent robots in ROS and the motion planning framework MoveIt offers user-friendly high-level methods. The communication between ROS and the Marchesini control architecture is established using the OPC UA standard; the tasks computed are transmitted offline to the PLC, supervisor controller of the physical robot, because the performances of the protocol don’t allow any kind of active control by ROS. Once the data are completely stored at the Marchesini side, the industrial PC makes the real robot execute a trajectory computed by MoveIt, so that it replicates the behaviour of the simulated manipulator in Rviz. Multiple experiments are performed to evaluate in detail the potential of ROS in the planning of movements for the company proprietary robots. The project ends with a small study regarding the use of ROS as a simulation platform. First, it is necessary to understand how a robotic application of the company can be reproduced in the Gazebo real world simulator. Then, a ROS node extracts information and examines the simulated robot behaviour, through the subscription to specific topics.

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.

Applicazione ROS 2 di un robot antropomorfo in esecuzione su container VxWorks in architettura IMA

L’elaborato di tesi discute del progetto di integrazione tra ROS 2, framework open-source per lo sviluppo di applicazioni robotiche, e VxWorks, sistema operativo in tempo reale (RTOS), attraverso l’utilizzo di container OCI compliant su VxWorks. L’integrazione è stata svolta all’interno dello stack software di IMA (Industria Macchine Automatiche). Il progetto ha dunque integrato ROS 2 Humble e VxWorks 7 permettendo l’utilizzo di costrutti software di ROS 2 su dei container in esecuzione a livello User su VxWorks. Successivamente è stata creata una applicazione di pick and place con un robot antropomorfo (Universal Robots Ur5e) avvalendosi di ROS 2 Control, framework per l’introduzione e gestione di hardware e controllori, e MoveIt 2, framework per incorporare algoritmi di motion-planning, cinematica, controllo e navigazione. Una volta progettata l’applicazione, il sistema è stato integrato all’interno dell’architettura di controllo di IMA. L’architettura a container VxWorks di IMA è stata estesa per il caso ROS 2, la comunicazione tra campo e applicazione ROS 2 è passata tramite il master EtherCAT e il modulo WebServer presenti nell’architettura IMA. Una volta eseguito il container ROS 2 posizione e velocità dei servo motori sono stati inviati tramite al WebServer di IMA sfruttando la comunicazione VLAN interna. Una volta ricevuto il messaggio, il WebServer si è occupato di trasferirlo al master EtherCAT che in aggiunta si è occupato anche di ottenere le informazioni sullo stato attuale del robot. L’intero progetto è stato sviluppato in prima battuta in ambiente di simulazione per validarne l’architettura. Successivamente si è passati all’installazione in ambiente embedded grazie all’ausilio di IPC sui quali è stato testato l’effettivo funzionamento dell’integrazione all’interno dell’architettura IMA.