Tecniche di fault tolerance in swarm robotics

Questa tesi presenta e discute le sfide per ottenere sistemi di swarm robotis affidabili e tolleranti ai guasti e quindi anche alcuni metodi per rilevare anomalie in essi, in modo tale che ipotetiche procedure per il recupero possano essere affrontate, viene sottolineata inoltre l’ importanza di un’ analisi qualitativa dei guasti.

Fibrous Aerial Robotics: study of spiderweb strategies for the design of architectural envelopes using swarms of drones and inflatable formworks

La tesi approccia in modo transdisciplinare biologia, architettura e robotica, con la finalità di indagare e applicare principi costruttivi attraverso l’interazione tra sciami di droni che depositano materiale fibroso su strutture gonfiabili di supporto. L’attenzione principale è nello sviluppo (attraverso un workflow computazionale che gestisce sciami di agenti costruttori) di una tettonica che integra struttura, spazio e ornamento all’interno dello stesso processo progettuale, il quale si sviluppa coerentemente dall’ideazione fino alla fabbricazione. Sono stati studiati modelli biologici quali le colonie di ragni sociali, i quali costruiscono artefatti di grandi dimensioni relativamente a quelle del singolo individuo grazie ad un’organizzazione coordinata ed emergente e alle proprietà dei sistemi fibrosi. L’auto-organizzazione e la decentralizzazione, insieme alle caratteristiche del sistema materiale, sono stati elementi indispensabili nell’estrapolazione prima e nella codificazione poi di un insieme di regole adatte allo sviluppo del sistema costruttivo. Parallelamente alla simulazione digitale si è andati a sviluppare anche un processo fisico di fabbricazione che, pur tenendo conto dei vincoli economici e tecnici, potesse dimostrarsi una prova di concetto e fattibilità del sistema costruttivo. Sono state investigate le possibilità che un drone offre nel campo della fabbricazione architettonica mediante il rilascio di fili su elementi gonfiabili in pressione. Il processo può risultare vantaggioso in scenari in cui non è possibile allestire infrastrutture costruttive tradizionali (es. gole alpine, foreste). Tendendo conto dei vincoli e delle caratteristiche del sistema di fabbricazione proposto, sono state esplorate potenzialità e criticità del sistema studiato.

Robotics and neurodevelopmental disorder: design and implementation of a system of engagement metrics in human-robot interactions.

In the recent decades, robotics has become firmly embedded in areas such as education, teaching, medicine, psychology and many others. We focus here on social robotics; social robots are designed to interact with people in a natural and interpersonal way, often to achieve positive results in different applications. To interact and cooperate with humans in their daily-life activities, robots should exhibit human-like intelligence. The rapid expansion of social robotics and the existence of various kinds of robots on the market have allowed research groups to carry out multiple experiments. The experiments carried out have led to the collections of various kinds of data, which can be used or processed for psychological studies, and studies in other fields. However, there are no tools available in which data can be stored, processed and shared with other research groups. This thesis proposes the design and implementation of visual tool for organizing dataflows in Human Robot Interaction (HRI).

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.

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.

Feedback linearization of antagonistically actuated variable stiffness joints with twisted string actuators

The work of this thesis is on the implementation of a variable stiffness joint antagonistically actuated by a couple of twisted-string actuator (TSA). This type of joint is possible to be applied in the field of robotics, like UB Hand IV (the anthropomorphic robotic hand developed by University of Bologna). The purposes of the activities are to build the joint dynamic model and simultaneously control the position and stiffness. Three different control approaches (Feedback linearization, PID, PID+Feedforward) are proposed and validated in simulation. To improve the properties of joint stiffness, a joint with elastic element is taken into account and discussed. To the end, the experimental setup that has been developed for the experimental validation of the proposed control approaches.

Realizzazione di un sistema di automazione domotica con tecnologia open-hardware

Il termine Domotica deriva dall’unione dei termini domus e robotics e spazia oltre alle competenze in ambito informatico ed elettronico, avvalendosi dell’architettura e di determinati campi dell’ingegneria come: energetica, edile, dell’ automazione, elettrotecnica, delle telecomunicazioni. La Domotica agevola gli aspetti della quotidianità all’interno dell’ambiente casalingo o, più in generale, di ambienti antropizzati. Questa tesi ha l’intento di spiegare come può essere realizzato un sistema domotizzato casalingo utilizzando dispositivi open-hardware. Inizialmente verranno messi in chiaro i concetti chiave generici di un sistema domotico e verranno discussi i prodotti attualmente in commercio e verrà fatta una piccola introduzione sul concetto di open-hardware. Successivamente verrà discusso il sistema realizzato dandone una panoramica, si esaminerà la strutturazione sia software che hardware e le tecnologie ed i dispositivi utilizzati, per poi enucleare casi d’uso. A seguire le conclusioni.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

Un'analisi dell'impatto dell'informatica sul mercato del lavoro

In questa analisi si cercherà di comprendere cosa caratterizza questa l'ondata di progresso tecnologico che sta cambiando il mercato del lavoro. Il principale aspetto negativo di questo progresso si chiama "Technological Unemployment". Benché gli esperti si trovino in disaccordo su quali siano le cause della persistente alta disoccupazione, Brynjolfsson e McAfee puntano il dito contro l'automazione che ha soppiantato i lavori ripetitivi delle aziende. Tuttavia, è anche vero che il progresso ha sempre portato aumenti di produttività, e soprattutto nuovi tipi di occupazioni che hanno compensato la perdita di posti di lavoro, nel medio-lungo termine. Keynes evidenzia che la disoccupazione dovuta alla scoperta di strumenti economizzatori di manodopera procede con ritmo più rapido di quello con cui riusciamo a trovare nuovi impieghi per la manodopera stessa. Da ciò si crea ansia per il futuro, più o meno motivata. Gli stessi esperti sono spaccati a metà tra chi ha fiducia nei possibili risvolti positivi del progresso e chi invece teme possa comportare scenari catastrofici. Le macchine ci rubano lavoro o ci liberano da esso? Con questa ricerca ci si pone l'obiettivo di analizzare le effettive prospettive dei prossimi decenni. Nel capitolo 2 che è il corpo della tesi prenderemo soprattutto in conto il lavoro accademico di Frey ed Osborne dell'Oxford Martin School, intitolato "The future of employment: how susceptible are jobs to computerisation?" (2013). Essi sono stati tra i primi a studiare e quantificare cosa comporteranno le nuove tecnologie in termini di impiego. Il loro obiettivo era individuare le occupazioni a rischio, da qui a vent'anni, nel mercato del lavoro degli Stati Uniti e la relazione che intercorre tra la loro probabilità di essere computerizzati e i loro salari e livello d'istruzione medi, il tutto valutato attraverso l'ausilio di una nuova metodologia che si vedrà nel dettaglio. A conclusioni simili alle loro, per certi aspetti, è successivamente giunto anche Autor; tra l'altro viene spesso citato per altre sue opere dagli stessi Frey e Osborne, che usano le sue categorizzazioni per impostare la struttura del loro calcolo dell'automatizzabilità dei lavori utilizzando i recenti miglioramenti nelle scienze ingegneristiche quali ML (Machine Learning ad esempio Data mining, Machine vision, Computational statistics o più in generale AI) e MR (Mobile robotics) come strumenti di valutazione. Oltre alle sue ricerche, si presenteranno brevemente i risultati di un recente sondaggio tenuto dal Pew Research Center in cui importanti figure dell'informatica e dell'economia esprimono il loro giudizio sul futuro panorama del mondo del lavoro, considerando l'imminente ondata di innovazioni tecnologiche. La tesi si conclude con un'elaborazione personale. In questo modo si prenderà coscienza dei problemi concreti che il progresso tecnologico potrebbe procurare, ma anche dei suoi aspetti positivi.

Automatic Design of Boolean Networks for Modelling Differentiation Trees

Real living cell is a complex system governed by many process which are not yet fully understood: the process of cell differentiation is one of these. In this thesis work we make use of a cell differentiation model to develop gene regulatory networks (Boolean networks) with desired differentiation dynamics. To accomplish this task we have introduced techniques of automatic design and we have performed experiments using various differentiation trees. The results obtained have shown that the developed algorithms, except the Random algorithm, are able to generate Boolean networks with interesting differentiation dynamics. Moreover, we have presented some possible future applications and developments of the cell differentiation model in robotics and in medical research. Understanding the mechanisms involved in biological cells can gives us the possibility to explain some not yet understood dangerous disease, i.e the cancer. Le cellula è un sistema complesso governato da molti processi ancora non pienamente compresi: il differenziamento cellulare è uno di questi. In questa tesi utilizziamo un modello di differenziamento cellulare per sviluppare reti di regolazione genica (reti Booleane) con dinamiche di differenziamento desiderate. Per svolgere questo compito abbiamo introdotto tecniche di progettazione automatica e abbiamo eseguito esperimenti utilizzando vari alberi di differenziamento. I risultati ottenuti hanno mostrato che gli algoritmi sviluppati, eccetto l'algoritmo Random, sono in grado di poter generare reti Booleane con dinamiche di differenziamento interessanti. Inoltre, abbiamo presentato alcune possibili applicazioni e sviluppi futuri del modello di differenziamento in robotica e nella ricerca medica. Capire i meccanismi alla base del funzionamento cellulare può fornirci la possibilità di spiegare patologie ancora oggi non comprese, come il cancro.

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.

A ROS-based Workspace Control and Trajectory Planner for a seven degrees of freedom Robotic arm

In this Bachelor Thesis I want to provide readers with tools and scripts for the control of a 7DOF manipulator, backed up by some theory of Robotics and Computer Science, in order to better contextualize the work done. In practice, we will see most common software, and developing environments, used to cope with our task: these include ROS, along with visual simulation by VREP and RVIZ, and an almost "stand-alone" ROS extension called MoveIt!, a very complete programming interface for trajectory planning and obstacle avoidance. As we will better appreciate and understand in the introduction chapter, the capability of detecting collision objects through a camera sensor, and re-plan to the desired end-effector pose, are not enough. In fact, this work is implemented in a more complex system, where recognition of particular objects is needed. Through a package of ROS and customized scripts, a detailed procedure will be provided on how to distinguish a particular object, retrieve its reference frame with respect to a known one, and then allow navigation to that target. Together with technical details, the aim is also to report working scripts and a specific appendix (A) you can refer to, if desiring to put things together.