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.

Centrifuge Modeling of Sandy Slopes

Slope failure occurs in many areas throughout the world and it becomes an important problem when it interferes with human activity, in which disasters provoke loss of life and property damage. In this research we investigate the slope failure through the centrifuge modeling, where a reduced-scale model, N times smaller than the full-scale (prototype), is used whereas the acceleration is increased by N times (compared with the gravity acceleration) to preserve the stress and the strain behavior. The aims of this research “Centrifuge modeling of sandy slopes” are in extreme synthesis: 1) test the reliability of the centrifuge modeling as a tool to investigate the behavior of a sandy slope failure; 2) understand how the failure mechanism is affected by changing the slope angle and obtain useful information for the design. In order to achieve this scope we arranged the work as follows: Chapter one: centrifuge modeling of slope failure. In this chapter we provide a general view about the context in which we are working on. Basically we explain what is a slope failure, how it happens and which are the tools available to investigate this phenomenon. Afterwards we introduce the technology used to study this topic, that is the geotechnical centrifuge. Chapter two: testing apparatus. In the first section of this chapter we describe all the procedures and facilities used to perform a test in the centrifuge. Then we explain the characteristics of the soil (Nevada sand), like the dry unit weight, water content, relative density, and its strength parameters (c,φ), which have been calculated in laboratory through the triaxial test. Chapter three: centrifuge tests. In this part of the document are presented all the results from the tests done in centrifuge. When we talk about results we refer to the acceleration at failure for each model tested and its failure surface. In our case study we tested models with the same soil and geometric characteristics but different angles. The angles tested in this research were: 60°, 75° and 90°. Chapter four: slope stability analysis. We introduce the features and the concept of the software: ReSSA (2.0). This software allows us to calculate the theoretical failure surfaces of the prototypes. Then we show in this section the comparisons between the experimental failure surfaces of the prototype, traced in the laboratory, and the one calculated by the software. Chapter five: conclusion. The conclusion of the research presents the results obtained in relation to the two main aims, mentioned above.

Towards model driven software development for Arduino platforms: a DSL and automatic code generation

La tesi ha lo scopo di esplorare la produzione di sistemi software per Embedded Systems mediante l'utilizzo di tecniche relative al mondo del Model Driven Software Development. La fase più importante dello sviluppo sarà la definizione di un Meta-Modello che caratterizza i concetti fondamentali relativi agli embedded systems. Tale modello cercherà di astrarre dalla particolare piattaforma utilizzata ed individuare quali astrazioni caratterizzano il mondo degli embedded systems in generale. Tale meta-modello sarà quindi di tipo platform-independent. Per la generazione automatica di codice è stata adottata una piattaforma di riferimento, cioè Arduino. Arduino è un sistema embedded che si sta sempre più affermando perché coniuga un buon livello di performance ed un prezzo relativamente basso. Tale piattaforma permette lo sviluppo di sistemi special purpose che utilizzano sensori ed attuatori di vario genere, facilmente connessi ai pin messi a disposizione. Il meta-modello definito è un'istanza del meta-metamodello MOF, definito formalmente dall'organizzazione OMG. Questo permette allo sviluppatore di pensare ad un sistema sotto forma di modello, istanza del meta-modello definito. Un meta-modello può essere considerato anche come la sintassi astratta di un linguaggio, quindi può essere definito da un insieme di regole EBNF. La tecnologia utilizzata per la definizione del meta-modello è stata Xtext: un framework che permette la scrittura di regole EBNF e che genera automaticamente il modello Ecore associato al meta-modello definito. Ecore è l'implementazione di EMOF in ambiente Eclipse. Xtext genera inoltre dei plugin che permettono di avere un editor guidato dalla sintassi, definita nel meta-modello. La generazione automatica di codice è stata realizzata usando il linguaggio Xtend2. Tale linguaggio permette di esplorare l'Abstract Syntax Tree generato dalla traduzione del modello in Ecore e di generare tutti i file di codice necessari. Il codice generato fornisce praticamente tutta la schematic part dell'applicazione, mentre lascia all'application designer lo sviluppo della business logic. Dopo la definizione del meta-modello di un sistema embedded, il livello di astrazione è stato spostato più in alto, andando verso la definizione della parte di meta-modello relativa all'interazione di un sistema embedded con altri sistemi. Ci si è quindi spostati verso un ottica di Sistema, inteso come insieme di sistemi concentrati che interagiscono. Tale difinizione viene fatta dal punto di vista del sistema concentrato di cui si sta definendo il modello. Nella tesi viene inoltre introdotto un caso di studio che, anche se abbastanza semplice, fornisce un esempio ed un tutorial allo sviluppo di applicazioni mediante l'uso del meta-modello. Ci permette inoltre di notare come il compito dell'application designer diventi piuttosto semplice ed immediato, sempre se basato su una buona analisi del problema. I risultati ottenuti sono stati di buona qualità ed il meta-modello viene tradotto in codice che funziona correttamente.

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.

Analisi automatica della corporate reputation attraverso il topic modeling

Questo elaborato tratta dell'importanza dell'analisi testuale tramite strumenti informatici. Presenta la tecnica più utilizzata per questo tipo di analisi il: Topic Modeling. Vengono indicati alcuni degli algoritmi più sfruttati e si descrivono gli obiettivi principali. Inoltre introduce il Web Mining per l’estrazione di informazioni presenti nel web, specificando una tecnica particolare chiamata Web Scraping. Nell'ultima sezione dell’elaborato viene descritto un caso di studio. L’argomento dello studio è la Privatizzazione. Viene suddiviso in tre fasi, la primi riguarda la ricerca dei documenti e articoli da analizzare del quotidiano La Repubblica, nella seconda parte la raccolta di documenti viene analizzata attraverso l’uso del software MALLET e come ultimo passo vengono analizzati i topic, prodotti dal programma, a cui vengono assegnate delle etichette per identificare i sotto-argomenti presenti nei documenti della raccolta.

Modeling multiple state electrostatically formed nanowire transistors

The present thesis work proposes a new physical equivalent circuit model for a recently proposed semiconductor transistor, a 2-drain MSET (Multiple State Electrostatically Formed Nanowire Transistor). It presents a new software-based experimental setup that has been developed for carrying out numerical simulations on the device and on equivalent circuits. As of 2015, we have already approached the scaling limits of the ubiquitous CMOS technology that has been in the forefront of mainstream technological advancement, so many researchers are exploring different ideas in the realm of electrical devices for logical applications, among them MSET transistors. The idea that underlies MSETs is that a single multiple-terminal device could replace many traditional transistors. In particular a 2-drain MSET is akin to a silicon multiplexer, consisting in a Junction FET with independent gates, but with a split drain, so that a voltage-controlled conductive path can connect either of the drains to the source. The first chapter of this work presents the theory of classical JFETs and its common equivalent circuit models. The physical model and its derivation are presented, the current state of equivalent circuits for the JFET is discussed. A physical model of a JFET with two independent gates has been developed, deriving it from previous results, and is presented at the end of the chapter. A review of the characteristics of MSET device is shown in chapter 2. In this chapter, the proposed physical model and its formulation are presented. A listing for the SPICE model was attached as an appendix at the end of this document. Chapter 3 concerns the results of the numerical simulations on the device. At first the research for a suitable geometry is discussed and then comparisons between results from finite-elements simulations and equivalent circuit runs are made. Where points of challenging divergence were found between the two numerical results, the relevant physical processes are discussed. In the fourth chapter the experimental setup is discussed. The GUI-based environments that allow to explore the four-dimensional solution space and to analyze the physical variables inside the device are described. It is shown how this software project has been structured to overcome technical challenges in structuring multiple simulations in sequence, and to provide for a flexible platform for future research in the field.

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

La digitalizzazione del processo costruttivo: la strategia Building Information Modeling and Management (BIMM) applicata ad un caso di studio di edilizia scolastica.

L’obiettivo della tesi è quello di fare una panoramica sulla strategia BIM e quindi sulla digitalizzazione del processo costruttivo. Grazie alla analisi di un caso di studio, altro obiettivo è quello di analizzare e valutare la metodologia BIM 4D/5D, ossia la gestione dei tempi e dei costi di realizzazione dell’opera. Nella prima fase si affronta il tema del BIM, con una analisi sull’evoluzione degli strumenti di elaborazione e rappresentazione digitale del progetto architettonico, su come questi strumenti si differenzino sia dal punto di vista operativo che concettuale rivoluzionando il flusso di lavoro odierno. Quindi, partendo da un’analisi che e ritrae l’estrema frammentazione del settore delle costruzioni, si va ad analizzare come il BIM aumenti e favorisca la collaborazione delle parti interessate, armonizzando l’intero processo costruttivo dell’opera. Si prosegue con l'esame della diffusione e del livello di maturità degli strumenti BIM, di come i privati e le amministrazioni pubbliche, a livello mondiale, stiano spingendo per favorire l’adozione della metodologia BIM. Inoltre si analizzano le dinamiche dell’interoperabilità, delle metodologie e protocolli di interscambio dati, che sono un elemento chiave per il successo del BIM per via dei numerosi strumenti, specializzati nelle varie discipline del settore edile. Nella terza parte, dedicata al Project Management di un caso di studio, si verifica la bontà delle metodologie teorizzate attraverso la realizzazione di un modello virtuale in Revit. Dal modello realizzato dal laureando sono estrapolate le informazioni necessarie alla gestione, e tramite il software STRVison CPM, si elaborano i principali documenti per la progettazione e gestione del cantiere: il CM, il CME, i tempi operativi, il cronoprogramma Gantt. Obbiettivo è constatare l’effettivo livello di maturità della strategia BIM 4D e 5D e la reale possibilità di un impiego capillare nel panorama italiano del settore delle costruzioni.

Biomechanical modeling of parotid glands morphing in head & neck radiation therapy treatments

Durante i trattamenti radioterapici dei pazienti oncologici testa-collo, le ghiandole parotidee (PGs) possono essere indebitamente irradiate a seguito di modificazioni volumetriche-spaziali inter/intra-frazione causate da fattori quali il dimagrimento, l’esposizione a radiazioni ionizzanti ed il morphing anatomico degli organi coinvolti nelle aree d’irraggiamento. Il presente lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica e di Radioterapia Oncologica dell’A.O.U di Modena, quale parte del progetto di ricerca del Ministero della Salute (MoH2010, GR-2010-2318757) “ Dose warping methods for IGRT and Adaptive RT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments ”, sviluppa un modello biomeccanico in grado di rappresentare il processo di deformazione delle PGs, considerandone la geometria, le proprietà elastiche e l'evoluzione durante il ciclo terapeutico. Il modello di deformazione d’organo è stato realizzato attraverso l’utilizzo di un software agli elementi finiti (FEM). Molteplici superfici mesh, rappresentanti la geometria e l’evoluzione delle parotidi durante le sedute di trattamento, sono state create a partire dai contorni dell’organo definiti dal medico radioterapista sull’immagine tomografica di pianificazione e generati automaticamente sulle immagini di setup e re-positioning giornaliere mediante algoritmi di registrazione rigida/deformabile. I constraints anatomici e il campo di forze del modello sono stati definiti sulla base di ipotesi semplificative considerando l’alterazione strutturale (perdita di cellule acinari) e le barriere anatomiche dovute a strutture circostanti. L’analisi delle mesh ha consentito di studiare la dinamica della deformazione e di individuare le regioni maggiormente soggette a cambiamento. Le previsioni di morphing prodotte dal modello proposto potrebbero essere integrate in un treatment planning system per metodiche di Adaptive Radiation Therapy.

Building Information Modeling e Maintenance Management: il caso del Pro-GET-onE

La tesi ha come obiettivo quello di analizzare l’evoluzione del settore della manutenzione edilizia e del cambiamento della politica manutentiva in relazione ai progressi portati dai nuovi strumenti informatici: facendo quindi riferimento ad uno specifico caso di studio e integrando l’utilizzo di software BIM, lo scopo è stato quello di programmare un life cycle adeguato. La prima parte della tesi delinea il cambiamento del quadro normativo dell’ambito della manutenzione e definisce lo stato dell’arte della pratica manutentiva, sia dal punto di vista tecnico e applicativo, ma anche da quello gestionale ed economico, con particolare riferimento al Maintenance Management. Nella seconda parte viene invece approfondito il caso studio di uno studentato di Atene facente parte del programma ProGETonE, definendo gli elementi che possono portare ad una corretta gestione del ciclo di vita di questo fabbricato: l’analisi parte da un approccio tradizionale, basato sul computo metrico e sulla PBS, ma si sviluppa e completa attraverso l’utilizzo di Revit e Mantus-P, con la relativa stesura finale di un piano di manutenzione. Questo processo ha portato ad evidenziare le differenze e i vantaggi che si possono trarre dal cambio di prospettiva e di strumenti nell’ambito della manutenzione edilizia.

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.