Coordinated Control of Robotic Swarms in Unknown Environments

This thesis gathers the work carried out by the author in the last three years of research and it concerns the study and implementation of algorithms to coordinate and control a swarm of mobile robots moving in unknown environments. In particular, the author's attention is focused on two different approaches in order to solve two different problems. The first algorithm considered in this work deals with the possibility of decomposing a main complex task in many simple subtasks by exploiting the decentralized implementation of the so called \emph{Null Space Behavioral} paradigm. This approach to the problem of merging different subtasks with assigned priority is slightly modified in order to handle critical situations that can be detected when robots are moving through an unknown environment. In fact, issues can occur when one or more robots got stuck in local minima: a smart strategy to avoid deadlock situations is provided by the author and the algorithm is validated by simulative analysis. The second problem deals with the use of concepts borrowed from \emph{graph theory} to control a group differential wheel robots by exploiting the Laplacian solution of the consensus problem. Constraints on the swarm communication topology have been introduced by the use of a range and bearing platform developed at the Distributed Intelligent Systems and Algorithms Laboratory (DISAL), EPFL (Lausanne, CH) where part of author's work has been carried out. The control algorithm is validated by demonstration and simulation analysis and, later, is performed by a team of four robots engaged in a formation mission. To conclude, the capabilities of the algorithm based on the local solution of the consensus problem for differential wheel robots are demonstrated with an application scenario, where nine robots are engaged in a hunting task.

Robotic patrolling: analisi di strategie e applicazione ad uno scenario

Introduzione alle strategie di robotic patrolling e analisi delle stesse. Applicazione ad uno scenario di una strategia e realizzazione di un robot patroller.

Caratteristiche micromeccaniche di giunzioni friction welding

Studio della caratterizzazione micromeccanica di provini in alluminio 6082 T6 saldati con la tecnica della rotary friction welding, tecnica innovativa nell’ambito delle tecnologie di giunzione solida, che sfrutta il principio della saldatura per attrito. Dopo un'introduzione teorica sulle principali tematiche affrontate e sui principali sistemi di misura usati, verranno effettuate micrografie dei giunti e prove di microdurezza sugli stessi. Si termina riportando i grafici delle microdurezze trovate, in modo da poter confrontare i risultati ottenuti con le caratteristiche del materiale base. Da questi si osserva che: nonostante la qualità accettabile dei giunti, le elevate temperature raggiunte durante la saldatura hanno alterato il trattamento termico del materiale base, che da T6 assume caratteristiche più simili a un T4. In altre parole il materiale saldato presenta caratteristiche micromeccaniche inferiori a quelle nominalmente assegnabili al materiale base.

Analisi di microdurezza su giunti friction welding

Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo la caratterizzazione microstrutturale di una serie di giunti realizzati tramite un innovativo processo di saldatura allo stato solido denominato Rotary Friction Welding. In tale ricerca si descrive il percorso seguito per arrivare a tale caratterizzazione partendo da una discussione delle principali tecniche di saldatura, in particolare quelle per attrito, per passare poi ad un’analisi dettagliata della fase di creazione dei giunti saldati e della successiva fase dedicata alla verifica microstrutturale. I risultati ottenuti, ci forniranno indici di confronto sulla qualità del materiale, sui processi tecnologici, sui trattamenti e su alcune fondamentali proprietà meccaniche

Simulazione FEM e validazione sperimentale del processo di friction welding

Nel seguente elaborato si propone lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM) del processo di friction welding del quale, attraverso i dati rilevati da prove sperimentali di validazione termica, vengono valutati i parametri ottimali di simulazione. Ai risultati così ottenuti vengono applicati anche algoritmi per la valutazione della microstruttura e della qualità della saldatura, sviluppati originariamente per l'analisi dell'estrusione: in entrambi i casi a seguito del confronto con le analisi metallografiche dei provini è stato possibile validare ulteriormente il modello creato.

Design and Control of Robotic Hands

The application of dexterous robotic hands out of research laboratories has been limited by the intrinsic complexity that these devices present. This is directly reflected as an economically unreasonable cost and a low overall reliability. Within the research reported in this thesis it is shown how the problem of complexity in the design of robotic hands can be tackled, taking advantage of modern technologies (i.e. rapid prototyping), leading to innovative concepts for the design of the mechanical structure, the actuation and sensory systems. The solutions adopted drastically reduce the prototyping and production costs and increase the reliability, reducing the number of parts required and averaging their single reliability factors. In order to get guidelines for the design process, the problem of robotic grasp and manipulation by a dual arm/hand system has been reviewed. In this way, the requirements that should be fulfilled at hardware level to guarantee successful execution of the task has been highlighted. The contribution of this research from the manipulation planning side focuses on the redundancy resolution that arise in the execution of the task in a dexterous arm/hand system. In literature the problem of coordination of arm and hand during manipulation of an object has been widely analyzed in theory but often experimentally demonstrated in simplified robotic setup. Our aim is to cover the lack in the study of this topic and experimentally evaluate it in a complex system as a anthropomorphic arm hand system.

Swarm constructability: designing through embedded tectonic behaviors in swarm robotic systems

Con questa tesi di laurea si muovono i primi passi di una ricerca applicata finalizzata alla costruzione-deposizione di materiale da parte di sciami di mini-robot dal comportamento indipendente che si coordinano tramite segnali lasciati e rilevati nell’ambiente in cui si muovono. Lo sviluppo di tecniche di progettazione e fabbricazione digitale ha prodotto un aumento nel grado di interconnessione tra tecnologia e design, dunque, di nuove possibilità tettoniche. Le relazioni tettoniche tradizionali stanno infatti subendo una trasformazione radicale, potendo essere esplicitamente informate e dunque mediate attraverso gli strumenti digitali dall’ideazione alla produzione. Questa mediazione informata del contenuto tettonico (che opera costantemente) è distintivo di un approccio material-based alla progettazione che aumenta l’integrazione tra struttura, materia e forma entro le tecnologie di fabbricazione (R.Oxman). Dei numerosi processi di fabbricazione per l’architettura che si servono di tecnologia robotica, pochi sono capaci di superare la logica gerarchica, rigida e lineare-sequenziale che serve di fatto agli obiettivi di automazione ed ottimizzazione. La distribuzione di forme di intelligenza semplificata ad un numero elevato di unità robot è quindi qui proposta come alternativa al modello appena descritto. Incorporando semplici decisioni di carattere architettonico negli agenti-robot che costituiscono il sistema distribuito di entità autonome, la loro interazione e le decisioni prese individualmente producono comportamento collettivo e l’integrazione delle suddette relazioni tettoniche. Nello sviluppo del progetto, si è fatto così riferimento a modelli comportamentali collettivi (di sciame) osservabili in specie comunitarie che organizzano strutture materiali -come termiti e vespe- ed in organismi semplici -come le muffe cellulari della specie Physarum polycephalum. Per queste specie biologiche il processo di costruzione non dipende da un ‘piano generale’ ma è guidato esclusivamente da azioni dei singoli individui che comunicano lasciando tracce chimiche nell’ambiente e modificano il loro comportamento rilevando le tracce lasciate dagli altri individui. A questo scopo, oltre alle simulazioni in digitale, è stato indispensabile sviluppare dei prototipi funzionali di tipo fisico, ovvero la realizzazione di mini-robot dal movimento indipendente, in grado di coordinarsi tra loro tramite segnali lasciati nell’ambiente e capaci di depositare materiale.

Simulazione numerica del processo rotary friction welding

Costruzione di un modello numerico base per la simulazione del processo Rotary Friction Welding.

Four-arm robotic lobectomy for the treatment of early-stage lung cancer

We investigated the feasibility and safety of four-arm robotic lung lobectomy in patients with lung cancer and described the robotic lobectomy technique with mediastinal lymph node dissection.

Virtobot--a multi-functional robotic system for 3D surface scanning and automatic post mortem biopsy

The Virtopsy project, a multi-disciplinary project that involves forensic science, diagnostic imaging, computer science, automation technology, telematics and biomechanics, aims to develop new techniques to improve the outcome of forensic investigations. This paper presents a new approach in the field of minimally invasive virtual autopsy for a versatile robotic system that is able to perform three-dimensional (3D) surface scans as well as post mortem image-guided soft tissue biopsies.

An accuracy approach to robotic microsurgery in the ear

Concerns of rising healthcare costs and the ever increasing desire to improve surgical outcome have motivated the development of a new robotic assisted surgical procedure for the implantation of artificial hearing devices (AHDs). This paper describes our efforts to enable minimally invasive, cost effective surgery for the implantation of AHDs. We approach this problem with a fundamental goal to reduce errors from every component of the surgical workflow from imaging and trajectory planning to patient tracking and robot development. These efforts were successful in reducing overall system error to a previously unattained level.

A robotic system to train activities of daily living in a virtual environment

In the past decade, several arm rehabilitation robots have been developed to assist neurological patients during therapy. Early devices were limited in their number of degrees of freedom and range of motion, whereas newer robots such as the ARMin robot can support the entire arm. Often, these devices are combined with virtual environments to integrate motivating game-like scenarios. Several studies have shown a positive effect of game-playing on therapy outcome by increasing motivation. In addition, we assume that practicing highly functional movements can further enhance therapy outcome by facilitating the transfer of motor abilities acquired in therapy to daily life. Therefore, we present a rehabilitation system that enables the training of activities of daily living (ADL) with the support of an assistive robot. Important ADL tasks have been identified and implemented in a virtual environment. A patient-cooperative control strategy with adaptable freedom in timing and space was developed to assist the patient during the task. The technical feasibility and usability of the system was evaluated with seven healthy subjects and three chronic stroke patients.