Progettazione e prototipìa di un polso robotico ad architettura sferica

I robot industriali iniziano a diffondersi in maniera significativa verso la metà degli anni ’70, quando affrontare economicamente il costo legato alla loro progettazione e costruzione risultò più vantaggioso rispetto all’assunzione di manodopera. Nella categoria dei robot industriali rientrano anche i polsi robotici che, posti all’estremità di un braccio meccanico, possono essere impiegati in diverse applicazioni industriali. In questo ambito si inserisce il meccanismo sferico ideato da Wu e Carricato. Esso presenta un’architettura ibrida seriale-parallela e, grazie ad una disposizione simmetrica dei membri che lo costituiscono, è in grado di riprodurre il movimento del polso umano. L’attività svolta e presentata in questo elaborato è stata finalizzata alla progettazione, attraverso l’ausilio dei software Creo e Matlab, sia degli organi che compongono il dispositivo sia della trasmissione meccanica che consente l’attuazione dei 2 gradi di libertà (gdl) posseduti dal meccanismo. Sono state realizzate due versioni CAD del polso; la prima è volta alla realizzazione in materiale plastico dei componenti, sfruttando la tecnologia della stampa 3D, in modo da ottenere un primo prototipo funzionante ed operativo, in cui si sono previsti accoppiamenti rotoidali tra le parti del tipo a strisciamento. Costruito ed assemblato il prototipo in plastica, si è potuta verificare la compatibilità tra precisione costruttiva, tolleranze dimensionali e geometriche garantite dalla stampa 3D e corretto funzionamento del meccanismo. La seconda versione rappresenta una versione ingegnerizzata della precedente. In particolare, prevede la realizzazione in alluminio del polso e la progettazione dei giunti cinematici (principalmente rotoidali) utilizzando accoppiamenti volventi e non a strisciamento. In questo modo si riescono a ridurre le imperfezioni di montaggio ed i notevoli giochi introdotti dall’impiego di componenti in plastica.

Valutazione funzionale tramite fluoroscopia 3d di una nuova tecnica chirurgica per la navigazione intra-operatoria dell'articolazione patello-femorale

Una tracciato anormale della rotula può provocare dolore anteriore al ginocchio dopo un’artroplastica e può condurre al fallimento dell’intervento stesso. È importante quindi valutare questo tracciato sia intra che post-operatoriamente, anche per validare disegni protesici innovativi e supportare il chirurgo per le più critiche decisioni chirurgiche al momento dell’impianto. Ad oggi però le valutazioni in-vivo della cinematica femoro-rotulea sono poche e poco attendibili; è per questi motivi che abbiamo deciso di analizzare l’articolazione con la tecnica video-fluoroscopica, appositamente adattata allo scopo di tale studio, a sei mesi di follow-up dall’intervento. Per lo studio abbiamo esaminato, tramite video-fluoroscopia 3D, sette pazienti che hanno subito l’impianto di una protesi totale al ginocchio con ricopertura della rotula. Successivamente le immagini sono state elaborate con un apposito software per ricostruire la cinematica 3D, e sono stati ottenuti i grafici per ogni grado di libertà dell’articolazione. Dall’analisi dei risultati, la tecnica utilizzata è risultata fattibile ed affidabile, infatti dai grafici si nota come la normale cinematica delle articolazioni studiate sia stata ripristinata. Questo studio, oltre a validare l’applicazione della tecnica video-fluoroscopica all’articolazione femoro-rotulea oltre che a quella tibio-femorale, dopo un confronto con i dati derivanti dalla navigazione chirurgica, ha consentito di validare anche questa tecnica intra-operatoria. Questo risultato potrà condurre ad una maggiore precisione nell’allineamento delle componenti protesiche da parte del chirurgo, con conseguente riduzione del rischio di fallimento dell’impianto.

3D Visual Data-Driven Spatiotemporal Deformations for Non-Rigid Object Grasping Using Robot Hands

Sensing techniques are important for solving problems of uncertainty inherent to intelligent grasping tasks. The main goal here is to present a visual sensing system based on range imaging technology for robot manipulation of non-rigid objects. Our proposal provides a suitable visual perception system of complex grasping tasks to support a robot controller when other sensor systems, such as tactile and force, are not able to obtain useful data relevant to the grasping manipulation task. In particular, a new visual approach based on RGBD data was implemented to help a robot controller carry out intelligent manipulation tasks with flexible objects. The proposed method supervises the interaction between the grasped object and the robot hand in order to avoid poor contact between the fingertips and an object when there is neither force nor pressure data. This new approach is also used to measure changes to the shape of an object’s surfaces and so allows us to find deformations caused by inappropriate pressure being applied by the hand’s fingers. Test was carried out for grasping tasks involving several flexible household objects with a multi-fingered robot hand working in real time. Our approach generates pulses from the deformation detection method and sends an event message to the robot controller when surface deformation is detected. In comparison with other methods, the obtained results reveal that our visual pipeline does not use deformations models of objects and materials, as well as the approach works well both planar and 3D household objects in real time. In addition, our method does not depend on the pose of the robot hand because the location of the reference system is computed from a recognition process of a pattern located place at the robot forearm. The presented experiments demonstrate that the proposed method accomplishes a good monitoring of grasping task with several objects and different grasping configurations in indoor environments.

Simulating grasping behavior of people using the relational description scheme

This paper presents an enhanced relational description for the prescription of the grasp requirement and evolution of the posture of a digital human hand towards satisfaction of this requirement. Precise relational description needs anatomical segmentation of the hand geometry into palmar, dorsal and lateral patches using the palm-plane and joint locations information, and operational segmentation of the object geometry into pull,push and lateral patches with due consideration to the effect of friction. Relational description identifies appropriate patches for a desired grasp condition. Satisfaction of this requirement occurs in two discrete stages,namely,contact establishment and post-contact force exertion for object capturing. Contact establishment occurs in four potentially overlapping phases,namely,re-orientation,transfer,pre- shaping,and closing-in. The novel h and re-orientation phase,enables the palm to face the object in a task sequence scenario, transfer takes the wrist to the ball park ; pre-shaping and close-in finally achieves the contact. In this paper, an anatomically pertinent closed-form formulation is presented for the closing-in phase for identification of the point of contact on the patches ,prescribed by the relational description. Since mere contact does not ensure grasp and slip phenomenon at the point of contact on application of force is a common occurrence, the effect of slip in presence of friction has been studied for 2D and 3D object grasping endeavours and a computational generation of the slip locus is presented.A general slip locus is found to be a non-linear curve even on planar faces.Two varieties of slip phenomena,namely,stabilizing and non-stabilizing slips, and their local characteristics have been identified.Study of the evolution of this slip characteristic over the slip locus exhibited diverse grasping behaviour possibilities. Thus, the relational description paradigm not only makes the requirement specification easy and meaningful but also enables high fidelity hand object interaction studies possible.

Gruppo per la manipolazione e la stampa su flaconi farmaceutici

L’obiettivo di questa tesi di laurea è lo sviluppo dell’automazione delle tecniche per il trattamento di radiofarmaci, in particolare riguardo alle pratiche di trasferimento di dati sulla superficie del contenitore includente il radiofarmaco. Lo scopo è passare dall’applicazione manuale di etichette, ad una scrittura automatizzata dei dati direttamente sulla superficie del contenitore. Lo sviluppo del progetto sarà realizzato con l’ausilio del programma di modellazione 3D PTC Creo Elements, ritenuto il sistema CAD più idoneo per la realizzazione di progetti ex novo come quello in oggetto. La modellazione verrà effettuata per tentativi, valutando caso per caso varie opzioni, fino al raggiungimento del risultato ottimale. Dopo aver descritto i processi produttivi attuali e l’integrazione del dispositivo all’interno di essi, viene illustrato il funzionamento passo passo del dispositivo, partendo dalla fase di entrata, proseguendo con la fase di centraggio e stampa, terminando con la fase di scarico. Viene successivamente illustrato il prodotto finito e le relative problematiche riscontrate durante le fasi di prova del prototipo, in particolare, difetti nella trascrizione dei dati sulla superficie del contenitore e difetti progettuali dell’intero sistema. Vengono infine illustrate le possibili soluzioni, in particolare un nuovo sistema di fissaggio del contenitore.

Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

Studio e sviluppo di un prototipo di un meccanismo per l'azionamento di una mano protesica cinematica

Lo studio si prefigge di verificare la fattibilità di un nuovo meccanismo per l'azionamento di una mano protesica e inoltre di costruirne un prototipo. Questo nuovo meccanismo andrebbe a sostituire le molle azionate da tiranti delle attuali protesi cinematiche, evitando all'amputato vistosi movimenti del corpo atti ad azionare la mano protesica. Tramite confronto tra le forze calcolate tramite modellazione del meccanismo e quelle realmente fornite dal paziente, si può dichiarare che il meccanismo funziona correttamente. Il prototipo costruito inoltre rispetta i vincoli dimensionali che deve avere una protesi per arto superiore.

Integrazione di dati antropometrici e termografici per l'analisi della distribuzione di temperatura all'interfaccia moncone-protesi d'arto inferiore

Le immagini termiche all’ infrarosso sono utilizzate da molte decadi per monitorare la distribuzione di temperatura della pelle umana. Anormalità come infiammazioni ed infezioni causano un aumento locale della temperatura, visibile sulle immagini sotto forma di hot spot. In tal senso la termografia ad infrarossi può essere utilizzata nel campo ortopedico per rilevare le zone sovra-caricate dalla protesi. Per effettuare una valutazione precisa dell’interfaccia moncone-invasatura può essere utile combinare i dati termografici e i dati antropometrici (superficie tridimensionale del moncone), relativi ai singoli pazienti. Di ciò si occupa tale studio, che dopo aver fornito una panoramica sulla termografia e sulla reverse engineering, sperimenta delle tecniche semplici e low-cost per combinare i dati termici e i dati antropometrici. Buoni risultati si riescono ad ottenere utilizzando un Kinect come scanner e un software open-source per il texture mapping. I termogrammi 3D ricreati costituiscono un ottimo strumento di valutazione, per medici e tecnici ortopedici, circa il design dell’invasatura.

Studio della cinematica del nuoto a stile libero attraverso sensori inerziali

Analisi cinematica delle fasi del nuoto, velocità in vasca e body roll attraverso l'uso di sensori inerziali. Implementazione di innovativi algoritmi di calcolo con l'utilizzo del filtro di Kalman 3D, matrici di rotazione e quaternioni per la determinazione dei parametri fondamentali del nuoto e della posizione del polso nel sistema di riferimento di torace. Confronto dei risultati ottenuti mediante i diversi algoritmi e loro validazione con quelli ottenuti con l'uso della stereofotogrammetria. Gli algoritmi possono essere generalizzati ad altri gesti motori.

Analisi cinematica e strutturale dei componenti del gruppo ammortizzatore anteriore di un motociclo stradale

Il tema della presente tesi è l’analisi cinematica e strutturale dei componenti del gruppo ammortizzatore anteriore di un motociclo stradale. Questo particolare studio non si basa sull’analisi classica di un sistema di sterzo in cui è presente la forcella, ma prende in esame un cinematismo di sterzo e sospensione basato sulla tecnologia della moto Tesi 3D prodotta dalla Bimota. Nella prima parte viene eseguita un’analisi cinematica dell’assieme; nella seconda sono individuati versi, direzioni ed intensità delle forze presenti nel gruppo ammortizzatore attraverso l’analisi statica e la creazione di un m-file di MatLab; nella terza sono calcolate la tensione e la pressione a cui è sottoposto ciascun componente in modo da poterli progettare considerando il coefficiente di sicurezza imposto dall’azienda. Infine sono stati disegnati i vari componenti, con le misure definitive, al CAD per verificare gli ingombri effettivi e il corretto funzionamento.

Ricostruzione 3D di oggetti ad alto potere diffusivo mediante triangolazione laser

L'obiettivo principale che questa tesi intende perseguire e la progettazione di un sistema di acquisizione 3D a basso costo basato sul metodo di triangolazione a lama laser. A tale scopo si adotterà una telecamera general-purpose, e si provvederà sia alla realizzazione di un prototipo di sistema di attuazione per automatizzare la scansione dell'oggetto, sia all'implementazione di algoritmi per la calibrazione della geometria laser-telecamera, il rilevamento del profilo laser nell'immagine e la sua successiva ricostruzione 3D, tenendo anche conto delle complicazioni che l'uso di oggetti ad alto potere diffusivo apporta a tale problema, a causa dei marcati effetti di subsurface scattering della luce laser. Il sistema di triangolazione sarà validato caratterizzando, mediante il confronto con pezzi di dimensioni note, la precisione e l'accuratezza delle misurazioni, e valutando i tempi di esecuzione degli algoritmi. Inoltre, le prestazioni ed i risultati delle acquisizioni saranno messi a confronto con quelli ottenuti adottando una telecamera high-end dedicata. Lo studio preliminare svolto in questa sede e propedeutico per la futura realizzazione di un sistema per la ricostruzione in camera bianca di protesi d'osso su misura.

Visual perception for the 3D recognition of geometric pieces in robotic manipulation

During grasping and intelligent robotic manipulation tasks, the camera position relative to the scene changes dramatically because the robot is moving to adapt its path and correctly grasp objects. This is because the camera is mounted at the robot effector. For this reason, in this type of environment, a visual recognition system must be implemented to recognize and “automatically and autonomously” obtain the positions of objects in the scene. Furthermore, in industrial environments, all objects that are manipulated by robots are made of the same material and cannot be differentiated by features such as texture or color. In this work, first, a study and analysis of 3D recognition descriptors has been completed for application in these environments. Second, a visual recognition system designed from specific distributed client-server architecture has been proposed to be applied in the recognition process of industrial objects without these appearance features. Our system has been implemented to overcome problems of recognition when the objects can only be recognized by geometric shape and the simplicity of shapes could create ambiguity. Finally, some real tests are performed and illustrated to verify the satisfactory performance of the proposed system.