Caratterizzazione e progettazione di un attuatore differenziale elastico compatto per la robotica collaborativa

Lo sviluppo della robotica collaborativa, in particolare nelle applicazioni di processi industriali in cui sono richieste la flessibilità decisionale di un utilizzatore umano e le prestazioni di forza e precisione garantite dal robot, pone continue sfide per il miglioramento della capacità di progettare e controllare al meglio questi apparati, rendendoli sempre più accessibili in termini economici e di fruibilità. Questo cambio di paradigma rispetto ai tradizionali robot industriali, verso la condivisone attiva degli ambienti di lavoro tra uomo e macchina, ha accelerato lo sviluppo di nuove soluzioni per rendere possibile l’impiego di robot che possano interagire con un ambiente in continua mutazione, in piena sicurezza. Una possibile soluzione, ancora non diffusa commercialmente, ma largamente presente in letteratura, è rappresentata dagli attuatori elastici. Tra gli attuatori elastici, l’architettura che ad oggi ha destato maggior interesse è quella seriale, in cui l’elemento cedevole viene posto tra l’uscita del riduttore ed il carico. La bibliografia mostra come alcuni limiti della architettura seriale possano essere superati a parità di proprietà dinamiche. La soluzione più promettente è l’architettura differenziale, che si caratterizza per l’utilizzo di riduttori ad un ingresso e due uscite. I vantaggi mostrati dai primi risultati scientifici evidenziano l’ottenimento di modelli dinamici ideali paragonabili alla più nota architettura seriale, superandola in compattezza ed in particolare semplificando l’installazione dei sensori necessari al controllo. In questa tesi viene effettuata un’analisi dinamica preliminare ed uno studio dell’attitudine del dispositivo ad essere utilizzato in contesto collaborativo. Una volta terminata questa fase, si presenta il design e la progettazione di un prototipo, con particolare enfasi sulla scelta di componenti commerciali ed il loro dimensionamento, oltre alla definizione della architettura costruttiva complessiva.

Implementazione di un protocollo Header-compression a livello applicazione per scenari IoT

Il fenomeno noto come Internet of Things costituisce oggi il motore principale dell'espansione della rete Internet globale, essendo artefice del collegamento di miliardi di nuovi dispositivi. A causa delle limitate capacità energetiche e di elaborazione di questi dispositivi è necessario riprogettare molti dei protocolli Internet standard. Un esempio lampante è costituito dalla definizione del Constrained Application Protocol (CoAP), protocollo di comunicazione client-server pensato per sostituire HTTP in reti IoT. Per consentire la compatibilità tra reti IoT e rete Internet sono state definite delle linee guida per la mappatura di messaggi CoAP in messaggi HTTP e viceversa, consentendo così l'implementazione di proxies in grado di connettere una rete IoT ad Internet. Tuttavia, questa mappatura è circoscritta ai soli campi e messaggi che permettono di implementare un'architettura REST, rendendo dunque impossibile l'uso di protocolli di livello applicazione basati su HTTP.La soluzione proposta consiste nella definizione di un protocollo di compressione adattiva dei messaggi HTTP, in modo che soluzioni valide fuori dagli scenari IoT, come ad esempio scambio di messaggi generici, possano essere implementate anche in reti IoT. I risultati ottenuti mostrano inoltre che nello scenario di riferimento la compressione adattiva di messaggi HTTP raggiunge prestazioni inferiori rispetto ad altri algoritmi di compressione di intestazioni (in particolare HPACK), ma più che valide perchè le uniche applicabili attualmente in scenari IoT.

Studio della propagazione radio MIMO in scenari street-intersection

L'elaborato si suddivide essenzialmente in due parti principali. Una prima parte descrittiva dove vengono presentati i concetti fondamentali per la corretta comprensione della seconda, nella quale viene descritto il progetto svolto. Esso mira a valutare l’effetto che oggetti in metallo presenti in prossimità di un incrocio stradale hanno sulla propagazione del segnale radio, e in particolare sulla generazione di cammini multipli. I cammini multipli vengono infatti sfruttati dalle tecnologie di trasmissione a multiple antenne (MIMO) per incrementare la capacità di trasmissione. Un parametro sintetico che permette di caratterizzare le prestazioni dei sistemi MIMO è il cosiddetto Condition Number, che si è utilizzato in questo elaborato. Per effettuare lo studio delle prestazioni MIMO si sono utilizzate simulazioni elettromagnetiche a raggi (ray-tracing) e misure sperimentali, che sono state effettuate in prossimità del campus dell’Università Jiaotong di Shanghai, in Cina. Inizialmente, utilizzando una mappa standard dell’ambiente di propagazione, contenente i soli edifici, i valori di Condition Number ottenuti dalle simulazioni ray-tracing differivano notevolmente dai valori sperimentali. Il mio compito è stato quello di modellare nuovi elementi di forma cilindrica che ben simulano le proprietà fisico-geometriche dei pali e di altri oggetti metallici presenti lungo il tragitto e nelle intersezioni stradali e di inserirli nella mappa nella corretta posizione. Le simulazioni poi sono servite per valutare l’efficacia in termini di miglioramento delle prestazioni, in particolare sulla generazione di nuovi cammini sfasati nel tempo e nello spazio, e il relativo effetto sui valori numerici del condition number. Successivamente, è stata fatta una valutazione sull’influenza della vegetazione presente in loco per vedere quanta influenza abbia sul collegamento radio.

Il segno della Centuriazione romana: un progetto lungo il Canale dei Molini a Castel Bolognese

Tutti i luoghi hanno qualcosa da raccontare, frammenti di storia che pian piano rischiano di svanire e rimanere soltanto memorie. Il territorio di Castel Bolognese parla di campagna, di pianura, di tradizioni agricole e rurali, ma ha anche una storia più antica, risalente ai tempi romani. La pianura castellana è stata “misurata” per la prima volta da loro, abili costruttori che, partendo dalla Via Emilia, realizzarono una maglia di strade regolare e precisa: la Centuriazione. È incredibile come un sistema così antico sia stato in grado di conferire un assetto territoriale al paese percepibile ancora oggi. Il progetto nasce come forma di valorizzazione del territorio di Castel Bolognese e affronta tre tematiche principali: la tutela del paesaggio naturale, la “ricucitura” delle Centurie e il progetto di una nuova costruzione. L’ambito di intervento è il Canale dei Molini, un tracciato storico che inizia il suo percorso a Castel Bolognese e ricalca per buona parte un asse centuriale. Esso attraversa vari comuni di pianura e si immette nel Canale di Bonifica destra di Reno. Il primo intervento progettuale riguarda la realizzazione di un itinerario ciclopedonale lungo questo canale, con l’obiettivo di “ricucire” e valorizzare la maglia centuriale attraverso varie azioni puntuali. Inoltre, laddove la trama è andata quasi completamente persa sono state progettate aree boschive per recuperarne l’aspetto originale con grande forza, rispettandone le dimensioni ed i confini. A scala urbana l’intervento consiste nel progetto di una Velostazione nell’area dismessa dell’ex scalo merci, con il fine di creare un collegamento tra il centro storico e la campagna, e conferendo un valore aggiunto alla ciclovia del Canale dei Molini. In conclusione, si vuole affrontare il rapporto fra architettura e paesaggio attribuendo un valore fondamentale alla conoscenza, all’ascolto ed al rispetto di questi luoghi, per poterne conservare nel tempo la loro identità e mantenerne viva la memoria.

Studio di progettazione di un sistema vite-madrevite per cilindri di sollevamento elettrici per applicazioni navali.

L’attività di tirocinio è iniziata con lo studio dei sottomarini e dei loro apparati. Una volta individuate le criticità del caso di studio è stata avviata una fase di ricerca bibliografica sui materiali e sui relativi processi tribologici coinvolti nello strisciamento tra vite e madrevite. La ricerca si è poi concentrata sui fenomeni di corrosione e sui materiali adatti a contrastarla; in base ai dati raccolti ne è stata selezionata una coppia per vite e madrevite. A questo punto è stata effettuata la modellazione CAD 3D del sistema di sollevamento, modellando i principali elementi del meccanismo, cioè la vite, la madrevite e i componenti che ospitano cuscinetti e guarnizioni. Contemporaneamente alla fase di disegno è stato effettuato il dimensionamento del sistema vite-madrevite e dei dispositivi necessari al suo funzionamento. Durante questa fase è stata progettata una legge di moto della vite tale da consentire prestazioni equivalenti o migliori del sistema idraulico da sostituire. Per la vite, oltre alle verifiche statiche e a fatica, è stato necessario effettuare le verifiche a carico di punta e di velocità critica. Durante i calcoli riguardanti la fatica, sono stati valutati gli effetti dovuti alla presenza della filettatura, calcolando i coefficienti di concentrazione delle tensioni grazie ad apposite simulazioni FEM. Inoltre, è stato dimensionato il collegamento tramite linguetta al motoriduttore. Dopo aver effettuato il dimensionamento statico della madrevite ed eseguito una verifica dei parametri che ne determinano l’usura, sono stati scelti i componenti commerciali come cuscinetti, guarnizioni e tenute. Terminata la fase di dimensionamento dei componenti è stato effettuato un approfondimento relativo al gruppo motoriduttore e al meccanismo frenante. Nei capitoli conclusivi sono stati valutati aspetti come la gestione dei carichi radiali, i test necessari ad ultimare la progettazione e i possibili sviluppi futuri.

Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.

Analisi di sostenibilità di tecnologie CCS applicate a settori hard-to-abate

In questo lavoro di tesi viene presentata un’analisi di sostenibilità economica, ambientale e sociale di un sistema di cattura e purificazione della CO2 post-combustione. Al fine di ottenere i dati utili al calcolo di indici significativi di sostenibilità, si è scelto di modellare, attraverso il software Aspen Plus®, un processo di assorbimento chimico con ammine, tecnologia matura e spesso impiegata a questo scopo per settori industriali di taglie superiori. Al sistema di assorbimento viene poi fatta seguire un’unità di compressione e purificazione, finalizzata al raggiungimento di specifiche condizioni della corrente in uscita, legate alla successiva tipologia di trasporto considerata: gas pressurizzato via pipeline o gas liquefatto via nave. L’analisi economica si è basata sul calcolo di costi operativi, costi variabili, costo della CO2 evitata e consumo specifico di energia (SPECCA). La simulazione ha infatti consentito di ottenere un dimensionamento di massima delle apparecchiature e il consumo di utenze, valori necessari alla stima degli indici. Gli indici economici calcolati sono poi stati utilizzati per comprendere quale parte del processo fosse la più critica e che impatto avessero le unità di compressione e purificazione rispetto alla presenza del solo impianto di cattura. Analisi simili sono state svolte anche in termini di sostenibilità ambientale e sociale. La prima è stata svolta calcolando l’effettiva rimozione di CO2 del sistema, tenendo in considerazione le emissioni dirette e indirette connesse al funzionamento degli apparati. L’analisi sociale è stata ridotta a un’analisi qualitativa della sicurezza, attuata attraverso il calcolo dell’Indice di sicurezza intrinseca.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Blockchain ed Ethereum

Negli ultimi anni si sta notando sempre di più il cambiamento apportato dalla tecnologia ai vari settori industriali, il quale costringe ogni azienda ad adattare i propri processi per mantenere la propria posizione sul mercato. Un'innovazione è costituita dalla blockchain, che viene presentata come un insieme di tecnologie distribuite volte a mantenere un registro condiviso immutabile. Le sue applicazioni si possono trovare nell'ambito economico attraverso le criptovalute fino ad arrivare alla certificazione in supply chain di società o enti. Come tutte le innovazioni porta con sè vantaggi e peculiarità che ne contraddistinguono il funzionamento. In questa tesi si tratteranno blockchain Ethereum e Smart Contracts ossia componenti definiti in Solidity, un linguaggio dalla caratteristica di Touring Completeness. Con lo sviluppo degli Smart Contract si è arrivati alla creazione di applicazioni decentralizzate, organizzazioni autonome e certificazioni fino alla creazione di standard per token fungibili. Infine un aspetto da non sottovalutare quando si parla di sistemi distribuiti ed in particolare di blockchain è la sicurezza. Verranno introdotti i principali attacchi all'infrastruttura e all'utente, ponendo attenzione a come questo aspetto possa essere tralasciato per favorire interoperabilità tra blockchain.

Caratterizzazione del comportamento a fatica di viti metriche

Nel campo della meccanica uno dei metodi di fissaggio maggiormente utilizzati è il fissaggio per attrito con elementi filettati. Il collegamento tra gli elementi è generato dall’accoppiamento tra i filetti di vite e madrevite, che, una volta precaricati, aderiscono impedendo il movimento reciproco tramite la forza di attrito. Uno dei problemi, però, che si riscontra sull’utilizzo dei giunti filettati è relativo alla resistenza a fatica. Precisamente, gli organi in esame presentano una geometria altamente intagliata: infatti, i filetti, fungono da centri di intensificazione degli sforzi. Per mitigare il fenomeno occorrerebbe diminuire la rigidità della vite, ma ciò comporterebbe un rischio di perdita del precarico con conseguente riduzione di efficacia del collegamento. Si è mostrato, tuttavia, che vi è un possibile metodo alternativo per migliorare la resistenza a fatica delle viti: si è notato che le viti snervate, tramite un serraggio, presentano un limite a vita finita maggiore rispetto a quelle standard. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di oggettivare l’incremento del limite di fatica generato da uno snervamento, verificare l’effettivo miglioramento anche sulla vita infinita e dedurne le motivazioni, mediante prove. A tal fine, sono state prese in considerazione diverse tipologie di provini, nello specifico viti M8 di classe 8.8 e 12.9, per verificare l’influenza della resistenza meccanica sull’incremento del limite. I test prevedono anche una breve parentesi sui benefici portati dall’utilizzo di un dado rialzato, in particolare viene mostrato come l’aumento del numero di filetti in presa vada ad esaltare il fenomeno analizzato. Una volta oggettivato l’aumento di resistenza a fatica e avanzate alcune ipotesi sulle cause del fenomeno, è stato sviluppato un modello agli elementi finiti, con semplificazioni volte a ridurre il tempo di calcolo, al fine di studiare la distribuzione degli stress in fase di serraggio per validare le assunzioni avanzate.

Algoritmi di ottimizzazione per la pianificazione delle attività di un satellite

L'obiettivo principale di molti problemi industriali è tipicamente massimizzare i profitti o minimizzare costi o tempi di produzione. Questi problemi sono detti "di ottimizzazione" poiché bisogna ottimizzare determinati processi o attività attraverso decisioni che portino alla soluzione ottima del problema. Il giusto utilizzo di modelli matematici può condurre, tramite l'utilizzo di algoritmi esatti, alla soluzione ottima di un problema di questo tipo. Queste tecniche sono spesso basate su l'enumerazione completa di tutte le possibili soluzioni e ciò potrebbe pertanto richiedere una quantità di calcoli talmente elevata da renderle di fatto inutilizzabili. Per risolvere problemi di grandi dimensioni vengono quindi utilizzati i cosiddetti algoritmi euristici, i quali non assicurano di trovare la soluzione ottima del problema, ma promettono di trovarne una di buona qualità. In questa tesi vengono analizzati, sviluppati e confrontati entrambi gli approcci, attraverso l'analisi di un problema reale che richiede la pianificazione delle attività di un satellite.

Progettazione ed Implementazione Front-End di un Sistema Integrato di Customer Assistance in ambito Industry 4.0

Al giorno d'oggi, l'industry 4.0 è un movimento sempre più prominente che induce ad equipaggiare gli impianti industriali con avanzate infrastrutture tecnologiche digitali, le quali operano sinergicamente con l'impianto, al fine di controllare ed aumentare la produttività, monitorare e prevenire i futuri guasti, ed altro ancora. In questo ambito, gli utenti sono parte integrante della struttura produttiva, in cui ricoprono ruoli strategici e flessibili, collaborano fra loro e con le macchine, con l’obiettivo di affrontare e risolvere proattivamente una vasta gamma di problemi complessi. In particolare, la customer assistance nel settore industriale può certamente variare in relazione a molteplici elementi: il tipo di produzione e le caratteristiche del prodotto; l'organizzazione ed infrastruttura aziendale interna; la quantità di risorse disponibili che possono essere impiegate; il grado di importanza ricoperto dalla customer assistance nel settore industriale di riferimento; altri eventuali fattori appartenenti ad un dominio specifico. Per queste ragioni, si è cercato di individuare e categorizzare nel modo più accurato possibile, il lavoro svolto in questo elaborato ed il contesto nel quale è stato sviluppato. In questa tesi, viene descritta un'applicazione web per erogare assistenza al cliente in ambito di industria 4.0, attraverso il paradigma di ticketing o ticket di supporto/assistenza. Questa applicazione è integrata nel sistema Mentor, il quale è attivo già da anni nel settore industriale 4.0. Il progetto Mentor è una suite di applicazioni cloud-based creata dal gruppo Bucci Industries, una multinazionale attiva nell'industria e nell'automazione con sede a Faenza. In questo caso di studio, si presenta la progettazione ed implementazione della parte front-end del suddetto sistema di assistenza, il quale è integrato ed interconnesso con un paio di applicazioni tipiche di industria 4.0, presenti nella stessa suite di applicazioni.

Metodologie di progettazione di impianti fotovoltaici con sistema di accumulo: applicazione su uno scenario reale

Il presente elaborato di tesi si pone come obiettivo lo studio dei criteri di progettazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete con sistema di accumulo. In primo luogo, è stato introdotto il tema dell’energia rinnovabile, in particolare l’energia solare descrivendo e definendone le caratteristiche. In seguito, è stato descritto dettagliatamente l’effetto fotovoltaico e lo stato dell’arte relativo alla tecnologia fotovoltaica e tipologie di impianto. Si procede con lo studio dello scenario reale, la progettazione e il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, effettuata con l’ausilio di PVGIS Tool, SUNNYDESIGN e Microsoft Excel. In questa fase si scelgono i dispositivi principali, quali pannelli, inverter e sistema di accumulo in funzione delle caratteristiche del sito di installazione, che nel nostro caso è uno stabile adibito ad ufficio sito a Bologna in cui è possibile installare un impianto la cui taglia è di 20.8 kWp. In seguito, è presente lo studio della producibilità energetica pari a 30190 kWh/anno, nella quale è definito e calcolato l’autoconsumo dell’impianto tramite fogli di calcolo Excel. Segue l’introduzione alle normative, che definiscono lo stato dell’arte degli impianti fotovoltaici e il collegamento in BT (CEI 0-21, 64-8), e la progettazione elettrica, con l’utilizzo di AutoCAD, dell’impianto elettrico di collegamento in BT alla rete di distribuzione con allacciamento alla rete. Infine, l’elaborato si conclude con l’analisi economica dell’impianto con e senza sistema di accumulo, nella quale viene calcolato, tramite foglio Excel, il PayBackTime pari a 5.08 anni nel primo caso e 4.17 nel secondo, il risparmio energetico cumulativo nei 25 anni di esercizio previsti dell’impianto che è di 447.7 k€ per la prima tipologia di impianto e di 437.45 k€ per la seconda ed in conclusione i flussi di cassa durante lo stesso periodo che sono di 294.93 k€ per l’impianto fotovoltaico con accumulo e di 320.58 k€ per quello senza sistema di accumulo.

Progetto preliminare e modellazione CAD di UAV ad ala rotante per impieghi agricoli

In questa tesi viene descritto uno studio preliminare su un velivolo ad ala rotante UAV (Unmanned Aerial Veichle) per supportare l'agricoltura di precisione. E' stato implementato in ambiente Matlab un semplice modello matematico per stimare la trazione del rotore principale in un elicottero. Successivamente, è stata presa in considerazone una meccanica commerciale per modellismo che potrebbe essere adottata per sveltire i tempi di sviluppo di questo UAV: la Graupner UNI-Mechanics 2000. E' stato, quindi, modellato al CAD un prototipo di struttura da realizzare tramite tecniche di Additive Manufacturing: questa parte è stata concepita per essere collegata alla meccanica dell'elicottero e può ospitare due taniche contenenti le sostanze da irrorare sulle colture. A livello di sviluppo futuro, si propone di applicare tecniche di ottimizzazione topologica alla struttura di collegamento per ottenere uno sfruttamento ottimale del materiale e ridurre le masse di questo componente.

Progettazione di un sistema per la movimentazione del simulatore di Sole di un banco di prova per la determinazione e il controllo d'assetto di nanosatelliti

Nel presente documento si discute la progettazione di una guida lineare curva allo scopo di permettere la movimentazione di un simulatore di Sole per nanosatelliti. Vengono presentati i nanosatelliti e vengono introdotti alcuni metodi di rappresentazione d’assetto, per proseguire con una descrizione dei sensori di Sole per la determinazione d’assetto. Si descrive, poi, il banco di prova per il controllo e la determinazione d’assetto presente nel Laboratorio di Microsatelliti e Microsistemi Spaziali e, di seguito, il progetto delle guide con il confronto tra le opzioni commerciali disponibili. Infine, si descrive la progettazione degli elementi di collegamento tra il simulatore e i cursori.