Contributions to the performance analysis of continuum parallel robots

Continuum parallel robots (CPRs) are manipulators employing multiple flexible beams arranged in parallel and connected to a rigid end-effector. CPRs promise higher payload and accuracy than serial CRs while keeping great flexibility. As the risk of injury during accidental contacts between a human and a CPR should be reduced, CPRs may be used in large-scale collaborative tasks or assisted robotic surgery. There exist various CPR designs, but the prototype conception is rarely based on performance considerations, and the CPRs realization in mainly based on intuitions or rigid-link parallel manipulators architectures. This thesis focuses on the performance analysis of CPRs, and the tools needed for such evaluation, such as workspace computation algorithms. In particular, workspace computation strategies for CPRs are essential for the performance assessment, since the CPRs workspace may be used as a performance index or it can serve for optimal-design tools. Two new workspace computation algorithms are proposed in this manuscript, the former focusing on the workspace volume computation and the certification of its numerical results, while the latter aims at computing the workspace boundary only. Due to the elastic nature of CPRs, a key performance indicator for these robots is the stability of their equilibrium configurations. This thesis proposes the experimental validation of the equilibrium stability assessment on a real prototype, demonstrating limitations of some commonly used assumptions. Additionally, a performance index measuring the distance to instability is originally proposed in this manuscript. Differently from the majority of the existing approaches, the clear advantage of the proposed index is a sound physical meaning; accordingly, the index can be used for a more straightforward performance quantification, and to derive robot specifications.

Novel methods of state estimation and parameter identification for high-performance motorcycles

This research activity aims at providing a reliable estimation of particular state variables or parameters concerning the dynamics and performance optimization of a MotoGP-class motorcycle, integrating the classical model-based approach with new methodologies involving artificial intelligence. The first topic of the research focuses on the estimation of the thermal behavior of the MotoGP carbon braking system. Numerical tools are developed to assess the instantaneous surface temperature distribution in the motorcycle's front brake discs. Within this application other important brake parameters are identified using Kalman filters, such as the disc convection coefficient and the power distribution in the disc-pads contact region. Subsequently, a physical model of the brake is built to estimate the instantaneous braking torque. However, the results obtained with this approach are highly limited by the knowledge of the friction coefficient (μ) between the disc rotor and the pads. Since the value of μ is a highly nonlinear function of many variables (namely temperature, pressure and angular velocity of the disc), an analytical model for the friction coefficient estimation appears impractical to establish. To overcome this challenge, an innovative hybrid solution is implemented, combining the benefit of artificial intelligence (AI) with classical model-based approach. Indeed, the disc temperature estimated through the thermal model previously implemented is processed by a machine learning algorithm that outputs the actual value of the friction coefficient thus improving the braking torque computation performed by the physical model of the brake. Finally, the last topic of this research activity regards the development of an AI algorithm to estimate the current sideslip angle of the motorcycle's front tire. While a single-track motorcycle kinematic model and IMU accelerometer signals theoretically enable sideslip calculation, the presence of accelerometer noise leads to a significant drift over time. To address this issue, a long short-term memory (LSTM) network is implemented.

Development of gripping devices based on electroadhesive forces

In a context of technological innovation, the aim of this thesis is to develop a technology that has gained interest in both scientific and industrial realms. This technology serves as a viable alternative to outdated and energy-consuming industrial systems. Electro-adhesive devices (EADs) leverage electrostatic forces for grasping objects or adhering to surfaces. The advantage of employing electrostatics lies in its adaptability to various materials without compromising the structure or chemistry of the object or surface. These benefits have led the industry to explore this technology as a replacement for costly vacuum systems and suction cups currently used for handling most products. Furthermore, the broad applicability of this technology extends to extreme environments, such as space with ultra-high vacuum conditions. Unfortunately, research in this area has yet to yield practical results for industrially effective gripper prototyping. This is primarily due to the inherent complexity of electro-adhesive technology, which operates on basic capacitive principles that does not find satisfying physical descriptions. This thesis aims to address these challenges through a series of studies, starting with the manufacturing process and testing of an EAD that has become the standard in our laboratory. It then delves into material and electrode geometry studies to enhance system performance, ultimately presenting potential industrial applications of the technology. All the presented results are encouraging, as they have yielded shear force values three times higher than those previously reported in the literature. The various applications have demonstrated the significant effectiveness of EADs as brakes or, more broadly, in exerting shear forces. This opens up the possibility of utilizing cutting-edge technologies to push the boundaries of technology to the fullest.

Two stroke cycle, novel combustion concepts and electrification for a new generation of internal combustion engines

The pursuit of decarbonization and increased efficiency in internal combustion engines (ICE) is crucial for reducing pollution in the mobility sector. While electrification is a long-term goal, ICE still has a role to play if coupled with innovative technologies. This research project explores various solutions to enhance ICE efficiency and reduce emissions, including Low Temperature Combustion (LTC), Dual fuel combustion with diesel and natural gas, and hydrogen integration. LTC methods like Dual fuel and Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) show promise in lowering emissions such as NOx, soot, and CO2. Dual fuel Diesel-Natural Gas with hydrogen addition demonstrates improved efficiency, especially at low loads. RCCI Diesel-Gasoline engines offer increased Brake Thermal Efficiency (BTE) compared to standard diesel engines while reducing specific NOx emissions. The study compares 2-Stroke and 4-Stroke engine layouts, optimizing scavenging systems for both aircraft and vehicle applications. CFD analysis enhances specific power output while addressing injection challenges to prevent exhaust short circuits. Additionally, piston bowl shape optimization in Diesel engines running on Dual fuel (Diesel-Biogas) aims to reduce NOx emissions and enhance thermal efficiency. Unconventional 2-Stroke architectures, such as reverse loop scavenged with valves for high-performance cars, opposed piston engines for electricity generation, and small loop scavenged engines for scooters, are also explored. These innovations, alongside ultra-lean hydrogen combustion, offer diverse pathways toward achieving climate neutrality in the transport sector.

Analysis and prediction of fretting fatigue life.

Fretting fatigue is a fatigue damage process that occurs when two surfaces in contact with each other are subjected to relative micro-slip, causing a reduced fatigue life with respect to the plain fatigue case. Fretting has been now studied deeply for over 50 years, but still no univocal design approach has been universally accepted. This thesis presents a method for predicting the fretting fatigue life of materials based on the material specific fatigue parameters. To validate the method, a set of fretting fatigue experimental tests have been run, using a newly designed specimen. FE analyses of the tests were also run and the SWT parameter was retrieved and it was found to be useful to successfully identify which samples failed. Finally, S-N curves were retrieved by using two different fatigue life predicting methods (CoffinManson and Jahed-Varvani). The two different methods were compared with the experimental results and it was found that the Jahed-Varvani method gave accurate results in terms of fretting fatigue life.

Development and testing of methodologies for the control and diagnosis of innovative combustion systems

In pursuit of aligning with the European Union's ambitious target of achieving a carbon-neutral economy by 2050, researchers, vehicle manufacturers, and original equipment manufacturers have been at the forefront of exploring cutting-edge technologies for internal combustion engines. The introduction of these technologies has significantly increased the effort required to calibrate the models implemented in the engine control units. Consequently the development of tools that reduce costs and the time required during the experimental phases, has become imperative. Additionally, to comply with ever-stricter limits on 〖"CO" 〗_"2" emissions, it is crucial to develop advanced control systems that enhance traditional engine management systems in order to reduce fuel consumption. Furthermore, the introduction of new homologation cycles, such as the real driving emissions cycle, compels manufacturers to bridge the gap between engine operation in laboratory tests and real-world conditions. Within this context, this thesis showcases the performance and cost benefits achievable through the implementation of an auto-adaptive closed-loop control system, leveraging in-cylinder pressure sensors in a heavy-duty diesel engine designed for mining applications. Additionally, the thesis explores the promising prospect of real-time self-adaptive machine learning models, particularly neural networks, to develop an automatic system, using in-cylinder pressure sensors for the precise calibration of the target combustion phase and optimal spark advance in a spark-ignition engines. To facilitate the application of these combustion process feedback-based algorithms in production applications, the thesis discusses the results obtained from the development of a cost-effective sensor for indirect cylinder pressure measurement. Finally, to ensure the quality control of the proposed affordable sensor, the thesis provides a comprehensive account of the design and validation process for a piezoelectric washer test system.

Numerical simulation of the flow and performance evaluation of an aerospike engine

The main focus of this work is to define a numerical methodology to simulate an aerospike engine and then to analyse the performance of DemoP1, which is a small aerospike demonstrator built by Pangea Aerospace. The aerospike is a promising solution to build more efficient engine than the actual one. Its main advantage is the expansion adaptation that allows to reach the optimal expansion in a wide range of ambient pressures delivering more thrust than an equivalent bell-shaped nozzle. The main drawbacks are the cooling system design and the spike manufacturing but nowadays, these issues seem to be overcome with the use of the additive manufacturing method. The simulations are performed with dbnsTurbFoam which is a solver of OpenFOAM. It has been designed to simulate a supersonic compressible turbulent flow. This work is divided in four chapters. The first one is a short introduction. The second one shows a brief summary of the theoretical performance of the aerospike. The third one introduces the numerical methodology to simulate a compressible supersonic flow. In the fourth chapter, the solver has been verified with an experiment found in literature. And in the fifth chapter, the simulations on DemoP1 engine are illustrated.

La Teoria della Calcolabilità nelle scuole secondarie di secondo grado: una proposta didattica

Nonostante l'utilizzo di strumenti informatici nella pratica didattica della matematica sia ormai ampiamente diffuso, l'insegnamento dei principi matematici dell'informatica è preso meno in considerazione anche a causa dei pochi punti di contatto nelle "Indicazioni Nazionali" tra le due materie, matematica e informatica, che sono invece intimamente correlate. Questa tesi descrive una attività didattica incentrata sul concetto di calcolabilità e computabilità e basata sul noto formalismo delle Macchine di Turing. É nostra opinione che coinvolgere gli studenti in tali tipologie di attività possa stimolare oltre all'apprendimento di competenze disciplinari, anche lo sviluppo di importanti competenze trasversali, in primis, il problem solving. L’attività proposta nella tesi è stata realizzata in una classe terza di un istituto tecnico economico dove, a seguito di una spiegazione dell’argomento, sono stati svolti due esercizi di gruppo, utilizzando il software \emph{Turing Machine Visualization}, che permette agli studenti e al docente di avere un supporto visuale al dialogo. Al termine dell’attività didattica è stato somministrato agli studenti un questionario che ha permesso di valutare le competenze acquisite da due prospettive distinte: soggettiva e oggettiva. I risultati del questionario sono ampliamente analizzati e discussi nella tesi.

Sostenibilità degli allevamenti di bovini da latte: valutazione degli impatti ambientali di un'azienda emiliana.

Il surriscaldamento globale è un fenomeno preoccupante ed è accertato che le attività umane sono responsabili di questa crisi climatica causata dall’aumento dei gas serra immessi nell’atmosfera. L’agricoltura contribuisce per il 23% delle emissioni planetarie di gas serra, che derivano per quasi l’80% dalla gestione degli allevamenti. L’allevamento è responsabile di diversi impatti ambientali, quali le emissioni enteriche delle bovine, le emissioni dalla fase di gestione delle deiezioni, e quelle che avvengono nella fase di coltivazione dei terreni aziendali, quali le emissioni di protossido di azoto dovute alle fertilizzazioni azotate e le emissioni derivanti dall’uso dei combustibili per le macchine agricole utilizzate per la gestione del bestiame, il consumo idrico, il consumo di energia per la climatizzazione estiva dell’allevamento e la produzione e lo smaltimento dei rifiuti plastici. Il rapporto però tra produzione di bestiame e cambiamento climatico è bilaterale. Infatti, i cambiamenti climatici influiscono negativamente sulla produzione zootecnica, con effetti diretti sulla salute animale e sull'efficienza riproduttiva, ma anche effetti indiretti derivanti dai cambiamenti nella qualità e quantità dei mangimi, disponibilità di acqua, alterazioni dell'ecosistema che portano a cambiamenti nella distribuzione di agenti patogeni e malattie. Proprio alla relazione, biunivoca, tra allevamento del bestiame ed impatto ambientale è dedicata la presente tesi. È stato infatti condotto uno studio con l'obiettivo di valutare gli impatti ambientali degli allevamenti di bovini da latte, sulla base di un modello di valutazione del ciclo di vita (Life Cycle Assessment) per un allevamento campione di un’azienda emiliana. I risultati emersi mostrano la possibilità di identificare gli impatti più rilevanti nell'allevamento bovino nei mangimi, negli imballaggi in plastica, nel consumo di energia e carburante.

Progettazione di una pinza demolitrice idraulica

Questo elaborato ha come obiettivo quello di progettare una pinza demolitrice idraulica per macchine operatrici che sia effettivamente producibile, industrializzabile, performante, affidabile ed economicamente competitiva per il mercato internazionale odierno. Dopo una prima parte di introduzione all’oggetto di studio e di comparazione con la concorrenza, vengono mostrati i primi studi sulla cinematica e sugli ingombri dell’attrezzatura eseguiti con l’ausilio del software 2D “DraftSight”. A questo punto si passa alla modellazione in 3D eseguita mediante il software “Solidworks” di tutti i componenti analizzando e giustificando le scelte progettuali che sono state fatte. Vengono quindi riportati tutti i calcoli analitici eseguiti, nonché le verifiche strutturali e l’ottimizzazione topologica realizzate mediante l’ausilio del pacchetto FEM “Simulation” di Solidworks. Infine si valutano i risultati ottenuti dalla progettazione e possibili sviluppi futuri.

Protocollo QUIC ed evoluzione di HTTP

Nel documento qui presente verranno analizzati e confrontati i protocolli di rete per la trasmissione e lo scambio di informazioni sul web. Un protocollo di rete può essere definito come un insieme di regole che vengono stabilite per instaurare una comunicazione corretta, inoltre specifica cosa deve essere comunicato, in che modo e quando. Si parla di protocollo di rete se le due macchine che prendono parte alla comunicazione sono remote; quindi, andando ad effettuare una connessione tra loro grazie ad internet. Per prima cosa vengono presentati gli attuali protocolli utilizzati nella rete e ricercati i motivi che hanno portato a crearne e svilupparne di nuovi, effettuando un confronto tra vantaggi e svantaggi di ogni singolo protocollo, analizzandone teoricamente i funzionamenti. In particolare, ci si soffermerà su due protocolli dello stesso genere, vi sarà un confronto di ciò che c’è sempre stato ed è ancora presente, protocollo HTTP tramite TCP, e ciò che si sta cercando di sviluppare ed implementare al meglio HTTP3 implementato con QUIC. Proprio quest’ultimo verrà approfondito ed esaminato nello specifico, andando a mettere a fuoco i principali motivi per cui si è arrivati al suo sviluppo e alla sua implementazione.

Machining feature recognition

La tesi ricade nell'ambito della modellazione dei solidi ed in particolare nel riconoscimento automatico di lavorazioni su di esso presenti con l'obiettivo principale di risolvere alcune delle problematiche presenti nel software SolidPlus. Quest'ultimo ha come scopo quello di acquisire un solido progettato con un software commerciale di progettazione Cad, di rilevare le possibili lavorazioni presenti sulla parte assimilata e generare un file in un formato riconoscibile dalle macchine a controllo numerico per poterlo lavorare. Nel primo capitolo si introduce la rivoluzione industriale scaturita dall'attuazione dei principi dell'industria 4.0. Nel secondo capitolo si esegue un'analisi di alcune delle soluzioni attualmente presenti in letteratura per rilevare e classificare le lavorazioni, con particolare riferimento a quelle soluzioni che si basano sull'analisi del BRep, modello alla base del Cad. Il terzo capitolo riguarda invece il software oggetto di analisi definendo quelle che sono le funzionalità attualmente presenti e le problematiche riscontrate. Il quarto capitolo consiste nell'esame di alcuni casi di fallimento nel riconoscimento delle lavorazioni e delle relative strategie attuate per la risoluzione delle problematiche. In appendice sono stati introdotti i concetti relativi all'iso 10303, standard alla base dei file d'interscambio tra il software di progettazione Cad e le proprietà dei linguaggi a marcatori, fondamentale per lo scambio dati tra software ufficio e macchina

Traduzione umana e traduzione automatica in ambito letterario: un caso di studio su Hunger Games

Sin dal suo ingresso nel mercato della traduzione, la machine translation (MT) è stata impiegata in numerosi settori professionali e ha suscitato l’interesse del grande pubblico. Con l’avvento della traduzione automatica neurale, la MT ha avuto un ulteriore impulso e ci si è iniziati a interrogare sulla possibilità di estenderne il raggio d’azione all’ambito letterario, che sembra tuttora non toccato dagli automatismi delle macchine in virtù della funzione espressiva e del contenuto creativo dei testi. Il presente elaborato nasce quindi con l’obiettivo di valutare l’effettiva applicabilità della traduzione automatica in ambito letterario attraverso un’attenta analisi dell’output prodotto dalla MT supportata da un confronto con la traduzione svolta da un professionista. Questa analisi si baserà sulla traduzione di un estratto del romanzo Hunger Games di Suzanne Collins e le traduzioni verranno effettuate da due dei migliori software di traduzione automatica neurale attualmente sul mercato: ModernMT e DeepL. Una volta terminata la valutazione dei singoli output verranno mostrati i risultati e determinati i limiti e i vantaggi della machine translation.

Valutazione delle tecniche di parallelizzazione nell'addestramento di una CNN per la diagnostica del cancro al seno.

Il cancro è un processo autosufficiente e adattivo che interagisce dinamicamente con il suo microambiente, la cui diagnosi, complessa e dispendiosa in termini di tempo e numero di specialisti impiegati, viene solitamente effettuata valutando l’imaging radiografico oppure effettuando un esame istologico. L'interpretazione di tali immagini risulta generalmente molto complessa, a questo scopo sarebbe molto utile poter addestrare un computer a comprendere tali immagini potendo di fatto affiancarsi allo specialista, senza sostituirlo, al momento della diagnosi. A questo scopo è possibile affidarsi alle tecniche di apprendimento automatico, sistema alla base dell’intelligenza artificiale (AI), le quali permettono di fatto di apprendere automaticamente la rappresentazione delle caratteristiche da immagini campione. Tali tecniche di intelligenza artificiale, hanno però bisogno, per essere addestrate, di grandi quantità di dati in cui il segnale di uscita desiderato è noto, comportando di fatto un aumento delle tempistiche di addestramento. Inoltre, in ambito sanitario, i dati sono distribuiti su più archivi, dislocati sul territorio nazionale, rendendo impossibile l’utilizzo di soluzioni centralizzate. L’obbiettivo di questa trattazione sarà cercare di trovare una soluzione a queste due problematiche, ricorrendo all’utilizzo delle tecniche di parallelizzazione. A seguito dell'introduzione dello scenario biologico e delle tecniche di diagnostica ad esso associato è presentato il percorso di creazione della rete neurale. A seguito del suo addestramento sulla GPU di una singola macchina, ottenendo un'accuratezza dell'83.94% in 5 ore 48 minuti e 43 secondi, è stata introdotto la parallelizzazione ed una sua implementazione. In conclusione, sfruttando il sistema implementato, è stata distribuita la fase di addestramento prima su due macchine e poi su tre, ottenendo una diminuzione del tempo di addestramento rispettivamente del 31.4% e del 50%.

Analisi e ottimizzazione di un convertitore DC-DC impiegato come circuito di interfaccia per un carico rigenerativo

Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un’azienda di Cesena che si occupa della progettazione e costruzione di caricabatterie e saldatrici e si pone come scopo di analizzare quello che viene chiamato carico "rigenerativo" un dispositivo che permette di testare e collaudare questo tipo di macchine consumando la minor energia elettrica possibile. In particolare si discuterà come avviene il funzionamento del circuito di interfaccia e la sua resa energetica attraverso alcune simulazioni con vari tipi di carichi. Verrà anche presa in esame una prova con il circuito realizzato e confrontata con quella analoga svolta al simulatore.