Kinematics and statics of cable-driven parallel robots by interval-analysis-based methods

In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can exert only efforts of pure traction. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis based procedure for the solution of the direct geometric problem of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with the auxiliary work done during its design and simulation phases.

Teoria del consenso e applicazione al problema del coordinamento del moto di robot.

Il sempre crescente numero di applicazioni di reti di sensori, robot cooperanti e formazioni di veicoli, ha fatto sì che le problematiche legate al coordinamento di sistemi multi-agente (MAS) diventassero tra le più studiate nell’ambito della teoria dei controlli. Esistono numerosi approcci per affrontare il problema, spesso profondamente diversi tra loro. La strategia studiata in questa tesi è basata sulla Teoria del Consenso, che ha una natura distribuita e completamente leader-less; inoltre il contenuto informativo scambiato tra gli agenti è ridotto al minimo. I primi 3 capitoli introducono ed analizzano le leggi di interazione (Protocolli di Consenso) che permettono di coordinare un Network di sistemi dinamici. Nel capitolo 4 si pensa all'applicazione della teoria al problema del "loitering" circolare di più robot volanti attorno ad un obiettivo in movimento. Si sviluppa a tale scopo una simulazione in ambiente Matlab/Simulink, che genera le traiettorie di riferimento di raggio e centro impostabili, a partire da qualunque posizione iniziale degli agenti. Tale simulazione è stata utilizzata presso il “Center for Research on Complex Automated Systems” (CASY-DEI Università di Bologna) per implementare il loitering di una rete di quadrirotori "CrazyFlie". I risultati ed il setup di laboratorio sono riportati nel capitolo 5. Sviluppi futuri si concentreranno su algoritmi locali che permettano agli agenti di evitare collisioni durante i transitori: il controllo di collision-avoidance dovrà essere completamente indipendente da quello di consenso, per non snaturare il protocollo di Consenso stesso.

Tecniche automatiche di mapping e localizzazione in ambienti indoor

Il mapping di grandezze fisiche risulta estremamente importante, essendo in grado di fornire un adeguato supporto per la localizzazione e il monitoraggio di parametri ambientali sensibili. Nel caso indoor, in assenza di un sistema di localizzazione di riferimento analogo al GPS per il caso outdoor, sfruttando appieno le potenzialità della sensoristica a bordo degli smartphone, si è fatto progressivamente strada il mapping di grandezze fisiche quali, ad esempio, il segnale Wi-Fi e il campo magnetico terrestre. In questo caso il mapping, senza richiedere alcuna infrastruttura e coadiuvato dall'utilizzo di dispositivi portatili largamente diffusi ad uso quotidiano, rappresenta una soluzione relativamente recente ridefinibile come Mobile Crowd Sensing. Il MCS rappresenta un nuovo paradigma di servizio, volto a sfruttare l'interconnettività tra dispositivi portatili per effettuare misurazioni di caratteristiche ambientali in maniera automatizzata, aggregandole in un sistema cloud usufruibile ad una vasta comunità. Tuttavia , il considerevole flusso di dati generato, la variabilità temporale delle grandezze di interesse e il rumore insito nelle misurazioni costituiscono problematiche fondamentali per l'utilizzo e la gestione delle misurazioni effettuate. Per tali motivi l'attività di tesi ha previsto i seguenti obiettivi: (i) fornire una panoramica delle principali tecniche e tecnologie di localizzazione volta a motivare l'importanza del mapping di grandezze fisiche ambientali; (ii) individuazione di grandezze fisiche appetibili per la creazione di mappe affidabili e realizzabili nei contesti applicativi più disparati, sfruttando risorse già presenti nell'ambiente; (iii) sviluppo di un algoritmo statistico in grado di fornire una stima accurata dell'andamento spaziale della grandezza di interesse attraverso un numero limitato di misurazioni, mantenendo la compatibilità con processi MCS e una bassa complessità computazionale. L’algoritmo sviluppato è stato validato attraverso simulazioni e misurazioni svolte in ambienti reali. In particolare, prove sperimentali sono state effettuate nell’arena Vicon nei laboratori DEI dell’Università di Bologna, sede Cesena, concepita dal gruppo di ricerca Casy.

Studio della trasmissione del moto in teste birotative di macchine CNC a 5 assi per la seconda lavorazione del legno

Studio della trasmissione del moto in teste birotative. Vengono analizzate le caratteristiche delle teste birotative in genere. Vengono imposti gli obiettivi per il progetto di una nuova testa birotativa, che verranno utilizzati per effettuare la scelta di una trasmissione di precisione. E' in seguito riportato un procedimento per la verifica dei servomotori e la definizione del rapporto di trasmissione del riduttore. Vengono infine avviate una fase di studio ed un approccio alla simulazione FEM per il riduttore scelto.

Stato dell'arte della progettazione automatica di programmi per robot

La comprensione delle proprietà e delle meccaniche di funzionamento dei sistemi complessi e dinamici che ci circondano è uno degli obiettivi principali delle discipline ingegneristiche e scientifiche. Lo sviluppo nel campo dell'Intelligenza Artificiale ha permesso la creazione di entità robotiche sempre più intelligenti, in grado di manifestare comportamenti notevoli e di raggiungere gli obiettivi prefissati: la progettazione di software di controllo ha velocemente ricevuto una crescente responsabilità. Questo elaborato si propone di inquadrare in generale la situazione della progettazione di software di controllo robotici, focalizzandosi in particolare sulle tecniche di progettazione automatica di programmi per robot: dopo aver inquadrato il background su cui si basa la progettazione automatica ed aver mostrato una panoramica dei principali metodi di progettazione diretta, vengono elencate e spiegate le tecniche più utilizzate ed interessanti della progettazione automatica di programmi per robot.

Applicazione del linguaggio ad agenti Jason per la programmazione di alto livello di robot

I sistemi software rivestono nel campo dell'informatica un ruolo di fondamentale importanza. Negli ultimi anni una caratteristica richiesta ai sistemi è la decentralizzazione del controllo, nell'ottica di un sistema visto come connessioni di parti che possono interagire, e dove ciascuna parte possiede un certo grado di autonomia nella scelta delle attività che devono essere compiute. In tale contesto si introduce il paradigma degli agenti, in quanto include sia aspetti relativi ai modelli computazionali, sia aspetti relativi ai linguaggi. Nella tesi si esplora l'applicazione del linguaggio di programmazione Jason applicato alla programmazione dei controllori di robot. In particolare, si esplora ciò che riguarda il comportamento individuale dell'agente.

Migrazione concorrente di macchine virtuali su piattaforme open source

Questa tesi si pone l’obiettivo di effettuare un’analisi aggiornata sulla recente evoluzione del Cloud Computing e dei nuovi modelli architetturali a sostegno della continua crescita di richiesta di risorse di computazione, di storage e di rete all'interno dei data center, per poi dedicarsi ad una fase sperimentale di migrazioni live singole e concorrenti di macchine virtuali, studiandone le prestazioni a livello di risorse applicative e di rete all’interno della piattaforma open source di virtualizzazione QEMU-KVM, oggi alla base di sistemi cloud-based come Openstack. Nel primo capitolo, viene effettuato uno studio dello stato dell’arte del Cloud Computing, dei suoi attuali limiti e delle prospettive offerte da un modello di Cloud Federation nel futuro immediato. Nel secondo capitolo vengono discusse nel dettaglio le tecniche di live migration, di recente riferimento per la comunità scientifica internazionale e le possibili ottimizzazioni in scenari inter e intra data center, con l’intento di definire la base teorica per lo studio approfondito dell’implementazione effettiva del processo di migrazione su piattaforma QEMU-KVM, che viene affrontato nel terzo capitolo. In particolare, in quest’ultimo sono descritti i principi architetturali e di funzionamento dell'hypervisor e viene definito il modello di progettazione e l’algoritmo alla base del processo di migrazione. Nel quarto capitolo, infine, si presenta il lavoro svolto, le scelte configurative e progettuali per la creazione di un ambiente di testbed adatto allo studio di sessioni di live migration concorrenti e vengono discussi i risultati delle misure di performance e del comportamento del sistema, tramite le sperimentazioni effettuate.

Extracting FSA descriptions of robot behaviours from the dynamics of automatically designed controller networks

Automatic design has become a common approach to evolve complex networks, such as artificial neural networks (ANNs) and random boolean networks (RBNs), and many evolutionary setups have been discussed to increase the efficiency of this process. However networks evolved in this way have few limitations that should not be overlooked. One of these limitations is the black-box problem that refers to the impossibility to analyze internal behaviour of complex networks in an efficient and meaningful way. The aim of this study is to develop a methodology that make it possible to extract finite-state automata (FSAs) descriptions of robot behaviours from the dynamics of automatically designed complex controller networks. These FSAs unlike complex networks from which they're extracted are both readable and editable thus making the resulting designs much more valuable.

Analisi dei flussi logistici e re-layout di uno stabilimento industriale: caso Tecnomec s.r.l

Analisi dei flussi logistici di un impianto industriale al fine di modificare il layout aziendale in vista di nuovi investimenti.

Tesi sperimentale per valutare l'esperienza chirurgica nell'uso del robot Da Vinci Si

Questa tesi si compone di due parti tra loro correlate. Nella prima viene analizzato l’attuale stato dell’arte in ambito di robot chirurgici e, successivamente, sono illustrate le caratteristiche tecniche e funzionali del robot chirurgico Da Vinci Si e ne viene evidenziata la mancanza di sensori in grado di fornire all’utilizzatore un feedback aptico. La seconda parte propone uno studio che ha lo scopo di dimostrare come l’esperienza del chirurgo riesca a sopperire alla mancanza di un sensore in grado di fornire un riscontro della forza impressa sugli strumenti nel campo operatorio. A questo proposito, vengono illustrati i risultati del test appositamente costruito, cui è stato sottoposto un campione di chirurghi di diversi ambiti specialistici, per dimostrare come l’esperienza e la destrezza consentono all’utilizzatore del robot Da Vinci Si di ricevere un’indicazione della forza impressa sui tessuti del campo operatorio tramite un riscontro visivo.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati realta aumentata mobile: un caso di studio, con approfondimento relativo al livello delle comunicazioni

Il grande sviluppo a cui stiamo assistendo negli ultimi anni nell'ambito delle tecnologie mobile e del wearable computing apre le porte a scenari innovativi e interessanti per quanto riguarda sistemi distribuiti collaborativi. Le persone possono sempre più facilmente cooperare e scambiarsi informazioni grazie a queste nuove tecnologie e si può pensare allo sviluppo di sistemi che permettano forme molto avanzate di collaborazione facendo leva sull'aspetto hands-free, ovvero sulla possibilità di utilizzare dispositivi che liberino le mani, come i moderni smart-glasses. Per lo sviluppo di tali sistemi è necessario però studiare nuove tecniche e architetture, in quanto gli strumenti ad oggi a disposizione a supporto della realtà aumentata non sembrano essere del tutto adeguati per tale scopo. Infatti piattaforme come Wikitude o Layar, seppure offrano potenti tecniche di riconoscimento di markers e immagini e di rendering, non offrono quella dinamicità fondamentale per un sistema distribuito collaborativo. Questo scritto ha lo scopo di esplorare questi aspetti mediante l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un semplice caso di studio ispirato a sistemi collaborativi distribuiti basati su realtà aumentata. In particolare in questo lavoro si porrà l'attenzione sul livello delle comunicazioni e delle infrastrutture di rete.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: un caso di studio, con approfondimento relativo all'interfaccia utente

L'obiettivo di questa tesi è quello di esplorare l'ideazione di sistemi software collaborativi innovativi basati su smart-glasses e forme di realtà aumentata mobile. In particolare, è stato formulato un caso di studio che cattura alcuni aspetti essenziali di questi sistemi: un'applicazione nel quale più utenti dotati di smart glasses si muovono in una zona precisa cercando di raggiungere tutti i punti d'interesse preimpostati in fase di inizializzazione e ottendendo le ricompense contenute dentro agli scrigni situati nei suddetti punti. Lo specifico caso di studio si occupa di approfondire gli aspetti relativi all'Interfaccia Utente, mentre precedentemente erano state affrontate le parti riguardanti la comunicazione e la cooperazione. L'applicazione è location-based e si serve delle tecniche di geolocalizzazione GPS ed è hands-free perché l'interfaccia grafica è mostrata all'utente tramite lo schermo degli smart-glasses.

Uso di dati di telemetria per studiare la qualità e l'affidabilità di macchine per gelato espresso

L’odierno mercato concorrenziale ha portato le aziende a rinnovare il sistema produttivo, spostandosi da un approccio innovativo convergente, in cui le imprese erano le uniche detentrici del controllo dell’intero processo, fin dalla generazione di nuove idee e proposte di innovazione, ad un approccio aperto, denominato Open Innovation, che fa leva sul concetto di flusso libero e bidirezionale di idee e tecnologie tra l’azienda e l’ambiente esterno. È in questo contesto che è stata progettata in Carpigiani una piattaforma e-maintenance chiamata Teorema che, sfruttando un sistema di telemetria, consente di monitorare in tempo reale le macchine installate presso l’utente finale, acquisendo importanti informazioni sul reale utilizzo e sulle effettive funzionalità impiegate dal cliente. Grazie a tale gestione remota, allo stesso tempo è possibile garantire un’efficace operazione di diagnostica e prognostica atte a prevenire eventuali malfunzionamenti. Il presente elaborato fornisce un concreto metodo di utilizzo di tale piattaforma per il monitoraggio real time di macchine per gelato espresso, al fine di verificarne l’effettivo utilizzo da parte del cliente ed il corretto dimensionamento dell’impianto. Per mezzo della piattaforma Teorema è stato inoltre possibile eseguire un’indagine comparativa sui consumi energetici misurati in macchina, testando l’efficienza di funzionamento. Infine è stata eseguita un’analisi FMEA degli allarmi rilevati sul parco di macchine analizzate, per valutare l’affidabilità della macchina e dei suoi componenti.

Approccio dichiarativo alla generazione automatica del layout per testo a fronte su piattaforma web

Il contributo di questo lavoro è stata la realizzazione di un motore di layout specializzato per il testo a fronte basato su paradigma dichiarativo chiamato Sider, che permette all'utente di generare automaticamente layout a fronte anche complessi specificando direttamente le regole da utilizzare per l'allineamento, riducendo drasticamente i problemi legati agli approcci tradizionali. La scelta di seguire un approccio dichiarativo, è stata dettata dal fatto che è il paradigma che permette di ottenere il miglior compromesso tra automatizzazione del layout e interazione utente poiché per natura stessa del testo a fronte l'intervento umano non è totalmente eliminabile.