Hyperspectral image compression onboard next-generation satellites: implementation solutions on GPU and FPGAs

Programa de doctorado: Ingeniería de Telecomunicación Avanzada

Topological analysis of singularity loci for serial and parallel manipulators

Singularities of robot manipulators have been intensely studied in the last decades by researchers of many fields. Serial singularities produce some local loss of dexterity of the manipulator, therefore it might be desirable to search for singularityfree trajectories in the jointspace. On the other hand, parallel singularities are very dangerous for parallel manipulators, for they may provoke the local loss of platform control, and jeopardize the structural integrity of links or actuators. It is therefore utterly important to avoid parallel singularities, while operating a parallel machine. Furthermore, there might be some configurations of a parallel manipulators that are allowed by the constraints, but nevertheless are unreachable by any feasible path. The present work proposes a numerical procedure based upon Morse theory, an important branch of differential topology. Such procedure counts and identify the singularity-free regions that are cut by the singularity locus out of the configuration space, and the disjoint regions composing the configuration space of a parallel manipulator. Moreover, given any two configurations of a manipulator, a feasible or a singularity-free path connecting them can always be found, or it can be proved that none exists. Examples of applications to 3R and 6R serial manipulators, to 3UPS and 3UPU parallel wrists, to 3UPU parallel translational manipulators, and to 3RRR planar manipulators are reported in the work.

Informationsstrukturen der protokollbasierten Medizin

Die protokollbasierte Medizin stellt einen interdisziplinären Brennpunkt der Informatik dar. Als besonderer Ausschnitt der medizinischen Teilgebiete erlaubt sie die relativ formale Spezifikation von Prozessen in den drei Bereichen der Prävention, Diagnose und Therapie.Letzterer wurde immer besonders fokussiert und gilt seit jeher im Rahmen klinischer Studien als Projektionsfläche für informationstechnologische Konzepte. Die Euphorie der frühen Jahre ernüchtert sich jedoch bei jeder Bilanz. Nur sehr wenige der unzählbaren Projekte haben ihre Routine in der alltäglichen Praxis gefunden. Die meisten Vorhaben sind an der Illusion der vollständigen Berechenbarkeit medizinischer Arbeitsabläufe gescheitert. Die traditionelle Sichtweise der klinischen Praxis beruht auf einer blockorientierten Vorstellung des Therapieausführungsprozesses. Sie entsteht durch seine Zerlegung in einzelne Therapiezweige, welche aus vordefinierten Blöcken zusammengesetzt sind. Diese können sequentiell oder parallel ausgeführt werden und sind selbst zusammengesetzt aus jeweils einer Menge von Elementen,welche die Aktivitäten der untersten Ebene darstellen. Das blockorientierte Aufbaumodell wird ergänzt durch ein regelorientiertes Ablaufmodell. Ein komplexes Regelwerk bestimmt Bedingungen für die zeitlichen und logischen Abhängigkeiten der Blöcke, deren Anordnung durch den Ausführungsprozeß gebildet wird. Die Modellierung der Therapieausführung steht zunächst vor der grundsätzlichen Frage, inwieweit die traditionelle Sichtweise für eine interne Repräsentation geeignet ist. Das übergeordnete Ziel besteht in der Integration der unterschiedlichen Ebenen der Therapiespezifikation. Dazu gehört nicht nur die strukturelle Komponente, sondern vorallem die Ablaufkomponente. Ein geeignetes Regelmodell ist erforderlich, welches den spezifischen Bedürfnissen der Therapieüberwachung gerecht wird. Die zentrale Aufgabe besteht darin, diese unterschiedlichen Ebenen zusammenzuführen. Eine sinnvolle Alternative zur traditionellen Sichtweise liefert das zustandsorientierte Modell des Therapieausführungsprozesses. Das zustandsorientierte Modell beruht auf der Sichtweise, daß der gesamte Therapieausführungsprozeß letztendlich eine lineare Folge von Zuständen beschreibt, wobei jeder Zustandsübergang durch ein Ereignis eingeleitet wird, an bestimmte Bedingungen geknüpft ist und bestimmte Aktionen auslösen kann. Die Parallelität des blockorientierten Modells tritt in den Hintergrund, denn die Menge der durchzuführenden Maßnahmen sind lediglich Eigenschaften der Zustände und keine strukturellen Elemente der Ablaufspezifikation. Zu jedem Zeitpunkt ist genau ein Zustand aktiv, und er repräsentiert eine von endlich vielen klinischen Situationen, mit all ihren spezifischen Aktivitäten und Ausführungsregeln. Die Vorteile des zustandsorientierten Modells liegen in der Integration. Die Grundstruktur verbindet die statische Darstellung der möglichen Phasenanordnungen mit der dynamischen Ausführung aktiver Regeln. Die ursprünglichen Inhalte des blockorientierten Modells werden als gewöhnliche Eigenschaften der Zustände reproduziert und stellen damit nur einen Spezialfall der zustandsbezogenen Sicht dar.Weitere Möglichkeiten für die Anreicherung der Zustände mit zusätzlichen Details sind denkbar wie sinnvoll. Die Grundstruktur bleibt bei jeder Erweiterung jedoch die gleiche. Es ergibt sich ein wiederverwendbares Grundgerüst,ein gemeinsamer Nenner für die Erfüllung der Überwachungsaufgabe.

The potential of the 3-UPU translational parallel manipulator and a procedure to select the best architecture

The 3-UPU three degrees of freedom fully parallel manipulator, where U and P are for universal and prismatic pair respectively, is a very well known manipulator that can provide the platform with three degrees of freedom of pure translation, pure rotation or mixed translation and rotation with respect to the base, according to the relative directions of the revolute pair axes (each universal pair comprises two revolute pairs with intersecting and perpendicular axes). In particular, pure translational parallel 3-UPU manipulators (3-UPU TPMs) received great attention. Many studies have been reported in the literature on singularities, workspace, and joint clearance influence on the platform accuracy of this manipulator. However, much work has still to be done to reveal all the features this topology can offer to the designer when different architecture, i.e. different geometry are considered. Therefore, this dissertation will focus on this type of the 3-UPU manipulators. The first part of the dissertation presents six new architectures of the 3-UPU TPMs which offer interesting features to the designer. In the second part, a procedure is presented which is based on some indexes, in order to allows the designer to select the best architecture of the 3-UPU TPMs for a given task. Four indexes are proposed as stiffness, clearance, singularity and size of the manipulator in order to apply the procedure.

A hybrid technology for parallel recording of single ion channels

Hybrid technologies, thanks to the convergence of integrated microelectronic devices and new class of microfluidic structures could open new perspectives to the way how nanoscale events are discovered, monitored and controlled. The key point of this thesis is to evaluate the impact of such an approach into applications of ion-channel High Throughput Screening (HTS)platforms. This approach offers promising opportunities for the development of new classes of sensitive, reliable and cheap sensors. There are numerous advantages of embedding microelectronic readout structures strictly coupled to sensing elements. On the one hand the signal-to-noise-ratio is increased as a result of scaling. On the other, the readout miniaturization allows organization of sensors into arrays, increasing the capability of the platform in terms of number of acquired data, as required in the HTS approach, to improve sensing accuracy and reliabiity. However, accurate interface design is required to establish efficient communication between ionic-based and electronic-based signals. The work made in this thesis will show a first example of a complete parallel readout system with single ion channel resolution, using a compact and scalable hybrid architecture suitable to be interfaced to large array of sensors, ensuring simultaneous signal recording and smart control of the signal-to-noise ratio and bandwidth trade off. More specifically, an array of microfluidic polymer structures, hosting artificial lipid bilayers blocks where single ion channel pores are embededed, is coupled with an array of ultra-low noise current amplifiers for signal amplification and data processing. As demonstrating working example, the platform was used to acquire ultra small currents derived by single non-covalent molecular binding between alpha-hemolysin pores and beta-cyclodextrin molecules in artificial lipid membranes.

Parallel modeling of the electric field distribution in the brain

The term "Brain Imaging" identi�es a set of techniques to analyze the structure and/or functional behavior of the brain in normal and/or pathological situations. These techniques are largely used in the study of brain activity. In addition to clinical usage, analysis of brain activity is gaining popularity in others recent �fields, i.e. Brain Computer Interfaces (BCI) and the study of cognitive processes. In this context, usage of classical solutions (e.g. f MRI, PET-CT) could be unfeasible, due to their low temporal resolution, high cost and limited portability. For these reasons alternative low cost techniques are object of research, typically based on simple recording hardware and on intensive data elaboration process. Typical examples are ElectroEncephaloGraphy (EEG) and Electrical Impedance Tomography (EIT), where electric potential at the patient's scalp is recorded by high impedance electrodes. In EEG potentials are directly generated from neuronal activity, while in EIT by the injection of small currents at the scalp. To retrieve meaningful insights on brain activity from measurements, EIT and EEG relies on detailed knowledge of the underlying electrical properties of the body. This is obtained from numerical models of the electric �field distribution therein. The inhomogeneous and anisotropic electric properties of human tissues make accurate modeling and simulation very challenging, leading to a tradeo�ff between physical accuracy and technical feasibility, which currently severely limits the capabilities of these techniques. Moreover elaboration of data recorded requires usage of regularization techniques computationally intensive, which influences the application with heavy temporal constraints (such as BCI). This work focuses on the parallel implementation of a work-flow for EEG and EIT data processing. The resulting software is accelerated using multi-core GPUs, in order to provide solution in reasonable times and address requirements of real-time BCI systems, without over-simplifying the complexity and accuracy of the head models.

Singularity-Free Fully-Isotropic Translational Parallel Manipulators

Parallel mechanisms show desirable characteristics such as a large payload to robot weight ratio, considerable stiffness, low inertia and high dynamic performances. In particular, parallel manipulators with fewer than six degrees of freedom have recently attracted researchers’ attention, as their employ may prove valuable in those applications in which a higher mobility is uncalled-for. The attention of this dissertation is focused on translational parallel manipulators (TPMs), that is on parallel manipulators whose output link (platform) is provided with a pure translational motion with respect to the frame. The first part deals with the general problem of the topological synthesis and classification of TPMs, that is it identifies the architectures that TPM legs must possess for the platform to be able to freely translate in space without altering its orientation. The second part studies both constraint and direct singularities of TPMs. In particular, special families of fully-isotropic mechanisms are identified. Such manipulators exhibit outstanding properties, as they are free from singularities and show a constant orthogonal Jacobian matrix throughout their workspace. As a consequence, both the direct and the inverse position problems are linear and the kinematic analysis proves straightforward.

Kriterien effizienter Informationsverarbeitung als Prädiktoren des Karriereerfolgs

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Kriterien effizienter und flexibler Informationsverarbeitung und deren Auswirkungen auf den Karriereerfolg. Die Kriterien Interferenz, Interferenz unter der negativen Priming-Bedingung und die Spontanflexibilität wurden in drei aufeinander aufbauenden Studien untersucht. Die Interferenzindices wurden mit einer modifizierten Form des Stroop-Tests erhoben, und das Konstrukt der Spontanflexibilität wurde mit der Gauß-Aufgabe, der Wasserumschüttaufgabe, dem Wortgruppentest und der Anagramm-Aufgabe operationalisiert. Bei diesen Aufgaben wurde eine Lösungsstrategie vorgegeben, aber es gab zusätzlich eine effizientere Lösungsstrategie, die während der Bearbeitung der Einzelaufgaben immer offensichtlicher wurde. Da die einzelnen Aufgaben nicht signifikant miteinander korrelierten, wurde im Rahmen einer Nachuntersuchung die Reliabilität über Parallelaufgaben geprüft. Für die Diagnose von Gruppenunterschieden erwiesen sich die Indikatoren der Spontanflexibilität als hinreichend reliabel. Die Wortdarbietungszeiten der Interferenzindices waren hochreliabel. Zwischen den Interferenzindices zeigte sich ein starker positiver Zusammenhang. Zur Validierung der Aufgaben wurden Beurteilungen über die berufliche Leistung der Versuchsteilnehmer herangezogen. Zwischen den einzelnen Beurteilungskriterien zeigten sich hohe Zusammenhänge. Die Gauß-Aufgabe korrelierte mit einem Beurteilungskriterium, dessen Verhaltensbeschreibungen sehr gut mit der Definition der Spontanflexibilität übereinstimmten. Die Wasserumschüttaufgabe korrelierte mit einem Beurteilungskriterium, welches eher eine durch die Situation herausgeforderte Flexibilität widerspiegelt. Die Interferenzindikatoren korrelierten mit Beurteilungskriterien, die zum einen die Fähigkeit zum Aufbauen von professionellen Beziehungen und zum anderen die Effizienz und den Qualitätsstandard eines Mitarbeiters bewerteten. Aufgrund der replizierten Zusammenhänge kann davon ausgegangen werden, dass die Interferenz, die Interferenz unter der negativen Priming-Bedingung, die Spontanflexibilität und die herausgeforderte Flexibilität Einfluss auf den Karriereerfolg eines Mitarbeiters nehmen. Aus diesem Grund bieten sich im Bereich der Arbeits- und Organisationspsychologie vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für die in dieser Untersuchung entwickelten Tests an.

A parallel community detection algorithm

Complex networks analysis is a very popular topic in computer science. Unfortunately this networks, extracted from different contexts, are usually very large and the analysis may be very complicated: computation of metrics on these structures could be very complex. Among all metrics we analyse the extraction of subnetworks called communities: they are groups of nodes that probably play the same role within the whole structure. Communities extraction is an interesting operation in many different fields (biology, economics,...). In this work we present a parallel community detection algorithm that can operate on networks with huge number of nodes and edges. After an introduction to graph theory and high performance computing, we will explain our design strategies and our implementation. Then, we will show some performance evaluation made on a distributed memory architectures i.e. the supercomputer IBM-BlueGene/Q "Fermi" at the CINECA supercomputing center, Italy, and we will comment our results.

Inverse Static Analysis of Massive Parallel Arrays of Three-State Actuators via Artificial Intelligence

Massive parallel robots (MPRs) driven by discrete actuators are force regulated robots that undergo continuous motions despite being commanded through a finite number of states only. Designing a real-time control of such systems requires fast and efficient methods for solving their inverse static analysis (ISA), which is a challenging problem and the subject of this thesis. In particular, five Artificial intelligence methods are proposed to investigate the on-line computation and the generalization error of ISA problem of a class of MPRs featuring three-state force actuators and one degree of revolute motion.

Le opere di urbanizzazione a scomputo degli oneri

Le considerazioni sviluppate in questo scritto si pongono come obiettivo quello di fare chiarezza sul delicato tema delle opere di urbanizzazione a scomputo. La normativa concernente la realizzazione delle opere pubbliche a scomputo totale o parziale degli oneri di urbanizzazione è stata oggetto di svariate modifiche e interpretazioni giurisprudenziali, che si sono susseguite dopo l'importante pronuncia della Corte di Giustizia Europea. E' con questa sentenza che i Giudici del Kirchberg introducono un particolare obbligo procedurale a carico dei privati: nel caso in cui singole opere superino i valori di rilevanza europea, esse devono essere affidate, applicando le procedure di gara previste dalla direttiva 37/93/CEE. Va precisato che sino a quel momento l'affidamento diretto delle opere al privato costituiva nell'ottica del Legislatore lo strumento per realizzare le infrastrutture necessarie per consentire gli insediamenti edilizi che la pubblica amministrazione spesso non era in grado di effettuare. In questo panorama legislativo la sentenza della Corte di Giustizia, appare del tutto dirompente. Infatti, introducendo il principio secondo cui anche la realizzazione diretta delle opere di urbanizzazione da parte del privato deve sottostare alle regole delle procedure europee in materia di appalti, mette inevitabilmente a confronto due normative, quella degli appalti pubblici e quella dell'urbanistica, che sino a quel momento erano riuscite a viaggiare in modo parallelo, senza dar luogo a reciproche sovrapposizioni. Il Legislatore nazionale ha, con molta fatica, recepito il principio comunitario ed è stato negli anni quasi costretto, attraverso una serie di modifiche legislative, ad ampliarne la portata. La presente ricerca, dopo aver analizzato i vari correttivi apportati al Codice degli appalti pubblici vuole, quindi, verificare se l'attuale quadro normativo rappresenti un vero punto di equilibrio tra le contrapposte esigenze di pianificazione del territorio e di rispetto dei principi comunitari di concorrenza nella scelta del contraente.