Robotics learning based on collaborative projects

[EN]Nowadays companies demand graduates able to work in multidisciplinary and collaborative projects. Hence, new educational methods are needed in order to support a more advanced society, and progress towards a higher quality of life and sustainability. The University of the Basque Country belongs to the European Higher Education Area, which was created as a result of the Bologna process to ensure the connection and quality of European national educational systems. In this framework, this paper proposes an innovative teaching methodology developed for the "Robotics" subject course that belongs to the syllabus of the B.Sc. degree in Industrial Electronics and Automation Engineering. We present an innovative methodology for Robotics learning based on collaborative projects, aimed at responding to the demands of a multidisciplinary and multilingual society.

XWiki Mobile: architetture collaborative per device mobili

Studio di una interfaccia mobile web per la piattaforma XWiki.

Structured P2P Video Streaming and Collaborative Failure Detection

Il video streaming in peer-to-peer sta diventando sempre più popolare e utiliz- zato. Per tali applicazioni i criteri di misurazione delle performance sono: - startup delay: il tempo che intercorre tra la connessione e l’inizio della ripro- duzione dello stream (chiamato anche switching delay), - playback delay: il tempo che intercorre tra l’invio da parte della sorgente e la riproduzione dello stream da parte di un peer, - time lag: la differenza tra i playback delay di due diversi peer. Tuttavia, al giorno d’oggi i sistemi P2P per il video streaming sono interessati da considerevoli ritardi, sia nella fase di startup che in quella di riproduzione. Un recente studio su un famoso sistema P2P per lo streaming, ha mostrato che solitamente i ritardi variano tra i 10 e i 60 secondi. Gli autori hanno osservato anche che in alcuni casi i ritardi superano i 4 minuti! Si tratta quindi di gravi inconvenienti se si vuole assistere a eventi in diretta o se si vuole fruire di applicazioni interattive. Alcuni studi hanno mostrato che questi ritardi sono la conseguenza della natura non strutturata di molti sistemi P2P. Ogni stream viene suddiviso in blocchi che vengono scambiati tra i peer. A causa della diffusione non strutturata del contenuto, i peer devono continuamente scambiare informazioni con i loro vicini prima di poter inoltrare i blocchi ricevuti. Queste soluzioni sono estremamente re- sistenti ai cambiamenti della rete, ma comportano una perdita notevole in termini di prestazioni, rendendo complicato raggiungere l’obiettivo di un broadcast in realtime. In questo progetto abbiamo lavorato su un sistema P2P strutturato per il video streaming che ha mostrato di poter offrire ottimi risultati con ritardi molto vicini a quelli ottimali. In un sistema P2P strutturato ogni peer conosce esattamente quale blocchi inviare e a quali peer. Siccome il numero di peer che compongono il sistema potrebbe essere elevato, ogni peer dovrebbe operare possedendo solo una conoscenza limitata dello stato del sistema. Inoltre il sistema è in grado di gestire arrivi e partenze, anche raggruppati, richiedendo una riorganizzazione limitata della struttura. Infine, in questo progetto abbiamo progettato e implementato una soluzione personalizzata per rilevare e sostituire i peer non più in grado di cooperare. Anche per questo aspetto, l’obiettivo è stato quello di minimizzare il numero di informazioni scambiate tra peer.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Collaborative Change: Environmental Jolt, Network (Re)Design and Firm Performance

Motivated by the need to understand which are the underlying forces that trigger network evolution, we develop a multilevel theoretical and empirically testable model to examine the relationship between changes in the external environment and network change. We refer to network change as the dissolution or replacement of an interorganizational tie, adding also the case of the formation of new ties with new or preexisting partners. Previous research has paid scant attention to the organizational consequences of quantum change enveloping entire industries in favor of an emphasis on continuous change. To highlight radical change we introduce the concept of environmental jolt. The September 11 terrorist attacks provide us with a natural experiment to test our hypotheses on the antecedents and the consequences of network change. Since network change can be explained at multiple levels, we incorporate firm-level variables as moderators. The empirical setting is the global airline industry, which can be regarded as a constantly changing network of alliances. The study reveals that firms react to environmental jolts by forming homophilous ties and transitive triads as opposed to the non jolt periods. Moreover, we find that, all else being equal, firms that adopt a brokerage posture will have positive returns. However, we find that in the face of an environmental jolt brokerage relates negatively to firm performance. Furthermore, we find that the negative relationship between brokerage and performance during an environmental jolt is more significant for larger firms. Our findings suggest that jolts are an important predictor of network change, that they significantly affect operational returns and should be thus incorporated in studies of network dynamics.

Coordination and Control of Autonomous Mobile Robots Swarms by using Particle Swarm Optimization Algorithm and Consensus Theory

This thesis presents some different techniques designed to drive a swarm of robots in an a-priori unknown environment in order to move the group from a starting area to a final one avoiding obstacles. The presented techniques are based on two different theories used alone or in combination: Swarm Intelligence (SI) and Graph Theory. Both theories are based on the study of interactions between different entities (also called agents or units) in Multi- Agent Systems (MAS). The first one belongs to the Artificial Intelligence context and the second one to the Distributed Systems context. These theories, each one from its own point of view, exploit the emergent behaviour that comes from the interactive work of the entities, in order to achieve a common goal. The features of flexibility and adaptability of the swarm have been exploited with the aim to overcome and to minimize difficulties and problems that can affect one or more units of the group, having minimal impact to the whole group and to the common main target. Another aim of this work is to show the importance of the information shared between the units of the group, such as the communication topology, because it helps to maintain the environmental information, detected by each single agent, updated among the swarm. Swarm Intelligence has been applied to the presented technique, through the Particle Swarm Optimization algorithm (PSO), taking advantage of its features as a navigation system. The Graph Theory has been applied by exploiting Consensus and the application of the agreement protocol with the aim to maintain the units in a desired and controlled formation. This approach has been followed in order to conserve the power of PSO and to control part of its random behaviour with a distributed control algorithm like Consensus.

Displacement Analysis of Under-Constrained Cable-Driven Parallel Robots

This dissertation studies the geometric static problem of under-constrained cable-driven parallel robots (CDPRs) supported by n cables, with n ≤ 6. The task consists of determining the overall robot configuration when a set of n variables is assigned. When variables relating to the platform posture are assigned, an inverse geometric static problem (IGP) must be solved; whereas, when cable lengths are given, a direct geometric static problem (DGP) must be considered. Both problems are challenging, as the robot continues to preserve some degrees of freedom even after n variables are assigned, with the final configuration determined by the applied forces. Hence, kinematics and statics are coupled and must be resolved simultaneously. In this dissertation, a general methodology is presented for modelling the aforementioned scenario with a set of algebraic equations. An elimination procedure is provided, aimed at solving the governing equations analytically and obtaining a least-degree univariate polynomial in the corresponding ideal for any value of n. Although an analytical procedure based on elimination is important from a mathematical point of view, providing an upper bound on the number of solutions in the complex field, it is not practical to compute these solutions as it would be very time-consuming. Thus, for the efficient computation of the solution set, a numerical procedure based on homotopy continuation is implemented. A continuation algorithm is also applied to find a set of robot parameters with the maximum number of real assembly modes for a given DGP. Finally, the end-effector pose depends on the applied load and may change due to external disturbances. An investigation into equilibrium stability is therefore performed.

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.

Studio ed integrazione di un sistema di collaborative filtering su piattaforma e-commerce business to consumer

I sistemi di raccomandazione sono una tipologia di sistemi di filtraggio delle informazioni che cercano di prevedere la valutazione o la preferenza che l'utente potrebbe dare ad un elemento. Sono diventati molto comuni in questi ultimi anni e sono utilizzati da una vasta gamma di applicazioni, le più popolari riguardano film, musica, notizie, libri, articoli di ricerca e tag di social networking. Tuttavia, ci sono anche sistemi di raccomandazione per i ristoranti, servizi finanziari, assicurazioni sulla vita e persone (siti di appuntamenti online, seguaci di Twitter). Questi sistemi, tuttora oggetto di studi, sono già applicati in un'ampia gamma di settori, come ad esempio le piattaforme di scoperta dei contenuti, utilizzate on-line per aiutare gli utenti nella ricerca di trasmissioni televisive; oppure i sistemi di supporto alle decisioni che utilizzano sistemi di raccomandazione avanzati, basati sull'apprendimento delle conoscenze, per aiutare i fruitori del servizio nella soluzioni di problemi complessi. Inoltre, i sistemi di raccomandazione sono una valida alternativa agli algoritmi di ricerca in quanto aiutano gli utenti a scoprire elementi che potrebbero non aver trovato da soli. Infatti, sono spesso implementati utilizzando motori di ricerca che indicizzano dati non tradizionali.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

Prognosis of patients with HIV-1 infection starting antiretroviral therapy in sub-Saharan Africa: a collaborative analysis of scale-up programmes

Background Prognostic models have been developed for patients infected with HIV-1 who start combination antiretroviral therapy (ART) in high-income countries, but not for patients in sub-Saharan Africa. We developed two prognostic models to estimate the probability of death in patients starting ART in sub-Saharan Africa. Methods We analysed data for adult patients who started ART in four scale-up programmes in Côte d'Ivoire, South Africa, and Malawi from 2004 to 2007. Patients lost to follow-up in the first year were excluded. We used Weibull survival models to construct two prognostic models: one with CD4 cell count, clinical stage, bodyweight, age, and sex (CD4 count model); and one that replaced CD4 cell count with total lymphocyte count and severity of anaemia (total lymphocyte and haemoglobin model), because CD4 cell count is not routinely measured in many African ART programmes. Death from all causes in the first year of ART was the primary outcome. Findings 912 (8·2%) of 11 153 patients died in the first year of ART. 822 patients were lost to follow-up and not included in the main analysis; 10 331 patients were analysed. Mortality was strongly associated with high baseline CD4 cell count (≥200 cells per μL vs <25; adjusted hazard ratio 0·21, 95% CI 0·17–0·27), WHO clinical stage (stages III–IV vs I–II; 3·45, 2·43–4·90), bodyweight (≥60 kg vs <45 kg; 0·23, 0·18–0·30), and anaemia status (none vs severe: 0·27, 0·20–0·36). Other independent risk factors for mortality were low total lymphocyte count, advanced age, and male sex. Probability of death at 1 year ranged from 0·9% (95% CI 0·6–1·4) to 52·5% (43·8–61·7) with the CD4 model, and from 0·9% (0·5–1·4) to 59·6% (48·2–71·4) with the total lymphocyte and haemoglobin model. Both models accurately predict early mortality in patients starting ART in sub-Saharan Africa compared with observed data. Interpretation Prognostic models should be used to counsel patients, plan health services, and predict outcomes for patients with HIV-1 infection in sub-Saharan Africa.