Elaborazione del linguaggio naturale nell'IA e tecnologie moderne: Sentiment Analysis come caso di studio.

L'informatica e le sue tecnologie nella società moderna si riassumono spesso in un assioma fuorviante: essa, infatti, è comunemente legata al concetto che ciò che le tecnologie ci offrono può essere accessibile da tutti e sfruttato, all'interno della propria quotidianità, in modi più o meno semplici. Anche se quello appena descritto è un obiettivo fondamentale del mondo high-tech, occorre chiarire subito una questione: l'informatica non è semplicemente tutto ciò che le tecnologie ci offrono, perchè questo pensiero sommario fa presagire ad un'informatica "generalizzante"; l'informatica invece si divide tra molteplici ambiti, toccando diversi mondi inter-disciplinari. L'importanza di queste tecnologie nella società moderna deve spingerci a porre domande, riflessioni sul perchè l'informatica, in tutte le sue sfaccettature, negli ultimi decenni, ha portato una vera e propria rivoluzione nelle nostre vite, nelle nostre abitudini, e non di meno importanza, nel nostro contesto lavorativo e aziendale, e non ha alcuna intenzione (per fortuna) di fermare le proprie possibilità di sviluppo. In questo trattato ci occuperemo di definire una particolare tecnica moderna relativa a una parte di quel mondo complesso che viene definito come "Intelligenza Artificiale". L'intelligenza Artificiale (IA) è una scienza che si è sviluppata proprio con il progresso tecnologico e dei suoi potenti strumenti, che non sono solo informatici, ma soprattutto teorico-matematici (probabilistici) e anche inerenti l'ambito Elettronico-TLC (basti pensare alla Robotica): ecco l'interdisciplinarità. Concetto che è fondamentale per poi affrontare il nocciolo del percorso presentato nel secondo capitolo del documento proposto: i due approcci possibili, semantico e probabilistico, verso l'elaborazione del linguaggio naturale(NLP), branca fondamentale di IA. Per quanto darò un buono spazio nella tesi a come le tecniche di NLP semantiche e statistiche si siano sviluppate nel tempo, verrà prestata attenzione soprattutto ai concetti fondamentali di questi ambiti, perché, come già detto sopra, anche se è fondamentale farsi delle basi e conoscere l'evoluzione di queste tecnologie nel tempo, l'obiettivo è quello a un certo punto di staccarsi e studiare il livello tecnologico moderno inerenti a questo mondo, con uno sguardo anche al domani: in questo caso, la Sentiment Analysis (capitolo 3). Sentiment Analysis (SA) è una tecnica di NLP che si sta definendo proprio ai giorni nostri, tecnica che si è sviluppata soprattutto in relazione all'esplosione del fenomeno Social Network, che viviamo e "tocchiamo" costantemente. L'approfondimento centrale della tesi verterà sulla presentazione di alcuni esempi moderni e modelli di SA che riguardano entrambi gli approcci (statistico e semantico), con particolare attenzione a modelli di SA che sono stati proposti per Twitter in questi ultimi anni, valutando quali sono gli scenari che propone questa tecnica moderna, e a quali conseguenze contestuali (e non) potrebbe portare questa particolare tecnica.

Studio e implementazione di tecniche di Hand Eye Calibration di un Braccio Robotico

La tesi indaga il problema di calibrazione Hand Eye, ovvero la trasformazione geometrica fra i diversi sistemi di riferimento della camera e dell'attuatore del robot, presentando il problema ed analizzando le varie soluzioni proposte in letteratura. Viene infine presentata una implementazione realizzata in collaborazione con l'azienda SpecialVideo, implementata utilizzando l'algoritmo proposto da Konstantinos Daniilidis, il quale propone una formulazione del problema sfruttando l'utilizzo di quaternioni duali, risolvendo simultaneamente la parte rotatoria e traslatoria della trasformazione. Si conclude il lavoro con una analisi dell'efficacia del metodo implementato su dati simulati e proponendo eventuali estensioni, allo scopo di poter riutilizzare in futuro il lavoro svolto nel software aziendale, con dati reali e con diversi tipi di telecamere, principalmente camere lineari o laser.

Automatic Design of Boolean Networks for Modelling Differentiation Trees

Real living cell is a complex system governed by many process which are not yet fully understood: the process of cell differentiation is one of these. In this thesis work we make use of a cell differentiation model to develop gene regulatory networks (Boolean networks) with desired differentiation dynamics. To accomplish this task we have introduced techniques of automatic design and we have performed experiments using various differentiation trees. The results obtained have shown that the developed algorithms, except the Random algorithm, are able to generate Boolean networks with interesting differentiation dynamics. Moreover, we have presented some possible future applications and developments of the cell differentiation model in robotics and in medical research. Understanding the mechanisms involved in biological cells can gives us the possibility to explain some not yet understood dangerous disease, i.e the cancer. Le cellula è un sistema complesso governato da molti processi ancora non pienamente compresi: il differenziamento cellulare è uno di questi. In questa tesi utilizziamo un modello di differenziamento cellulare per sviluppare reti di regolazione genica (reti Booleane) con dinamiche di differenziamento desiderate. Per svolgere questo compito abbiamo introdotto tecniche di progettazione automatica e abbiamo eseguito esperimenti utilizzando vari alberi di differenziamento. I risultati ottenuti hanno mostrato che gli algoritmi sviluppati, eccetto l'algoritmo Random, sono in grado di poter generare reti Booleane con dinamiche di differenziamento interessanti. Inoltre, abbiamo presentato alcune possibili applicazioni e sviluppi futuri del modello di differenziamento in robotica e nella ricerca medica. Capire i meccanismi alla base del funzionamento cellulare può fornirci la possibilità di spiegare patologie ancora oggi non comprese, come il cancro.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

Planificación de trayectorias bi-objetivo en robótica aérea para agricultura de precisión

Este trabajo presenta las experiencias y resultados obtenidos al aplicar tecnicas de planificacion de trayectorias para vehıculos aereos no tripulados con el objetivo doble de tomar imagenes aereas de alta resolucion para realizar mosaicos de cultivos asi como recoger los datos recopilados por motas o sistemas sensoriales inalambricos con capacidad de crear y gestionar redes. Dichas redes son utilizadas para la monitorizacion y evaluacion de tendencias en variables como la temperatura o humedad.

Catadioptric panoramic stereovision for humanoid robots

This paper proposes a novel design of a reconfigurable humanoid robot head, based on biological likeness of human being so that the humanoid robot could agreeably interact with people in various everyday tasks. The proposed humanoid head has a modular and adaptive structural design and is equipped with three main components: frame, neck motion system and omnidirectional stereovision system modules. The omnidirectional stereovision system module being the last module, a motivating contribution with regard to other computer vision systems implemented in former humanoids, it opens new research possibilities for achieving human-like behaviour. A proposal for a real-time catadioptric stereovision system is presented, including stereo geometry for rectifying the system configuration and depth estimation. The methodology for an initial approach for visual servoing tasks is divided into two phases, first related to the robust detection of moving objects, their depth estimation and position calculation, and second the development of attention-based control strategies. Perception capabilities provided allow the extraction of 3D information from a wide range of visions from uncontrolled dynamic environments, and work results are illustrated through a number of experiments.

Dynamic control of a reconfigurable stair-climbing mobility system

Electric-powered wheelchairs improve the mobility of people with physical disabilities, but the problem to deal with certain architectural barriers has not been resolved satisfactorily. In order to solve this problem, a stair-climbing mobility system (SCMS) was developed. This paper presents a practical dynamic control system that allows the SCMS to exhibit a successful climbing process when faced with typical architectural barriers such as curbs, ramps, or staircases. The implemented control system depicts high simplicity, computational efficiency, and the possibility of an easy implementation in a microprocessor-/microcontroller-based system. Finally, experiments are included to support theoretical results.

Fibrous Aerial Robotics: study of spiderweb strategies for the design of architectural envelopes using swarms of drones and inflatable formworks

La tesi approccia in modo transdisciplinare biologia, architettura e robotica, con la finalità di indagare e applicare principi costruttivi attraverso l’interazione tra sciami di droni che depositano materiale fibroso su strutture gonfiabili di supporto. L’attenzione principale è nello sviluppo (attraverso un workflow computazionale che gestisce sciami di agenti costruttori) di una tettonica che integra struttura, spazio e ornamento all’interno dello stesso processo progettuale, il quale si sviluppa coerentemente dall’ideazione fino alla fabbricazione. Sono stati studiati modelli biologici quali le colonie di ragni sociali, i quali costruiscono artefatti di grandi dimensioni relativamente a quelle del singolo individuo grazie ad un’organizzazione coordinata ed emergente e alle proprietà dei sistemi fibrosi. L’auto-organizzazione e la decentralizzazione, insieme alle caratteristiche del sistema materiale, sono stati elementi indispensabili nell’estrapolazione prima e nella codificazione poi di un insieme di regole adatte allo sviluppo del sistema costruttivo. Parallelamente alla simulazione digitale si è andati a sviluppare anche un processo fisico di fabbricazione che, pur tenendo conto dei vincoli economici e tecnici, potesse dimostrarsi una prova di concetto e fattibilità del sistema costruttivo. Sono state investigate le possibilità che un drone offre nel campo della fabbricazione architettonica mediante il rilascio di fili su elementi gonfiabili in pressione. Il processo può risultare vantaggioso in scenari in cui non è possibile allestire infrastrutture costruttive tradizionali (es. gole alpine, foreste). Tendendo conto dei vincoli e delle caratteristiche del sistema di fabbricazione proposto, sono state esplorate potenzialità e criticità del sistema studiato.

Sistema di guida robot per operazioni di pick and place

Uno dei fattori che ha favorito la diffusione della robotica è legato alla nascita, allo sviluppo e al perfezionamento dei sistemi di guida robot. Per guida robot si intende un sistema di visione artificiale capace di guidare un robot durante lo svolgimento di un determinato compito. All'interno di questo elaborato di tesi, verrà illustrato in dettaglio un sistema di guida robot realizzato per una operazione di pick and place 2D multistrato. Sebbene la procedura proposta sia stata sviluppata per risolvere un problema specifico, la sua validità è del tutto generale e può essere estesa anche ad altre applicazioni appartenenti alla stessa categoria.

Shape-based compliance control for snake robots

I serpenti robot sono una classe di meccanismi iper-ridondanti che appartiene alla robotica modulare. Grazie alla loro forma snella ed allungata e all'alto grado di ridondanza possono muoversi in ambienti complessi con elevata agilità. L'abilità di spostarsi, manipolare e adattarsi efficientemente ad una grande varietà di terreni li rende ideali per diverse applicazioni, come ad esempio attività di ricerca e soccorso, ispezione o ricognizione. I robot serpenti si muovono nello spazio modificando la propria forma, senza necessità di ulteriori dispositivi quali ruote od arti. Tali deformazioni, che consistono in movimenti ondulatori ciclici che generano uno spostamento dell'intero meccanismo, vengono definiti andature. La maggior parte di esse sono ispirate al mondo naturale, come lo strisciamento, il movimento laterale o il movimento a concertina, mentre altre sono create per applicazioni specifiche, come il rotolamento o l'arrampicamento. Un serpente robot con molti gradi di libertà deve essere capace di coordinare i propri giunti e reagire ad ostacoli in tempo reale per riuscire a muoversi efficacemente in ambienti complessi o non strutturati. Inoltre, aumentare la semplicità e ridurre il numero di controllori necessari alla locomozione alleggerise una struttura di controllo che potrebbe richiedere complessità per ulteriori attività specifiche. L'obiettivo di questa tesi è ottenere un comportamento autonomo cedevole che si adatti alla conformazione dell'ambiente in cui il robot si sta spostando, accrescendo le capacità di locomozione del serpente robot. Sfruttando la cedevolezza intrinseca del serpente robot utilizzato in questo lavoro, il SEA Snake, e utilizzando un controllo che combina cedevolezza attiva ad una struttura di coordinazione che ammette una decentralizzazione variabile del robot, si dimostra come tre andature possano essere modificate per ottenere una locomozione efficiente in ambienti complessi non noti a priori o non modellabili.

Modelar o programar en prácticas de robótica

En este trabajo se muestra la experiencia de usar una herramienta de desarrollo de ingeniería basada en modelos (MDE) frente a otra herramienta tradicional de programacion de sistemas embebidos en lenguaje C, para la realizacion de clases practicas de robotica. Se ha plantea do una practica basada en el control cinemático de un robot móvil en ambos entornos con similares bloques y funciones de partida. Los resultados muestran tanto la comparación de las evaluaciones objetivas realiza das a los dos grupos como los datos relativos a los tiempos requeridos para la realización de las diferentes partes de la practica. Si bien, los resultados del aprendizaje son mayores en el caso del método basado en programacion, la diferencia en tiempos invertidos y otras valoraciones hacen m´as adecuado el MDE .

Analisi sperimentale di un sistema di localizzazione UWB per applicazioni robotiche

Data la pervasività dell’elettronica nella vita moderna, sempre più interesse è stato posto nelle applicazioni di localizzazione. In ambienti indoor e outdoor, dove sono richieste precisioni dell’ordine delle decine di centimetri, i classici servizi GNSS non sono applicabili. Una tecnologia promettente è quella a banda ultra-larga (UWB), affermata recentemente sul mercato. Un’alternativa potrebbe essere l’utilizzo di sensori ottici con marker di riferimento, però la presenza di fumo e idrometeore presenti nell’ambiente potrebbero andare ad oscurare i marker, rendendo impossibile la localizzazione. Lo scopo della tesi è volto a studiare un sistema di localizzazione UWB, progettato dall’Università di Bologna, ora sviluppato e commercializzato, in un’applicazione robotica. In particolare, l’idea è quella di porre il sistema di localizzazione sopra un elemento mobile, per esempio nella parte terminale di un braccio meccanico, al fine di localizzare un oggetto dotato di nodo UWB, ricavando dinamicamente la posizione relativa tra il braccio e l’oggetto. La tesi si concentra inizialmente a livello teorico sulle caratteristiche delle principali tecnologie coinvolte, in particolare i sistemi UWB e il filtraggio Bayesiano, per poi trattare i limiti teorici della localizzazione, nei concetti di Cramér-Rao lower bound (CRLB) e geometric dilution of precision (GDOP). Da questi, si motiva l’utilizzo della tecnica two-way ranging (TWR) come principio di raccolta delle misure per la localizzazione, per poi ricavare le curve teoriche dell’errore di localizzazione, tenendo conto dei limiti geometrici imposti, utilizzate come riferimento per l’analisi dell’errore ottenuto con il sistema reale. La tecnologia viene testata in tre campagne di misura. Nelle prime due si osserva la presenza di un piano metallico parallelo alla direzione di propagazione, per esaminare gli effetti delle riflessioni sulla localizzazione, mentre nella terza campagna si considera la presenza di acqua dolce.

Studio di fattibilità di un robot a cavi per la movimentazione in ambito navale

L’obbiettivo di questo elaborato di tesi è quello di eseguire uno studio di fattibilità per l’applicazione della tecnologia dei robot a cavi in ambito navale e della Difesa. Il lavoro è stato svolto presso l’azienda Calzoni di Calderara di Reno. In particolare, si è analizzata la possibilità di sostituire le tradizionali strutture rigide impiegate nella movimentazione di carichi con un sistema robotico azionato da cavi che fosse in grado di garantire caratteristiche quali modularità e una più facile riconfigurabilità. Sono state prese in considerazione diverse architetture di robot a cavi. Innanzitutto, si è verificato per ognuna il rispetto delle specifiche di progetto assegnate dall’azienda. Si è quindi condotta un’analisi cineto-statica sulle architetture potenzialmente idonee in modo tale da determinare quale fosse quella più prestazionale. Definita la migliore configurazione, se ne è sviluppato un primo concept preliminare.

Sviluppo di un sistema di Realta Aumentata applicato a un modello 3D della prostata, sviluppato a partire da immagini RM, al fine di facilitare la dissezione del tumore e la conservazione dei fasci neuro vascolari durante l'intervento chirurgico di prostatectomia radicale robot-assistita

La realtà aumentata (AR) è una nuova tecnologia adottata in chirurgia prostatica con l'obiettivo di migliorare la conservazione dei fasci neurovascolari (NVB) ed evitare i margini chirurgici positivi (PSM). Abbiamo arruolato prospetticamente pazienti con diagnosi di cancro alla prostata (PCa) sul base di biopsia di fusione mirata con mpMRI positiva. Prima dell'intervento, i pazienti arruolati sono stati indirizzati a sottoporsi a ricostruzione del modello virtuale 3D basato su mpMRI preoperatoria immagini. Infine, il chirurgo ha eseguito la RARP con l'ausilio del modello 3D proiettato in AR all'interno della console robotica (RARP guidata AR-3D). I pazienti sottoposti a AR RARP sono stati confrontati con quelli sottoposti a "RARP standard" nello stesso periodo. Nel complesso, i tassi di PSM erano comparabili tra i due gruppi; I PSM a livello della lesione indice erano significativamente più bassi nei pazienti riferiti al gruppo AR-3D (5%) rispetto a quelli nel gruppo di controllo (20%; p = 0,01). La nuova tecnica di guida AR-3D per l'analisi IFS può consentono di ridurre i PSM a livello della lesione dell'indice

Innovative photoresponsive materials & supramolecular structures

This thesis focuses on two main topics: photoresponsive azobenzene-based polymers and supramolecular systems generated by the self-assembly of lipophilic guanosines. In the first chapters describe innovative photoresponsive devices and materials capable of performing multiple roles in the field of soft robotics and energy conversion. Chapter 2 describes a device obtained by coupling a photoresponsive liquid-crystalline network and a piezoelectric polymer to convert visible light into electricity. Chapter 3 deals with a material that can assume different shapes when triggered by three different stimuli in different environments. Chapter 4 reports a highly performing artificial muscle that contracts when irradiated. The last two chapters report on supramolecular structures generated from functionalized guanosines dissolved in organic solvents. Chapter 6 illustrates the self-assembly into G-quadruplexes of 8- and 5’-functionalized guanosines in the absence of templating ions. Chapter 7 describes the supramolecular structure generated by the assembly of a lipophilic guanosine in the presence of silver cations. Chapter 6 is reproduced from an already published paper, while the other chapters are going to be submitted to different journals in a couple of months.