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.

Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.

Lesion detection and classification in breast cancer: evaluation of approaches based on morphological features, tracer kinetic modelling and semi-quantitative parameters in MR functional imaging (DCE-MRI)

The diagnosis, grading and classification of tumours has benefited considerably from the development of DCE-MRI which is now essential to the adequate clinical management of many tumour types due to its capability in detecting active angiogenesis. Several strategies have been proposed for DCE-MRI evaluation. Visual inspection of contrast agent concentration curves vs time is a very simple yet operator dependent procedure, therefore more objective approaches have been developed in order to facilitate comparison between studies. In so called model free approaches, descriptive or heuristic information extracted from time series raw data have been used for tissue classification. The main issue concerning these schemes is that they have not a direct interpretation in terms of physiological properties of the tissues. On the other hand, model based investigations typically involve compartmental tracer kinetic modelling and pixel-by-pixel estimation of kinetic parameters via non-linear regression applied on region of interests opportunely selected by the physician. This approach has the advantage to provide parameters directly related to the pathophysiological properties of the tissue such as vessel permeability, local regional blood flow, extraction fraction, concentration gradient between plasma and extravascular-extracellular space. Anyway, nonlinear modelling is computational demanding and the accuracy of the estimates can be affected by the signal-to-noise ratio and by the initial solutions. The principal aim of this thesis is investigate the use of semi-quantitative and quantitative parameters for segmentation and classification of breast lesion. The objectives can be subdivided as follow: describe the principal techniques to evaluate time intensity curve in DCE-MRI with focus on kinetic model proposed in literature; to evaluate the influence in parametrization choice for a classic bi-compartmental kinetic models; to evaluate the performance of a method for simultaneous tracer kinetic modelling and pixel classification; to evaluate performance of machine learning techniques training for segmentation and classification of breast lesion.

Action-based dynamical models of the Fornax dwarf spheroidal galaxy

Il lavoro presentato in questa Tesi si basa sul calcolo di modelli dinamici per Galassie Sferoidali Nane studiando il problema mediante l'utilizzo di funzioni di distribuzione. Si è trattato un tipo di funzioni di distribuzione, "Action-Based distribution functions", le quali sono funzioni delle sole variabili azione. Fornax è stata descritta con un'appropriata funzione di distribuzione e il problema della costruzione di modelli dinamici è stato affrontato assumendo sia un alone di materia oscura con distribuzione di densità costante nelle regioni interne sia un alone con cuspide. Per semplicità è stata assunta simmetria sferica e non è stato calcolato esplicitamente il potenziale gravitazionale della componente stellare (le stelle sono traccianti in un potenziale gravitazionale fissato). Tramite un diretto confronto con alcune osservabili, quali il profilo di densità stellare proiettata e il profilo di dispersione di velocità lungo la linea di vista, sono stati trovati alcuni modelli rappresentativi della dinamica di Fornax. Modelli calcolati tramite funzioni di distribuzione basati su azioni permettono di determinare in maniera autoconsistente profili di anisotropia. Tutti i modelli calcolati sono caratterizzati dal possedere un profilo di anisotropia con forte anisotropia tangenziale. Sono state poi comparate le stime di materia oscura di questi modelli con i più comuni e usati stimatori di massa in letteratura. E stato inoltre stimato il rapporto tra la massa totale del sistema (componente stellare e materia oscura) e la componente stellare di Fornax, entro 1600 pc ed entro i 3 kpc. Come esplorazione preliminare, in questo lavoro abbiamo anche presentato anche alcuni esempi di modelli sferici a due componenti in cui il campo gravitazionale è determinato dall'autogravità delle stelle e da un potenziale esterno che rappresenta l'alone di materia oscura.

Development of Dynamic Constraint Models for a Model Based Transient Calibration Process

Model based calibration has gained popularity in recent years as a method to optimize increasingly complex engine systems. However virtually all model based techniques are applied to steady state calibration. Transient calibration is by and large an emerging technology. An important piece of any transient calibration process is the ability to constrain the optimizer to treat the problem as a dynamic one and not as a quasi-static process. The optimized air-handling parameters corresponding to any instant of time must be achievable in a transient sense; this in turn depends on the trajectory of the same parameters over previous time instances. In this work dynamic constraint models have been proposed to translate commanded to actually achieved air-handling parameters. These models enable the optimization to be realistic in a transient sense. The air handling system has been treated as a linear second order system with PD control. Parameters for this second order system have been extracted from real transient data. The model has been shown to be the best choice relative to a list of appropriate candidates such as neural networks and first order models. The selected second order model was used in conjunction with transient emission models to predict emissions over the FTP cycle. It has been shown that emission predictions based on air-handing parameters predicted by the dynamic constraint model do not differ significantly from corresponding emissions based on measured air-handling parameters.

[(99m)Tc]Demomedin C, a radioligand based on human gastrin releasing peptide(18-27): synthesis and preclinical evaluation in gastrin releasing peptide receptor-expressing models

The synthesis and preclinical evaluation of [(99m)Tc]Demomedin C in GRPR-expressing models are reported. Demomedin C resulted by coupling a Boc-protected N(4)-chelator to neuromedin C (human GRP(18-27)), which, after (99m)Tc-labeling, afforded [(99m)Tc]Demomedin C. Demomedin C showed high affinity and selectivity for the GRPR during receptor autoradiography on human cancer samples (IC(50) in nM: GRPR, 1.4 ± 0.2; NMBR, 106 ± 18; and BB(3)R, >1000). It triggered GRPR internalization in HEK-GRPR cells and Ca(2+) release in PC-3 cells (EC(50) = 1.3 nM). [(99m)Tc]Demomedin C rapidly and specifically internalized at 37 °C in PC-3 cells and was stable in mouse plasma. [(99m)Tc]Demomedin C efficiently and specifically localized in human PC-3 implants in mice (9.84 ± 0.81%ID/g at 1 h pi; 6.36 ± 0.85%ID/g at 4 h pi, and 0.41 ± 0.07%ID/g at 4 h pi block). Thus, human GRP-based radioligands, such as [(99m)Tc]Demomedin C, can successfully target GRPR-expressing human tumors in vivo while displaying attractive biological features--e.g. higher GRPR-selectivity--vs their frog-homologues.

Defining new criteria for selection of cell-based intestinal models using publicly available databases

The criteria for choosing relevant cell lines among a vast panel of available intestinal-derived lines exhibiting a wide range of functional properties are still ill-defined. The objective of this study was, therefore, to establish objective criteria for choosing relevant cell lines to assess their appropriateness as tumor models as well as for drug absorption studies.

Fastener-Based Computational Models of Cold-Formed Steel Shear Walls

Cold-formed steel (CFS) combined with wood sheathing, such as oriented strand board (OSB), forms shear walls that can provide lateral resistance to seismic forces. The ability to accurately predict building deformations in damaged states under seismic excitations is a must for modern performance-based seismic design. However, few static or dynamic tests have been conducted on the non-linear behavior of CFS shear walls. Thus, the purpose of this research work is to provide and demonstrate a fastener-based computational model of CFS wall models that incorporates essential nonlinearities that may eventually lead to improvement of the current seismic design requirements. The approach is based on the understanding that complex interaction of the fasteners with the sheathing is an important factor in the non-linear behavior of the shear wall. The computational model consists of beam-column elements for the CFS framing and a rigid diaphragm for the sheathing. The framing and sheathing are connected with non-linear zero-length fastener elements to capture the OSB sheathing damage surrounding the fastener area. Employing computational programs such as OpenSees and MATLAB, 4 ft. x 9 ft., 8 ft. x 9 ft. and 12 ft. x 9 ft. shear wall models are created, and monotonic lateral forces are applied to the computer models. The output data are then compared and analyzed with the available results of physical testing. The results indicate that the OpenSees model can accurately capture the initial stiffness, strength and non-linear behavior of the shear walls.

An early warning system for hypoglycemic/hyperglycemic events based on fusion of adaptive prediction models

Early warning of future hypoglycemic and hyperglycemic events can improve the safety of type 1 diabetes mellitus (T1DM) patients. The aim of this study is to design and evaluate a hypoglycemia/hyperglycemia early warning system (EWS) for T1DM patients under sensor-augmented pump (SAP) therapy.