Design and Control of Robotic Hands

The application of dexterous robotic hands out of research laboratories has been limited by the intrinsic complexity that these devices present. This is directly reflected as an economically unreasonable cost and a low overall reliability. Within the research reported in this thesis it is shown how the problem of complexity in the design of robotic hands can be tackled, taking advantage of modern technologies (i.e. rapid prototyping), leading to innovative concepts for the design of the mechanical structure, the actuation and sensory systems. The solutions adopted drastically reduce the prototyping and production costs and increase the reliability, reducing the number of parts required and averaging their single reliability factors. In order to get guidelines for the design process, the problem of robotic grasp and manipulation by a dual arm/hand system has been reviewed. In this way, the requirements that should be fulfilled at hardware level to guarantee successful execution of the task has been highlighted. The contribution of this research from the manipulation planning side focuses on the redundancy resolution that arise in the execution of the task in a dexterous arm/hand system. In literature the problem of coordination of arm and hand during manipulation of an object has been widely analyzed in theory but often experimentally demonstrated in simplified robotic setup. Our aim is to cover the lack in the study of this topic and experimentally evaluate it in a complex system as a anthropomorphic arm hand system.

Rilevamento fotogrammetrico digitale non convenzionale ed analisi strutturale agli elementi finiti dell'Arco d'Augusto di Rimini

L’Arco d’Augusto di Rimini rappresenta da sempre il monumento simbolo della città; ha visto ogni periodo storico, dei quali riporta tuttora i segni in modo visibile. L’alto valore storico, culturale ed artistico che l’Arco porta con se merita di essere valorizzato, conservato e studiato. E’ stato realizzato un rilievo fotogrammetrico del monumento romano e una successiva analisi strutturale mediante la tecnica F.E.M. Il rilievo è stato eseguito con la moderna tecnica digitale non convenzionale, la quale ha permesso di comprendere quanto essa sia in grado di soddisfare le varie esigenze di rilievo nell’ambito dei Beni Culturali. Nel primo capitolo si affrontano le tematiche relative al rilievo dei Beni Culturali, si concentra poi l’attenzione sul settore della fotogrammetria digitale. Il secondo capitolo è dedicato interamente alla storia dell’Arco d’Augusto, riportando tutti i rilievi dell’Arco realizzati dal Medioevo ad oggi. Il terzo capitolo riporta la serie di restauri che l’Arco riminese ha subito nel corso dei secoli, fra cui i due grandi interventi di restauro: il primo eseguito nel 1947 dall’Ing. Rinaldi G., il secondo nel 1996-98 per opera dell’Arch. Foschi P.L. Nel quarto capitolo si parla di come la tecnica fotogrammetrica si presti molto bene all’analisi e al controllo delle deformazioni strutturali. Il capitolo cinque è dedicato al rilievo topo-fotogrammetrico dell’oggetto, affrontato in tutte le sue fasi: ricognizione preliminare,progettazione ed esecuzione delle prese. Il sesto capitolo affronta l’elaborazione dei dati mediante il software PhotoModeler Pro 5. Nel settimo capitolo si confronta il presente rilievo con l’ortofoto realizzata nel 1982 dall’Arch. Angelini R. Il capitolo otto riporta alcune informazioni al riguardo della geomorfologia della zona limitrofa all’Arco. Nell’ultimo capitolo si descrive l’impiego del software agli elementi finiti Straus7 per creare ed elaborare il modello numerico dell’Arco.

Studio e implementazione di una soluzione di business intelligence a supporto dell'analisi economico finanziaria

Progetto di tesi svolto in azienda. Studio dei principali concetti di Business Intelligence (BI) e degli strumenti per la BI. Confronto tra i principali vendor nel mercato dell'analisi dei dati e della Business Intelligence. Studio e reigegnerizzazione di un modello per l'analisi economico finanziaria dei fornitori/clienti di un'azienda. Realizzazione di un prototipo del modello utilizzando un nuovo strumento per la reportistica: Tableau. Il prototipo si basa su dati economici finanziari estratti da banche dati online e forniti dall'azienda cliente. Implementazione finale del database e di un flusso automatico per la riclassificazione dei dati di bilancio.

Modellazione e comparazione del protocollo TCP in scenari di mobilità

Nell'ultimo ventennio l'impatto delle tecnologie wireless ha rivoluzionato il modo di comunicare. Tuttavia oltre a svariati benefici sono emersi diversi problemi di integrazione e ottimizzazione. Uno tra i protocolli più conosciuto e utilizzato in ambito di comunicazioni di rete, il TCP, viene sempre più spesso usato all'interno di sistemi wireless, per le sue caratteristiche di affidabilità e controllo, senza però fornire supporto specifico. Ciò è materia di forte dibattito e ricerca, che mira a cercare di raffinare le differenti versioni di TCP per renderle wireless-oriented. In questo lavoro si analizzano due varianti di sistema che sfruttano il TCP in scenari di mobilità, una con TCP classico e l'altra con TCP modificato tramite l'aggiunta di un meccanismo di ritrasmissione anticipata, e se ne studiano i vari aspetti e comportamenti, valutandone le prestazioni per mezzo di metodi matematici consolidati in letteratura.

Design and Prototyping High Endurance Multi-Rotor

The topic of this thesis fo cus on the preliminary design and the p erformance analysis of a multirotor platform. A multirotor is an electrically p owered Vertical Take Off (VTOL) machine with more than two rotors that lift and control the platform. Multirotor are agile, compact and robust, making them ideally suited for b oth indo or and outdo or application especially to carry-on several sensors like electro optical multisp ectral sensor or gas sensor. The main disadvantage is the limited endurance due to heavy Li-Po batteries and high disk loading through the use of different small prop ellers. At the same time, the design of the multirotor do es not follow any engineering principle but it follow the ideas of amateurs’ builder. An adaptation of the classic airplane design theory for the preliminary design is implemented to fill the gap and detailed study of the endurance is p erformed to define the right way to make this kind of VTOL platforms.

Dynamics and control issues of multi-rotor platforms

This thesis deals with the analytic study of dynamics of Multi--Rotor Unmanned Aerial Vehicles. It is conceived to give a set of mathematical instruments apt to the theoretical study and design of these flying machines. The entire work is organized in analogy with classical academic texts about airplane flight dynamics. First, the non--linear equations of motion are defined and all the external actions are modeled, with particular attention to rotors aerodynamics. All the equations are provided in a form, and with personal expedients, to be directly exploitable in a simulation environment. This has requited an answer to questions like the trim of such mathematical systems. All the treatment is developed aiming at the description of different multi--rotor configurations. Then, the linearized equations of motion are derived. The computation of the stability and control derivatives of the linear model is carried out. The study of static and dynamic stability characteristics is, thus, addressed, showing the influence of the various geometric and aerodynamic parameters of the machine and in particular of the rotors. All the theoretic results are finally utilized in two interesting cases. One concerns the design of control systems for attitude stabilization. The linear model permits the tuning of linear controllers gains and the non--linear model allows the numerical testing. The other case is the study of the performances of an innovative configuration of quad--rotor aircraft. With the non--linear model the feasibility of maneuvers impossible for a traditional quad--rotor is assessed. The linear model is applied to the controllability analysis of such an aircraft in case of actuator block.

Motor control system in Parkinson’s disease: a modeling approach

Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder due to the death of the dopaminergic neurons of the substantia nigra of the basal ganglia. The process that leads to these neural alterations is still unknown. Parkinson’s disease affects most of all the motor sphere, with a wide array of impairment such as bradykinesia, akinesia, tremor, postural instability and singular phenomena such as freezing of gait. Moreover, in the last few years the fact that the degeneration in the basal ganglia circuitry induces not only motor but also cognitive alterations, not necessarily implicating dementia, and that dopamine loss induces also further implications due to dopamine-driven synaptic plasticity got more attention. At the present moment, no neuroprotective treatment is available, and even if dopamine-replacement therapies as well as electrical deep brain stimulation are able to improve the life conditions of the patients, they often present side effects on the long term, and cannot recover the neural loss, which instead continues to advance. In the present thesis both motor and cognitive aspects of Parkinson’s disease and basal ganglia circuitry were investigated, at first focusing on Parkinson’s disease sensory and balance issues by means of a new instrumented method based on inertial sensor to provide further information about postural control and postural strategies used to attain balance, then applying this newly developed approach to assess balance control in mild and severe patients, both ON and OFF levodopa replacement. Given the inability of levodopa to recover balance issues and the new physiological findings than underline the importance in Parkinson’s disease of non-dopaminergic neurotransmitters, it was therefore developed an original computational model focusing on acetylcholine, the most promising neurotransmitter according to physiology, and its role in synaptic plasticity. The rationale of this thesis is that a multidisciplinary approach could gain insight into Parkinson’s disease features still unresolved.

Stress abiotici e trattamenti ultra-diluiti: effetti fisiologici e molecolari sulla crescita in vitro di frumento

Gli stress abiotici determinando modificazioni a livello fisiologico, biochimico e molecolare delle piante, costituiscono una delle principali limitazioni per la produzione agricola mondiale. Nel 2007 la FAO ha stimato come solamente il 3,5% della superficie mondiale non sia sottoposta a stress abiotici. Il modello agro-industriale degli ultimi cinquant'anni, oltre ad avere contribuito allo sviluppo economico dell'Europa, è stato anche causa di inquinamento di acqua, aria e suolo, mediante uno sfruttamento indiscriminato delle risorse naturali. L'arsenico in particolare, naturalmente presente nell'ambiente e rilasciato dalle attività antropiche, desta particolare preoccupazione a causa dell'ampia distribuzione come contaminante ambientale e per gli effetti di fitotossicità provocati. In tale contesto, la diffusione di sistemi agricoli a basso impatto rappresenta una importante risorsa per rispondere all'emergenza del cambiamento climatico che negli anni a venire sottoporrà una superficie agricola sempre maggiore a stress di natura abiotica. Nello studio condotto è stato utilizzato uno stabile modello di crescita in vitro per valutare l'efficacia di preparati ultra diluiti (PUD), che non contenendo molecole chimiche di sintesi ben si adattano a sistemi agricoli sostenibili, su semi di frumento preventivamente sottoposti a stress sub-letale da arsenico. Sono state quindi condotte valutazioni sia a livello morfometrico (germinazione, lunghezza di germogli e radici) che molecolare (espressione genica valutata mediante analisi microarray, con validazione tramite Real-Time PCR) arricchendo la letteratura esistente di interessanti risultati. In particolare è stato osservato come lo stress da arsenico, determini una minore vigoria di coleptile e radici e a livello molecolare induca l'attivazione di pathways metabolici per proteggere e difendere le cellule vegetali dai danni derivanti dallo stress; mentre il PUD in esame (As 45x), nel sistema stressato ha indotto un recupero nella vigoria di germoglio e radici e livelli di espressione genica simili a quelli riscontrati nel controllo suggerendo un effetto "riequilibrante" del metabolismo vegetale.

Studi epidemiologici su Pseudomonas syringae pv.actinidiae agente causale del cancro batterico in actinidia

Il cancro batterico dell’actinidia causato da Pseudomonas syringae pv.actinidiae (Psa) suscita grande interesse a livello globale a partire dal 2008. La malattia è comparsa in Giappone e in due anni ha avuto una diffusione epidemica in tutte le aree di coltivazione mondiale di actinidia. Gravi perdite economiche hanno attirato l’attenzione internazionale su questa problematica e grandi sforzi sono stati rivolti allo studio di questo patosistema ancora poco conosciuto. E’ emerso infatti che il patogeno può rimanere in fase latente per lunghi periodi senza causare sintomi caratteristici nelle piante infette, e che dalla comparsa dei sintomi la pianta muore nell’arco di un paio d’anni. Il monitoraggio ed il controllo della situazione è perciò di fondamentale importanza ed è ancora più importante prevenire la comparsa di nuovi focolai di infezione. A questo proposito sarebbe opportuno l’impiego di materiale vegetale di propagazione non infetto, ma in molti casi questo diventa difficile, dal momento che il materiale impiegato è generalmente quello asintomatico, non analizzato precedentemente per la presenza del patogeno. Negli ultimi anni sono state perciò messe a punto molte tecniche molecolari per l’identificazione di Psa direttamente da materiale vegetale. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di studiare l’epidemiologia di Psa in piante adulte infette e di verificare l’efficacia di metodi di diagnosi precoce per prevenire la malattia. A tale scopo il lavoro sperimentale è stato suddiviso in diverse fasi: i) studio della localizzazione, traslocazione e sopravvivenza di Psa nelle piante, a seguito di inoculazione in piante adulte di actinidia di ceppi marcati Psa::gfp; ii) studio della capacità di Psa di essere mantenuto in germogli di actinidia attraverso sette generazioni di micropropagazione dopo l’inoculazione delle piante madri con lo stesso ceppo marcato Psa::gfp; iii) studio ed applicazioni di un nuovo metodo di diagnosi precoce di Psa basato sull’analisi molecolare del “pianto”.

Miglioramento delle performance termiche e energetiche degli edifici rurali: valutazione del retrofit di locali per la conservazione del vino su casi studio

Il presente studio si colloca all’interno di una ricerca più ampia volta alla definizione di criteri progettuali finalizzati all’ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle cantine di aziende vitivinicole, di dimensioni produttive medio - piccole. Nello specifico la ricerca riguarda la riqualificazione di fabbricati rurali esistenti di modeste dimensioni, da convertire a magazzini per la conservazione del vino in bottiglia. Lo studio si pone come obiettivo la definizione di criteri di analisi per la valutazione di interventi di retrofit di tali fabbricati, volto sia al miglioramento delle prestazioni energetiche dell’involucro edilizio, sia alla riduzione del fabbisogno energetico legato al funzionamento di eventuali impianti di controllo termico. La ricerca è stata condotta mediante l’utilizzo del software di simulazione termica Energy Plus, per ottenere i valori simulati di temperatura interna relativi ai diversi scenari migliorativi ipotizzati, e mediante la successiva definizione di indicatori che esplicitino l’influenza delle principali variabili progettuali sull’andamento delle temperature interne dei locali di conservazione e sul fabbisogno energetico del fabbricato necessario a garantire l’intervallo di temperatura di comfort del vino. Tra tutti gli interventi possibili per il miglioramento della prestazione energetica degli edifici, quelli analizzati in questo studio prevedono l’aggiunta di un isolamento a cappotto delle pareti esterne, l’isolamento della copertura e l’aggiunta di una struttura ombreggiante vegetale esterna. I risultati ottenuti danno una prima indicazione sugli interventi più efficaci in termini di miglioramento energetico e mettono in luce l’utilità del criterio proposto nell’evidenziare le criticità degli interventi migliorativi ipotizzati. Il metodo definito nella presente ricerca risulta quindi un valido strumento di valutazione a supporto della progettazione degli interventi di retrofit dei fabbricati rurali da convertire a magazzini per la conservazione del vino.

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.

Mercato dell'informazione, posizionamento dei media e distorsioni: Un'analisi attraverso l'algoritmo Wordfish

Una stampa libera e plurale è un elemento fondante di ogni sistema democratico ed è fondamentale per la creazione di un’opinione pubblica informata e in grado di esercitare controllo e pressione sulle classi dirigenti. Dal momento della loro creazione i giornali si sono imposti come un’importantissima fonte di informazione per l’opinione pubblica. La seconda metà del Novecento, inoltre, ha conosciuto innovazioni tecnologiche che hanno portato grandi cambiamenti nel ruolo della carta stampata come veicolo di trasmissione delle notizie. Partendo dalla diffusione della televisione fino ad arrivare alla rivoluzione digitale degli anni ’90 e 2000, la velocità di creazione e di trasmissione delle informazioni è aumentata esponenzialmente, i costi di produzione e di acquisizione delle notizie sono crollati e una quantità enorme di dati, che possono fornire moltissime informazioni relative alle idee e ai contenuti proposti dai diversi autori nel corso del tempo, è ora a disposizione di lettori e ricercatori. Tuttavia, anche se grazie alla rivoluzione digitale i costi materiali dei periodici si sono notevolmente ridotti, la produzione di notizie comporta altre spese e pertanto si inserisce in un contesto di mercato, sottoposto alle logiche della domanda e dell'offerta. In questo lavoro verrà analizzato il ruolo della domanda e della non perfetta razionalità dei lettori nel mercato delle notizie, partendo dall’assunto che la differenza di opinioni dei consumatori spinge le testate a regolare l’offerta di contenuti, per venire incontro alla domanda di mercato, per verificare l’applicabilità del modello utilizzato (Mullainhatan e Shleifer, 2005) al contesto italiano. A tale scopo si è analizzato il comportamento di alcuni quotidiani nazionali in occasione di due eventi che hanno profondamente interessato l'opinione pubblica italiana: il fenomeno dei flussi migratori provenienti dalla sponda sud del Mediterraneo nel mese di ottobre 2013 e l'epidemia di influenza H1N1 del 2009.

Studio della risposta temporale di fotorivelatori con diversi accoppiamenti a scintillatori e diversa elettronica di front end e di read out

Lo scopo di questa tesi è lo studio, mediante misure sperimentali con un telescopio per raggi cosmici, della risposta temporale di rivelatori a scintillazione accoppiati a diversi tipi di fotorivelatori. In particolare sono stati studiati due tipi di fotorivelatori: i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) ed i rivelatori MicroChannel Plate (MCP); entrambi i sensori presentano ottime caratteristiche per ciò che concerne la risposta temporale. Per una migliore caratterizzazione dei fotorivelatori e per una maggiore completezza dello studio sono stati analizzati anche diversi modelli di accoppiamento tra gli scintillatori ed i sensori, sia a diretto contatto che tramite fibre ottiche. Per cercare di sfruttare al meglio le eccellenti proprietà temporali, sono state utilizzate anche diverse schede di front end veloce e diversa elettronica di read out. In particolare in questa tesi, per la prima volta, è stata usata, per lo studio di questi nuovi fotorivelatori, l’elettronica di front end e read out realizzata per il rivelatore TOF dell’esperimento ALICE a LHC. I risultati di questa tesi rappresentano un punto di partenza per la realizzazione di rivelatori con ottima risoluzione temporale in esperimenti di fisica nucleare ed subnucleare (definizione del trigger, misure di tempo di volo, calorimetria). Altre interessanti applicazioni sono possibili in ambito medico, in particolare strumenti di diagnostica avanzata quali ad esempio la PET.

Proprietà elettriche di cellule interagenti con matrici polimeriche biocompatibili

L'utilizzo di polimeri organici coniugati in dispositivi elettronici per applicazioni biologiche, grazie alle loro proprietà meccaniche ed elettriche, insieme alla loro biocompatibilità, è un campo di ricerca relativamente nuovo e in rapida espansione. In questo lavoro di tesi si utilizza la tecnica del Voltage Clamp in configurazione whole cell per caratterizzare le proprietà elettrofisiologiche della linea cellulare di glioblastoma multiforme (T98G) e per registrare le correnti ioniche di cellule adese su una matrice polimerica biocompatibile di poli(etilenediossitiofene)-poli(stirenesulfonato) (PEDOT:PSS). La tecnica consiste nel bloccare il potenziale di membrana al valore desiderato, secondo un preciso protocollo di stimolazione, misurando la corrente necessaria per mantenere costante il potenziale presente tra le due superfici della membrana cellulare. Nella prima parte del lavoro le cellule sono state perfuse con farmaci inibitori dei canali potassio, prima con il bloccante non specifico tetraetilammonio (TEA), e poi selettivamente tramite bloccanti specifici come iberiotossina e dendrotossina. Il 44% circa delle cellule ha evidenziato una significativa corrente residua riconducibile all'attività dei canali ionici voltaggio-dipendenti Kv1.2. Al contrario nelle cellule restanti questi canali non sono espressi. Successivamente, sempre utilizzando le T98G, si è analizzato come lo stato di ossido-riduzione del polimero coniugato PEDOT:PSS possa influenzare le correnti dei canali ionici di membrana; è emerso che il substrato di PEDOT:PSS ridotto provoca una diminuzione significativa della corrente registrata rispetto al substrato di controllo (petri in polistirene). Questi risultati sono stati confrontati con le curve di proliferazione delle cellule T98G coltivate per 24h, 48h e 72h sui diversi substrati considerati, evidenziando interessanti correlazioni nel caso del substrato PEDOT:PSS ridotto.

Definizione di indici per la diagnosi della detonazione in motori ad accensione comandata

Presentazione di alcuni indici di diagnosi detonazione e recenti sistemi di controllo di anticipo d'accensione.