New mechanisms for modelling the motion of the human ankle complex

The relevance of human joint models was shown in the literature. In particular, the great importance of models for the joint passive motion simulation (i.e. motion under virtually unloaded conditions) was outlined. They clarify the role played by the principal anatomical structures of the articulation, enhancing the comprehension of surgical treatments, and in particular the design of total ankle replacement and ligament reconstruction. Equivalent rigid link mechanisms proved to be an efficient tool for an accurate simulation of the joint passive motion. This thesis focuses on the ankle complex (i.e. the anatomical structure composed of the tibiotalar and the subtalar joints), which has a considerable role in human locomotion. The lack of interpreting models of this articulation and the poor results of total ankle replacement arthroplasty have strongly suggested devising new mathematical models capable of reproducing the restraining function of each structure of the joint and of replicating the relative motion of the bones which constitute the joint itself. In this contest, novel equivalent mechanisms are proposed for modelling the ankle passive motion. Their geometry is based on the joint’s anatomical structures. In particular, the role of the main ligaments of the articulation is investigated under passive conditions by means of nine 5-5 fully parallel mechanisms. Based on this investigation, a one-DOF spatial mechanism is developed for modelling the passive motion of the lower leg. The model considers many passive structures constituting the articulation, overcoming the limitations of previous models which took into account few anatomical elements of the ankle complex. All the models have been identified from experimental data by means of optimization procedure. Then, the simulated motions have been compared to the experimental one, in order to show the efficiency of the approach and thus to deduce the role of each anatomical structure in the ankle kinematic behavior.

Studio del comportamento flesso-torsionale di un telaio in materiale composito per vettura sportiva

Lo studio svolto in merito alle tecniche di produzione di componenti strutturali in materiale composito ha permesso il raggiungimento di una precisa consapevolezza dello stato dell’arte del settore, in particolare in riferimento ai processi attualmente utilizzati per l’industrializzazione in media-grande serie. Con l’obiettivo di sintetizzare i principali vantaggi delle tecnologie suddette e permettere la realizzazione di forme più complesse, si è proceduto all’analisi di fattibilità, attraverso uno studio funzionale e una prima progettazione di una tecnologia di produzione per nastratura automatizzata di componenti strutturali in materiale composito. Si è voluto quindi dimostrare la flessibilità e la consistenza del processo disegnando un telaio nastrato in carbonio, intercambiabile al telaio FSAE 2009 in tubolare d’acciaio (stessi punti di attacco motore, punti di attacco telaietto posteriore, attacchi sospensioni anteriori) e che garantisca un sostanziale vantaggio in termini di peso, a pari rigidezza torsionale. La caratterizzazione di tale telaio è stata eseguita mediante l'utilizzo del calcolo strutturale, validato da prove sperimentali.

La Casa del Dopolavoro di Imola. Ipotesi di interventi per un ripristino funzionale.

Questa tesi di laurea vuole fornire delle ipotesi per un possibile riutilizzo della casa del Dopolavoro nella città di Imola. Di questo edificio, dismesso ormai da anni, verrà fatta un'analisi storica attraverso i documenti di archivio, riviste dell'epoca e disegni originali, e verranno avanzate ipotesi progettuali sulla base di disegni storici e rilievi attuali. Per meglio render comprensibili gli interventi previsti da questa tesi di laurea, il progetto prevede la suddivisione degli spazi in quattro macrozone principali, ognuna delle quali viene affrontata singolarmente. Di ogni macrozona viene fatto un confronto tra stato di fatto e progetto, identificandone i fattori più rilevanti e spiegando le motivazioni che hanno portato ad eventuali interventi di ripristino od alla nuova destinazione d'uso, così da poterne meglio identificarne la posizione nella struttura dell'edificio nella visione complessiva.

Produzione automatizzata per nastratura di componenti strutturali in materiale composito

Questa dissertazione tratterà l’argomento dello studio di metodi di progettazione e processi tecnologici innovativi per l’industrializzazione in medio-grande serie di componenti strutturali in materiale composito. L’interesse della ricerca verso questo ambito è suscitato dai notevoli vantaggi che l’utilizzo di materiali dall’alto rapporto prestazioni meccaniche/peso danno nella ricerca di elevate prestazioni in applicazioni sportive e diminuzione dei consumi ed emissioni inquinanti in mezzi di trasporto di grande serie. Lo studio di componenti in materiale composito è caratterizzato dalla peculiarità di non poter disgiungere la progettazione della geometria della parte da quella del materiale e del processo, ed in questo senso nella figura del progettista si vanno a riassumere sinergicamente competenze riguardanti i tre ambiti. Lo scopo di questo lavoro è la proposizione di una metodologia di progettazione e produzione di componenti strutturali che permetta l’utilizzazione ottimale della natura fibrosa del materiale composito sia dal punto di vista del trasferimento dei carichi tra diversi componenti, sia dal punto di vista del processo di laminazione che avviene per nastratura automatizzata. Lo studio è volto a mostrare in quali termini tale tecnologia sia potenzialmente in grado di superare i vincoli di forma ed i limiti di efficienza meccanica delle giunzioni tra le parti e di garantire maggiore produttività e costi inferiori rispetti ai diversi metodi di produzione che rappresentano oggi lo stato dell’arte dell’industrializzazione in medio-grande serie. Particolare attenzione verrà posta sull’utilizzo della tecnologia oggetto di studio per la produzione di telai automobilistici.

A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the Basis of Stiffness and Stress Characteristics

Geometric nonlinearities of flexure hinges introduced by large deflections often complicate the analysis of compliant mechanisms containing such members, and therefore, Pseudo-Rigid-Body Models (PRBMs) have been well proposed and developed by Howell [1994] to analyze the characteristics of slender beams under large deflection. These models, however, fail to approximate the characteristics for the deep beams (short beams) or the other flexure hinges. Lobontiu's work [2001] contributed to the diverse flexure hinge analysis building on the assumptions of small deflection, which also limits the application range of these flexure hinges and cannot analyze the stiffness and stress characteristics of these flexure hinges for large deflection. Therefore, the objective of this thesis is to analyze flexure hinges considering both the effects of large-deflection and shear force, which guides the design of flexure-based compliant mechanisms. The main work conducted in the thesis is outlined as follows. 1. Three popular types of flexure hinges: (circular flexure hinges, elliptical flexure hinges and corner-filleted flexure hinges) are chosen for analysis at first. 2. Commercial software (Comsol) based Finite Element Analysis (FEA) method is then used for correcting the errors produced by the equations proposed by Lobontiu when the chosen flexure hinges suffer from large deformation. 3. Three sets of generic design equations for the three types of flexure hinges are further proposed on the basis of stiffness and stress characteristics from the FEA results. 4. A flexure-based four-bar compliant mechanism is finally studied and modeled using the proposed generic design equations. The load-displacement relationships are verified by a numerical example. The results show that a maximum error about the relationship between moment and rotation deformation is less than 3.4% for a flexure hinge, and it is lower than 5% for the four-bar compliant mechanism compared with the FEA results.

Progettazione e sviluppo di applicazioni distribuite su Web: da JavaScript a TypeScript

Il Web nel corso della sua esistenza ha subito un mutamento dovuto in parte dalle richieste del mercato, ma soprattutto dall’evoluzione e la nascita costante delle numerose tecnologie coinvolte in esso. Si è passati da un’iniziale semplice diffusione di contenuti statici, ad una successiva collezione di siti web, dapprima con limitate presenze di dinamicità e interattività (a causa dei limiti tecnologici), ma successivamente poi evoluti alle attuali applicazioni web moderne che hanno colmato il gap con le applicazioni desktop, sia a livello tecnologico, che a livello di diffusione effettiva sul mercato. Tali applicazioni web moderne possono presentare un grado di complessità paragonabile in tutto e per tutto ai sistemi software desktop tradizionali; le tecnologie web hanno subito nel tempo un evoluzione legata ai cambiamenti del web stesso e tra le tecnologie più diffuse troviamo JavaScript, un linguaggio di scripting nato per dare dinamicità ai siti web che si ritrova tutt’ora ad essere utilizzato come linguaggio di programmazione di applicazioni altamente strutturate. Nel corso degli anni la comunità di sviluppo che ruota intorno a JavaScript ha prodotto numerose librerie al supporto del linguaggio dotando così gli sviluppatori di un linguaggio completo in grado di far realizzare applicazioni web avanzate. Le recenti evoluzioni dei motori javascript presenti nei browser hanno inoltre incrementato le prestazioni del linguaggio consacrandone la sua leadership nei confronti dei linguaggi concorrenti. Negli ultimi anni a causa della crescita della complessità delle applicazioni web, javascript è stato messo molto in discussione in quanto come linguaggio non offre le classiche astrazioni consolidate nel tempo per la programmazione altamente strutturata; per questo motivo sono nati linguaggi orientati alla programmazione ad oggetti per il web che si pongono come obiettivo la risoluzione di questo problema: tra questi si trovano linguaggi che hanno l’ambizione di soppiantare JavaScript come ad esempio Dart creato da Google, oppure altri che invece sfruttano JavaScript come linguaggio base al quale aggiungono le caratteristiche mancanti e, mediante il processo di compilazione, producono codice JavaScript puro compatibile con i motori JavaScript presenti nei browser. JavaScript storicamente fu introdotto come linguaggio sia per la programmazione client-side, che per la controparte server-side, ma per vari motivi (la forte concorrenza, basse performance, etc.) ebbe successo solo come linguaggio per la programmazione client; le recenti evoluzioni del linguaggio lo hanno però riportato in auge anche per la programmazione server-side, soprattutto per i miglioramenti delle performance, ma anche per la sua naturale predisposizione per la programmazione event-driven, paradigma alternativo al multi-threading per la programmazione concorrente. Un’applicazione web di elevata complessità al giorno d’oggi può quindi essere interamente sviluppata utilizzando il linguaggio JavaScript, acquisendone sia i suoi vantaggi che gli svantaggi; le nuove tecnologie introdotte ambiscono quindi a diventare la soluzione per i problemi presenti in JavaScript e di conseguenza si propongono come potenziali nuovi linguaggi completi per la programmazione web del futuro, anticipando anche le prossime evoluzioni delle tecnologie già esistenti preannunciate dagli enti standard della programmazione web, il W3C ed ECMAScript. In questa tesi saranno affrontate le tematiche appena introdotte confrontando tra loro le tecnologie in gioco con lo scopo di ottenere un’ampia panoramica delle soluzioni che uno sviluppatore web dovrà prendere in considerazione per realizzare un sistema di importanti dimensioni; in particolare sarà approfondito il linguaggio TypeScript proposto da Microsoft, il quale è nato in successione a Dart apparentemente con lo stesso scopo, ma grazie alla compatibilità con JavaScript e soprattutto con il vasto mondo di librerie legate ad esso nate in questi ultimi anni, si presenta nel mercato come tecnologia facile da apprendere per tutti gli sviluppatori che già da tempo hanno sviluppato abilità nella programmazione JavaScript.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Ruolo dei recettori tirosinchinasici in oncologia animale

Disregolazioni dei recettori tirosinchinasici (RTK) sono di frequente riscontro nei tumori dell’uomo e in molti casi sono indicatori biologici che permettono di definire in maniera più accurata la prognosi dei pazienti. Possono rappresentare inoltre marker predittivi per la risposta a terapie antitumorali con farmaci a bersaglio molecolare. Numerosi inibitori tirosinchinasici (TKI) sono attualmente in corso di studio o già disponibili per l’utilizzo in oncologia umana, e molti di questi hanno dimostrato una significativa efficacia utilizzati singolarmente o in combinazione a terapie convenzionali. Studi recenti indicano che un quadro analogo di disregolazione dei recettori tirosinchinasici è presente anche nelle neoplasie dei piccoli animali, e ne suggeriscono in molti casi un’implicazione prognostica. Gli inibitori tirosinchinasi sono da poco entrati nell’arena dell’oncologia veterinaria, ma i primi risultati lasciano supporre che siano destinati ad essere integrati definitivamente nei protocolli terapeutici standard. La tesi consiste in una parte introduttiva in cui sono trattate le principali funzioni biologiche dei recettori tirosinchinasici, la loro struttura e il loro ruolo nell’oncogenesi e nella progressione tumorale in medicina umana e veterinaria. Si affrontano inoltre le principali metodiche di laboratorio per l’analisi molecolare in oncologia e i meccanismi d’azione dei farmaci inibitori tirosinchinasici, con un cenno ai prodotti maggiormente utilizzati e alle loro indicazioni. Segue la presentazione e la discussione dei risultati di quattro studi relativi alla valutazione delle disregolazioni del recettore tirosinchinasico Kit (espressione aberrante e mutazioni genomiche) nel mastocitoma cutaneo del gatto e del recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR) nel carcinoma squamocellulare cutaneo del gatto e nei tumori polmonari primitivi del cane, con particolare attenzione al loro ruolo prognostico.

Sviluppo di metodologie per la Stima in Tempo Reale delle Grandezze Indicate in Motori a Combustione Interna

Modern Internal Combustion Engines are becoming increasingly complex in terms of their control systems and strategies. The growth of the algorithms’ complexity results in a rise of the number of on-board quantities for control purposes. In order to improve combustion efficiency and, simultaneously, limit the amount of pollutant emissions, the on-board evaluation of two quantities in particular has become essential; namely indicated torque produced by the engine and the angular position where 50% of fuel mass injected over an engine cycle is burned (MFB50). The above mentioned quantities can be evaluated through the measurement of in-cylinder pressure. Nonetheless, at the time being, the installation of in-cylinder pressure sensors on vehicles is extremely uncommon mainly because of measurement reliability and costs. This work illustrates a methodological approach for the estimation of indicated torque and MFB50 that is based on the engine speed fluctuation measurement. This methodology is compatible with the typical on-board application restraints. Moreover, it requires no additional costs since speed can be measured using the system already mounted on the vehicle, which is made of a magnetic pick-up faced to a toothed wheel. The estimation algorithm consists of two main parts: first, the evaluation of indicated torque fluctuation based on speed measurement and secondly, the evaluation of the mean value of the indicated torque (over an engine cycle) and MFB50 by using the relationship with the indicated torque harmonic and other engine quantities. The procedure has been successfully applied to an L4 turbocharged Diesel engine mounted on-board a vehicle.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.

Design And Implementation Of An End-To-End Simulator For The BepiColombo Rotation Experiment

Among the scientific objectives addressed by the Radio Science Experiment hosted on board the ESA mission BepiColombo is the retrieval of the rotational state of planet Mercury. In fact, the estimation of the obliquity and the librations amplitude were proven to be fundamental for constraining the interior composition of Mercury. This is accomplished by the Mercury Orbiter Radio science Experiment (MORE) via a strict interaction among different payloads thus making the experiment particularly challenging. The underlying idea consists in capturing images of the same landmark on the surface of the planet in different epochs in order to observe a displacement of the identified features with respect to a nominal rotation which allows to estimate the rotational parameters. Observations must be planned accurately in order to obtain image pairs carrying the highest information content for the following estimation process. This is not a trivial task especially in light of the several dynamical constraints involved. Another delicate issue is represented by the pattern matching process between image pairs for which the lowest correlation errors are desired. The research activity was conducted in the frame of the MORE rotation experiment and addressed the design and implementation of an end-to-end simulator of the experiment with the final objective of establishing an optimal science planning of the observations. In the thesis, the implementation of the singular modules forming the simulator is illustrated along with the simulations performed. The results obtained from the preliminary release of the optimization algorithm are finally presented although the software implemented is only at a preliminary release and will be improved and refined in the future also taking into account the developments of the mission.

Role of immunosuppressive and biologic therapy in pediatric IBD

We aimed to evaluate the role of anti-TNF-alpha therapy with infliximab and adalimumab in a cohort of pediatric patients followed by our Center from 2002 to 2012. The cohort of patients examined consisted of 40 patients: 34 with Crohn disease (85%), 5 with ulcerative colitis (12.5%), one with chronic pouchitis after IPAA for ulcerative colitis (2.5%). All patients were treated with the anti-TNF-α biologic agents infliximab and adalimumab. Thirty-six received infliximab therapy: 19/36 received only infliximab, 17/36 received infliximab and then adalimumab due to loss of response to infliximab and steroid dependency; 4 patients received only adalimumab (infliximab-naïve). Anti-TNF treatment was started before 18 years of age in 34 patients: 29 received infliximab and 5 started adalimumab during childhood. Medical charts were reviewed and safety and efficacy of anti-TNF-alpha have been determined in this population.

Investigation on the Navigation Anomaly of Pioneer 10 and 11 probes

The present work consists of the investigation of the navigation of Pioneer 10 and 11 probes becoming known as the “Pioneer Anomaly”: the trajectories followed by the spacecrafts did not match the ones retrieved with standard navigation software. Mismatching appeared as a linear drift in the Doppler data received by the spacecrafts, which has been ascribed to a constant sunward acceleration of about 8.5×10-10 m/s2. The study presented hereafter tries to find a convincing explanation to this discrepancy. The research is based on the analysis of Doppler tracking data through the ODP (Orbit Determination Program), developed by NASA/JPL. The method can be summarized as: seek for any kind of physics affecting the dynamics of the spacecraft or the propagation of radiometric data, which may have not been properly taken into account previously, and check whether or not these might rule out the anomaly. A major effort has been put to build a thermal model of the spacecrafts for predicting the force due to anisotropic thermal radiation, since this is a model not natively included in the ODP. Tracking data encompassing more than twenty years of Pioneer 10 interplanetary cruise, plus twelve years of Pioneer 11 have been analyzed in light of the results of the thermal model. Different strategies of orbit determination have been implemented, including single arc, multi arc and stochastic filters, and their performance compared. Orbital solutions have been obtained without the needing of any acceleration other than the thermal recoil one indicating it as the responsible for the observed linear drift in the Doppler residuals. As a further support to this we checked that inclusion of additional constant acceleration as does not improve the quality of orbital solutions. All the tests performed lead to the conclusion that no anomalous acceleration is acting on Pioneers spacecrafts.

Studio e sperimentazione di leghe ad elevata deformazione per applicazioni nel settore della prima lavorazione di materiali lapidei

Studio del componente di supporto del cavo utensile per taglio di materiali lapidei. Analisi delle applicazioni di leghe superelastiche e delle modalità di realizzazione del cavo utensile complessivo in relazione a specifiche esigenze poste a livello industriale.

Experimental analysis and FE Modeling of Aluminium alloys Microstructural Evolution in Extrusion

Extrusion is a process used to form long products of constant cross section, from simple billets, with a high variety of shapes. Aluminum alloys are the materials most processed in the extrusion industry due to their deformability and the wide field of applications that range from buildings to aerospace and from design to automotive industries. The diverse applications imply different requirements that can be fulfilled by the wide range of alloys and treatments, that is from critical structural application to high quality surface and aesthetical aspect. Whether one or the other is the critical aspect, they both depend directly from microstructure. The extrusion process is moreover marked by high deformations and complex strain gradients making difficult the control of microstructure evolution that is at present not yet fully achieved. Nevertheless the evolution of Finite Element modeling has reached a maturity and can therefore start to be used as a tool for investigation and prediction of microstructure evolution. This thesis will analyze and model the evolution of microstructure throughout the entire extrusion process for 6XXX series aluminum alloys. Core phase of the work was the development of specific tests to investigate the microstructure evolution and validate the model implemented in a commercial FE code. Along with it two essential activities were carried out for a correct calibration of the model beyond the simple research of contour parameters, thus leading to the understanding and control of both code and process. In this direction activities were also conducted on building critical knowhow on the interpretation of microstructure and extrusion phenomena. It is believed, in fact, that the sole analysis of the microstructure evolution regardless of its relevance in the technological aspects of the process would be of little use for the industry as well as ineffective for the interpretation of the results.