Smart Museum

Scenario

Sara enters the Louvre for the first time. She is working on a research on Dutch painters of the 17° Century. She heard about a new project, called ‘Smart Museum’, which is intended to help visitors in an intelligent way, suggesting content and authors who might be interesting for them. So, she decides to take a try, and picks the free multimedia guide at the entrance.

She types ‘Vermeer’ on the screen, and, after greeting her, the guide displays a map of the museum with the path to Vermeer’s zone. Moving straight to the target, she realises that this would not be possible without the brand new guide, when, suddenly, she notices that the guide is also proposing her a short audio file about the author she is looking for. While moving there, she decides to listen to this short bio.

When she reaches The astronomer, Richelieu pavilion, 2nd floor, room 38, the guide shows the details of the famous painting, and Sara plays the related audio file. When she has finished, she decides to leave a private comment about the masterpiece on the audioguide, in order to take note of her observations for the research. Later on, after visiting the whole room, she discovers that other visitors have left public comments about paintings, and she answers some of them. The guide suggests her to make a thematic tour about european art in the 17° Century, but she is more keen on doing something radically different, so she chooses a tour about abstract art.

After a long visit, she easily finds the Cafè and the Bookshop, where the guide asks her if she wants the summary of her visit to be sent her by e-mail and to buy a book on Wassily Kandinsky and a Vermeer print.

And… Wow! There will be a very interesting exhibition next week!

Presentation

Robot transmission, gears and reducers

 

 

In robotic systems, actuators should preferably be located in the base, in order to reduce the inertia and the gravitational effects on the arm. To do this, transmission systems and gear-boxes are needed for modifying torque and speed and for transfering the motion from the remotely located actuators to the load.

Transmission systems and reduction gears are used for:

- Transfering the motion from one location to another
- Transforming the motion (e.g. from rotary to linear and vice-versa)
- Modifying motion torque/speed

 
Main transmission solutions are:

 
- Four-bar mechanisms
- Chains
- Round-section or flat ropes
- Toothed belts
- Screws and ball screws
- Coaxial shafts

 
Popular reduction mechanisms in robotics are:

 
- Epicyclical gearboxes: They are used for their compactness, high reduction ratios, reduction of arm inertia and resistant torque. Main drawbacks are: loss of precision, vibration, loss of torsional stiffness, possible friction, efficiency reduction.

 

- Harmonic (planetary) drives: low backslash, high reliability, efficiency and compactness, low inertia, high cost

 

Direct actuation without transmission and/or reducers can also be used, but it must be handled with care because of the possible overheat of the motors in stall conditions and the consequent need of a more robust control system.

Smart Materials, Sensors and Actuators

 

1. Smart materials, sensors and actuators

Definition: smart materials can sense and react in a predictable and repeatable way to stimuli coming from the environment around them (extrinsic) or to internal stimuli (intrinsic), thanks to their electrical, mechanical, acoustic, structural and functional properties. The measure of this response must be at least 1 or 2 orders of magnitude greater than the one of ordinary materials in order to classify the material as “smart”.

Smart materials are capable of converting energy between different domains (mechanical, electrical, thermal, magnetic, chemical, etc.).
These special properties make smart materials very suitable for designing smart sensors and actuators which can be miniaturized more easily than ordinary ones.

Main properties of smart materials:

• Technical
  • Mechanical
  • Electro-magnetic
  • Thermal
  • Acoustic
  • Chemical
  • Structural
  • Functional
  • Behavioural
• Technological
  • Manufacturing (not too complex to maufacture)
  • Forming (mold, shape, in the sense of modelling)
  • Welding abilities
  • Thermal processing
• Environmental
  • Free of toxicity
  • Pollution-free
  • Possibility of reuse and recycling
• Economic
  • Affordable cost of raw materials
  • Competitive production cost
  • Availability (of raw materials)

2. Smart Systems

A smart sensor system is capable of assessing a certain situation (e.g., temperature rising over a threshold), determining if a response is needed and acting in consequence by putting to use the proper response (e.g., cantilever physical deflection).
The “smartness” of these systems is based on the following properties:

• Self-adaptabilitySelf-sensing
  • to a changing environment
  • to a similar setting
  • to a new/unknown application
• Possession of memory
• Decision making capabilities

3. Smart Structure

Smart structures are able to adapt themselves to changing conditions, similarly to biological systems. They are generally obtained by embedding smart sensors, actuators and controllers at discrete intervals inside a structure.

Use case: dampers using smart MR (Magnetorheological) fluid might be useful in the future for constructing earthquake-resistant buildings. The MR fluid changes its viscosity when subject to a magnetic field. This property allows to design smart structures or to enhance existing non earthquake-proof structures which strengthen themselves in case of earthquake.

4. Smart MEMS (Smart Micro Electro-Mechanical Systems)

Smart MEMS are miniaturized sensors, actuators and control circuits exploiting the capabilities of smart materials for integrating functions in a micrometer-scaled device. These systems often make use of micro-power supply units, micro-relay, micro-antennas, diaphragms or cantilevers.

Possible problems for this type of devices derive from the difficulties in modeling and the effects of scaling.

2. Smart materials: an overview
   1. Shape memory alloys

Materials in metal alloy which are able to return to their initial shape after deformation when heated.

2. Electroactive Polymers

Polymers showing a variation of shape as a response to a voltage applied to them.
(Up to 380% strain has been observed in some experiments…)

3. Piezoelectric materials

Materials through which an electric current flows when a mechanical tension or compression is applied to them.

4. Electrostrictive and Magnetostrictive materials

Materials (dielectric or ferromagnetic) changing their size when an electric or magnetic field is applied to them.

5. Electrorheological and Magnetorheological fluids/solids

Materials reacting to an electrical or magnetic field applied to them with a change of viscosity or other properties.

6. Thermochromic and photochromic

Materials which change color when subject to changes in temperature or lighting.

7. pH-sensitive Polymers

Change physical properties (e.g. they collapse or swell) when the pH value of the surrounding environment.

8. Halochromic materials

Widespread materials (e.g. paints) which change their color when the acidity of the surrounding environment changes.

9. Photomechanical materials

Chage shape under light exposure.

10. Self-healing materials

Materials endowed with self-repairing properties for ordinary wear. These properties result in an extended life time for such materials.

11. Smart fabrics

Experimental touch-sensitive smart material, which could be used for designing innovative human-computer interfaces.

3. Smart Actuators: requirements for robotic applications

Smart materials can be worth using in certain robotics applications, as they can satisfy the following requirements:

• Light weight
• Miniaturization
• Integration of sensing and actuator functions
• More rigid/flexible – Application specific
• Increased maneuverability
• Easy to control
• Can be more economical than other more traditional solutions

Other key requirements for a robotic actuator are:

• Large actuation force
• Large recoverable strain
• High energy density
• Large deflection

The two smart materials which best fit these requirements are SMAs and EAPs.
EAPs have a higher operational frequency and efficiency, and a larger recoverable strain, while SMAs provide a greater actuation force.

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What is a thread?

A thread is a procedure which is independent from the main process, and shares some resources with it (global variables). Each thread also has some private resources (e.g. Local variables and stack). Programs are usually divided in different threads, each of which is dedicated to a particular task. Multi-threaded computation is also useful for enhancing performance on multi-core systems, but this is not important in the field of Real-Time Systems.

For a RTS, multithreading is fundamental for its concurrency properties. Each thread can be specialised for solving a particular task in a predictable time period, and consequently prioritised on the basis of its importance within the system.

Useful POSIX primitives for threads

• pthread_t: Data type indicating the thread identifier. Usually, it is an integer, but it could also be a different kind of data.

• pthread_create(&id, *attr, fun, *arg): this function initialises a new thread with identifier id, some optional attributes contained in the *attr structure, executing the code of function fun. It can also pass some data to the new thread by means of the pointer *arg.

• pthread_join(&id, **retval): waits for the completion of the specified thread and receives the data returned by it.

Remark

• When many threads are executed concurrently without synchronization, the order in which they operate is non-deterministic, because it depends on scheduling. In fact, scheduling operations can give different results in different conditions and cannot be predicted a-priori (especially with dynamic scheduling algorithms).

A simple tool for synchronizing threads: barriers

A barrier is a simple and useful tool for synchronizing the operations of a thread with other threads or with the main process it is part of. It is associated to a “strength”, which corresponds to the number of threads/processes/tasks it has to synchronize. We may decide to synchronize all the threads with the main process, only the threads or even a smaller subgroup of threads.

Once a task encounters a specified barrier during the execution, it decreases the barrier “strength” by 1 and waits for other tasks to synchronize until the “strength” of the barrier falls to zero. This happens when the last task of the group reaches the barrier. After that, the execution of the blocked tasks continues.

Real-Time Systems for dummies!

Part 1

In the next few weeks, I will introduce in a human way a fundamental topic in Robotics, Control Engineering and Computer Science in general: Real-Time Systems. I am currently studying this topic in one of my MSc degree courses in Robotics Engineering, and these posts are based on my notes. Enjoy!

What is a Real-Time System?

A Real-Time System is a computer system composed of different sub-systems (threads and processes) which act concurrently in order to react to events under some defined time constraints. A RTS has to react promptly to different types of events. Thus, each thread must be ready to serve the event which is responsible for.

There exist three categories of RTS:

• Hard RTS: Missing even a single deadline might have severe consequences.

    Examples: Aircraft control systems, airbag controllers, nuclear facility security monitoring.

• Firm RTS: Missing a few deadlines does not imply severe consequences, but missing more than a few may lead to catastrophic results.

    Examples: Videogames, traffic light controls.

• Light RTS: Missing even several deadlines does not lead to any catastrophic consequence. However, the performance of the system are reduced.

    Examples: ticket machines.

A RTS must have the following properties:

• Concurrency: the main task is composed of sub-tasks, carried out by specialised threads/processes which synchronise with each other.

• Predictability: the reaction time to a specific event or series of events must be computable a-priori, even if these events may occur at randomic times.

• Promptness: The response of the system to an event must not be neither late, nor early.

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Per chi ci lavora tutti i giorni e gestisce tramite la rete i propri contatti e le proprie attività, di qualsiasi tipo esse siano, dal blog di cucina alla startup, si pone il problema di come gestire la propria immagine e le proprie informazioni personali su internet nel modo migliore possbile.

Sì, ma migliore in base a cosa?

Sono ormai passati i giorni nei quali ci nascondevamo tutti dietro a un nickname e ad un avatar ben studiato, e oggi le priorità sono altre. E’ maturata la necessità di mostrare se stessi sul web così come siamo, e non sempre per un deprecabile desiderio di esibizionismo e propaganda di sè, bensì per garantire maggiore stabilità e serietà nei confronti di chi ci sta intorno.

Il “metterci la faccia” non significa cedere al Panopticon, bensì calare questo fantastico strumento che è la Rete nel mondo reale, per riappropriarcene a pieno titolo e sfruttarne al meglio le grandi potenzialità. Sicuramente ciò necessita di un programma sistematico di educazione alla net-cittadinanza a livello internazionale che al momento non esiste, o sicuramente non è distribuito in modo capillare. La maggior parte delle persone non sa orientarsi nell’intricato mondo delle impostazioni della privacy, e questo è davvero un grosso problema.

Saggi

Anche quest’anno volge alla sua petardica conclusione, e ho quindi deciso di stilare una classifica dei testi che ho letto e che mi hanno lasciato qualcosa. Si tratta libri classificabili in generi diversi fra loro, ma dato che ne ho presi in considerazione solamente una dozzina mi limiterò a separare la saggistica dal resto (romanzi, racconti, poesie).

Oggi mi occuperò della saggistica!

1) La bellezza e l’inferno – Roberto Saviano

Che dire, questa raccolta di racconti non riuscirà forse a repilcare l’impatto di Gomorra, ma i molti temi chiamati in gioco, legati dal sottile filo della speranza, ci insegnano di più. Quanto sia unica e insostituibile la spinta che l’est-etica può dare all’agire umano nel contrastare il male. In un’epoca di imbruttimento interiore ed esteriore come questa, l’opera di Saviano accende nei cuori un lumicino molto, molto umano. Il migliore.

2) PATATRAC! – Roberto Vacca

Il libro di Vacca ci introduce nei meccanismi che hanno gegerato la crisi economica nella quale ci troviamo, illustrandone i malsani funzionamenti in un gergo comprensibile al lettore non-economista e tentando di quantificare l’entità del danno. Ottimo.

3) La malapianta – Nicola Gratteri e Antonio Nicaso

Ho parlato di Gomorra, come non occuparsi de “La malapianta”? Acquistato alla presentazione alla Fiera del Libro di Torino, questo libro mi è parso molto speciale. Se la camorra in Campania fa il buono e il cattivo tempo, in Calabria il radicamento delle ‘ndrine è forse ancora più difficile da estirpare, ma non impossibile. Le cosche si sono date una struttura federativa tramite la quale il controllo sul territorio e sulla politica è davvero capillare. L’unico modo per sconfiggerle è agire in modo preventivo sui giovani, facendogli comprendere a fondo che essere mafiosi, ancor prima di essere profondamente immorale – dettaglio che pare non interessare particolarmente – alla lunga non paga. Coraggioso.

4) Il liberalismo è di sinistra – Alberto Alesina e Francesco Giavazzi

Sembra paradossale, ma la teoria economica “classica” che ispira le politiche economiche dei partiti di sinistra è estremamente conservatrice, e quel che è peggio è che ciò vada spesso a discapito dei più deboli. Il liberalismo scardina i monopoli, crea posti di lavoro e rende l’economia più dinamica – ovviamente solo se le regole del gioco sono uguali per tutti. Aumentando la competitività diminuiscono i prezzi e la qualità dei servizi verso il cliente cresce. Questo libretto tratta i punti più importanti a favore di un’apertura liberalsocialista della sinistra italiana non marxista, forse l’unica via di ammodernamento capace di cambiare il corso degli eventi in un futuro prossimo. Fa riflettere.

5) Zygmut Bauman – Amore Liquido

Devo dirlo, Bauman mi ha un po’ deluso. Forse ho letto troppi suoi libri, ma mi pare che sia troppo ripetitivo e generico nella formulazione di concetti quali “modernità liquida”, “amore liquido”, “pensiero liquido”, eccetera… A forza di dare definizioni “liquide”, il suo sistema sociologico mi pare alquanto monolitico e inamovibile. Bocciato.

Prossimamente arriverà anche il resto della classifica.

Raffaello Camoriano

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In questi giorni si tiene a Parigi LeWeb, la più importante conferenza europea sulle novità della Rete. Guido Arata, inviato di Jack sul posto, mi segnala una interessantissima intervista di TechCrunch a Marissa Mayer, attualmente capo del settore prodotti consumer di Google, nel corso della quale sono giunte indiscrezioni sul futuro del motore di ricerca incarnato dal nuovo progetto Contextual Discovery.

“L’idea è di proporre informazioni agli utenti”, dice la Mayer, “senza che questi ultimi debbano nemmeno scomodarsi a cercarle con Google Search”. Ciò è diventato possibile grazie alla disponibilità di profili di navigazione degli utenti, nonché delle risorse di geolocalizzazione legate ai dispositivi mobili.

Un esempio? Pensate di entrare in un ristorante qualsiasi: Contextual Discovery sarà in grado di fornirvene direttamente il menù, con tanto di informazioni sui gusti dei vostri amici e valutazione media del locale.

Le possibilità offerte saranno davvero moltissime nel campo dei servizi ai clienti, ma la differenza con la pubblicità si fa ben più sottile!

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Ciao a tutti! Vi scrivo dalla Facoltà di Ingegneria di Genova, dove, insieme a molte altre Università del Paese, come tutti gli anni, si è tenuto il Linux Day. L’evento è autogestito dagli studenti dell’Open Lab, di cui sono membro essendo studente di Ingegneria Informatica.

Questa edizione è stata caratterizzata da una grande affluenza di appassionati e neofiti di tutte le età, che hanno seguito i talk in mattinata e nel pomeriggio, intervallati dal pranzo offerto dai membri del laboratorio e dal DIST, il dipartimento cui fa riferimento. I partecipanto sono stati molti di più rispetto allo scorso anno, tanto che si è reso necessario utilizzare un’aula più ampia per contenere tutti. Questo è un chiaro sintomo di quanto le alte tematiche del Software Libero, nonché i vantaggi pratici garantiti dall’utilizzo di sistemi operativi basati su GNU/Linux stiano ormai entrando nella vita quotidiana di migliaia di persone, anche qui in Italia.

Passiamo ora agli argomenti trattati nelle conferenze, che si sono aperte in mattinata con un’introduzione all’uso del sistema operativo free software, l’illustrazione delle principali strategie di migrazione Windows-Linux (con particolare enfasi sull’installazione in multiboot), continuando poi con un’infarinatura di BASH e relativo scripting. Per finire, sono state anche presentate le più importanti repositories di programmi.

 

Dopo un pranzo molto, molto affollato, con annesso servizio fotografico, ci siamo tuffati in una serie di seminari più specifici, a partire dall’ormai classico “hacking di reti wireless” (esiste ancora chi utilizza la codifica WEP!), indispensabile per capire come mantenere al sicuro i propri dati personali da vicini di casa troppo curiosi o semplici scrocconi di banda (o bande di scrocconi). Infine, si è discusso il tema dell’utilizzo di Linux in azienda, di Server Storage, p2p e di elaborazione di immagini digitali.

Una giornata gratificante per tutto il gruppo e gli ospiti, grazie!

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Dal dilemma del prigioniero

alla Tragedia dei Commons

Illustreremo qui di seguito una variante del dilemma del prigioniero, in cui Alice e Bob, due briganti, devono spartirsi il contenuto di una pentola piena di preziose monete d’oro.

Ciascuno di essi può decidere se prendere per sé una sola moneta, o se darne due al/alla “collega”, la prima strategia, quindi, è più “egoistica”, mentre la seconda è più “altruistica”.

Con il concetto di dominanza di una strategia possiamo prevedere quale sarà il comportamento dei giocatori, che si rivela altamente inefficiente.

Considerando dei pay-off indicativi del guadagno ricavato dallo sfruttamento, il gioco si può schematizzare in forma tabellare come segue:

A \ B	dai	prendi
dai	2 2	0 3
prendi	3 0	1 1