Parallel Manipulators

In recent years, parallel kinematics mechanisms have attracted a lot of attention from the academic and industrial communities due to potential applications not only as robot manipulators but also as machine tools. Generally, the criteria used to compare the performance of traditional serial robots and parallel robots are the workspace, the ratio between the payload and the robot mass, accuracy, and dynamic behaviour. In addition to the reduced coupling effect between joints, parallel robots bring the benefits of much higher payload-robot mass ratios, superior accuracy and greater stiffness; qualities which lead to better dynamic performance. The main drawback with parallel robots is the relatively small workspace. A great deal of research on parallel robots has been carried out worldwide, and a large number of parallel mechanism systems have been built for various applications, such as remote handling, machine tools, medical robots, simulators, micro-robots, and humanoid robots. This book opens a window to exceptional research and development work on parallel mechanisms contributed by authors from around the world. Through this window the reader can get a good view of current parallel robot research and applications

Kinematics and Robot Design II (KaRD2019) and III (KaRD2020)

This volume collects papers published in two Special Issues “Kinematics and Robot Design II, KaRD2019” (https://www.mdpi.com/journal/robotics/special_issues/KRD2019) and “Kinematics and Robot Design III, KaRD2020” (https://www.mdpi.com/journal/robotics/special_issues/KaRD2020), which are the second and third issues of the KaRD Special Issue series hosted by the open access journal robotics.The KaRD series is an open environment where researchers present their works and discuss all topics focused on the many aspects that involve kinematics in the design of robotic/automatic systems. It aims at being an established reference for researchers in the field as other serial international conferences/publications are. Even though the KaRD series publishes one Special Issue per year, all the received papers are peer-reviewed as soon as they are submitted and, if accepted, they are immediately published in MDPI Robotics. Kinematics is so intimately related to the design of robotic/automatic systems that the admitted topics of the KaRD series practically cover all the subjects normally present in well-established international conferences on “mechanisms and robotics”.KaRD2019 together with KaRD2020 received 22 papers and, after the peer-review process, accepted only 17 papers. The accepted papers cover problems related to theoretical/computational kinematics, to biomedical engineering and to other design/applicative aspects

Advances of Italian Machine Design

This 2028 Special Issue presents recent developments and achievements in the field of Mechanism and Machine Science coming from the Italian community with international collaborations and ranging from theoretical contributions to experimental and practical applications. It contains selected contributions that were accepted for presentation at the Second International Conference of IFToMM Italy, IFIT2018, that has been held in Cassino on 29 and 30 November 2018. This IFIT conference is the second event of a series that was established in 2016 by IFToMM Italy in Vicenza. IFIT was established to bring together researchers, industry professionals and students, from the Italian and the international community in an intimate, collegial and stimulating environment

A knowledge-based, secure and dependable self-healing architecture for the smart grid

Tese de mestrado, Segurança Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016As redes de distribuição de eletricidade são infraestruturas críticas que, em casos de incapacitação ou destruição, provocariam um efeito debilitante na economia e na segurança pública. Estas redes são cada vez mais suportadas por sistemas complexos e redes de comunicações, ganhando desta forma alguma inteligência e autonomia. A informação que estes sistemas geram e as decisões e ações que tomam são limitadas pela informação que têm. Em casos nos quais não tenham, por desenho, toda a informação relevante para o seu contexto de atuação, podem enganar os operadores e tomar ações prejudiciais. A dependência dos sistemas e comunicações levanta também preocupações sobre o desempenho, privacidade, segurança e confiabilidade, que se estendem além de possíveis faltas na rede elétrica. Neste sentido, existem soluções dedicadas ao tratamento automático de faltas na rede elétrica, existindo também soluções dedicadas ao tratamento de faltas nos sistemas e comunicações, fazendo-o separadamente. No entanto, como demonstrado pelos incidentes na Ucrânia, no final de 2015, faltas e falhas em diferentes camadas da rede inteligente podem estar relacionadas. Adicionalmente, embora exista alguma preocupação com a segurança e a confiabilidade das soluções de tratamento automático de faltas na rede elétrica no âmbito de alguns projetos europeus, os projetos piloto focam-se maioritariamente nos aspetos funcionais destas soluções, o que poderá comprometer a segurança de futuras instalações. Em resposta aos problemas acima descritos, nesta tese utiliza-se uma abordagem com base em conhecimento e segurança para desenhar e propor um sistema de tratamento automático de faltas na rede inteligente, que explora as ligações atrás mencionadas. Inicialmente, são definidos requisitos de alto nível para as componentes funcional, segurança e confiabilidade, desempenho, operação e manutenção. Estes requisitos são desagregados em requisitos de baixo nível para os quais ´e proposta uma arquitetura de sistema com módulos funcionais e não funcionais. No caso específico dos requisitos de segurança e confiabilidade, foi realizado um levantamento das ameaças e vulnerabilidades `a componente aplicacional do sistema, com o objetivo de identificar os controlos necessários e propor um conjunto de componentes que, sendo eles próprios conformes, garantem conformidade com os controlos identificados. A análise inicia-se com a identificação dos ativos relevantes, a que se segue a identificação das ameaças e vulnerabilidades correspondentes, com maior foco nas ameaças para a aplicação e na ameaça que esta, se e quando comprometida, pode constituir para a rede inteligente. Dos controlos identificados, são apenas incluídos no desenho aqueles que têm de ser implementados através de componentes aplicacionais ou para os quais a aplicação tem de dar algum tipo de suporte. Os controlos externos não são cobertos por esta investigação. Ainda sobre o desenho funcional, ´e feito um modelo da rede inteligente, incluindo os sistemas e componentes das suas várias camadas, com o objetivo de identificar as configurações que cada um suporta e as ligações entre eles. São também modelados, com o objetivo de identificar ligações e dependências: o processo de operação da rede elétrica, um processo genérico representativo dos processos e serviços dependentes do estado operacional da rede elétrica e o processo de tratamento automático. Estes modelos são utilizados na fase de implementação. A arquitetura resultante é a de um sistema multi-agente com agentes geograficamente distribuídos e replicados, designados por entidades especialistas em tratamento de faltas. Cada entidade é responsável por um domínio de tratamento limitado, correspondendo a um conjunto de sistemas, componentes e serviços da rede inteligente que fazem parte do seu âmbito de supervisão. Raciocina sobre conhecimento assente em factos e regras. Supervisiona o seu domínio, diagnosticando faltas, criando planos de recuperação e reconfigurando a rede inteligente com base nesses planos. Coopera com outras entidades. Aprende com os resultados e consequências da sua atuação. Integra componentes de segurança e confiabilidade para prevenir e tolerar faltas e intrusões nos seus próprios componentes. O sistema é implementado parcialmente para prova do conceito. A implementação inclui a definição de um domínio de tratamento, da ontologia correspondente, do modelo de conhecimento com factos e regras, dos objetivos de tratamento e de um conjunto de queries aplicáveis ao modelo. O domínio de tratamento inclui componentes da rede elétrica, equipamentos de rede, computadores e um sistema de controlo de acessos físicos, cobrindo desta forma diferentes camadas da rede inteligente. Para validação da implementação, os objetivos e queries são submetidos a um motor de inferência, no qual o modelo de conhecimento é previamente carregado, simulando o comportamento de uma réplica nos diferentes estados do processo de tratamento. O processo é repetido para quatro cenários de faltas e falhas de complexidade crescente, incluindo um cenário de falta de conhecimento em que o resultado da inferência, demonstrando a necessidade de manter as bases de conhecimento atualizadas. A implementação dos restantes módulos e integração do módulo de conhecimento é deixada para trabalho futuro, o que limita a validação da segurança da solução. Por definição, os controlos incluídos na arquitetura proposta respondem aos requisitos do sistema, dado que o desenho da solução utiliza módulos de segurança e confiabilidade identificados através de uma análise de ameaças e vulnerabilidades. No entanto, a verificação de que estes controlos são corretamente implementados e a validação da robustez dessa implementação está dependente da implementação dos módulos e, por esta razão, é deixada também para trabalho futuro. Validamos também a robustez do desenho proposto em termos de liveness e safety. Neste sentido, apresentamos uma definição para cada uma destas propriedades no contexto da solução proposta, apresentamos um conjunto de cenários em que as mesmas são comprometidas e justificamos o porquê de esses cenários não serem possíveis. No caso da liveness, o sistema deve executar continuamente desde a sua instalação até ao fim do seu ciclo de vida, entre eventuais interrupções programadas. Para a sua validação focamo-nos nas interações entre os vários módulos, com os sistemas e componentes da rede inteligente e entre entidades. No caso da safety, as ações do sistema devem basear-se apenas em informação atualizada, recolhida dos sistemas e componentes da rede inteligente. Neste caso, o foco é no conteúdo do modelo de conhecimento, na coordenação entre réplicas e a execução de comandos nos sistemas e componentes da rede inteligente. Por último, discutimos um conjunto de tópicos de desenho e implementação que, sendo críticos para a segurança e robustez do sistema proposto, dependem do contexto específico da cada rede inteligente e fornecemos recomendações e orientações para os mesmos. Assumindo a existência de outros sistemas instalados na rede inteligente com atuação possivelmente concorrente com a aqui considerada, é necessário definir qual é o âmbito de cada um esse haverá ou não interação entre o sistema aqui proposto e esses sistemas. O sistema aqui proposto poderá utilizar os sensores, atuadores e redes de comunicações já existentes, dependendo de garantias funcionais, desempenho, capacidade e segurança dados pelos mesmos, para adquirir a informação necessária e controlar os sistemas e componentes da rede inteligente, sendo necessário identificar as necessidades de implementação associadas. A alternativa ´e construir completa ou parcialmente uma infraestrutura dedicada. Este sistema poderá ser criado de raiz ou a partir de outros sistemas já existentes e que contenham módulos com funcionalidades semelhantes às identificadas no desenho da solução. É necessário instalar, operar e manter o sistema com o conhecimento necessário à tomada de decisão. Se tal não for feito, o sistema poderá tomar decisões prejudiciais. A distribuição do sistema, em termos de número de domínios, e a sua replicação, em termos de número de réplicas, tendo previsivelmente um impacto elevado nos custos da solução, deverão ter em conta análises de risco e de custo-benefício. Uma distribuição com granularidade apropriada e um número suficiente de réplicas com distribuição adequada permitem que o sistema funcione corretamente também em casos de partição de comunicações e/ou conectividade. As decisões tomadas, relacionadas com estes tópicos, têm impacto direto no desempenho, segurança e confiabilidade da solução. Para trabalho futuro, a nível de desenho, é proposto: a evolução de alguns módulos já incluídos no desenho da solução e o desenvolvimento de novos módulos, a modelação de mais sistemas, componentes e serviços e a atualização e extensão da análise de ameaças e vulnerabilidades. A nível de implementação, é proposto: a formalização e manutenção¸ de uma ontologia de suporte à descrição dos sistemas, componentes e serviços, a atualização dos factos, com base na ontologia, e a melhoria das regras, aproximando-as incrementalmente da realidade, o desenvolvimento do código de software associado a cada módulo e a extensão das recomendações e orientações apresentadas na discussão para incluírem exemplos práticos.The increasing complexity of the smart grid raises concerns with performance, privacy, security and dependability that go further beyond electrical network faults. In this regard, electrical network self-healing and commercially available security solutions are capable of handling a set of electrical network, systems and communications faults automatically, but separately. However, as shown by the Ukrainian incidents, in 2015, there can be cause-effect connections between faults and failures in different smart grid layers. Additionally, although a set of European projects is addressing the security and dependability of self-healing use cases, the pilot projects focus mainly on functional issues, possibly compromising the security of future roll-outs. We use a knowledge-based and security-by-design approach to design and propose a secure and dependable Self-Healing System (SHS) with awareness of the aforementioned connections. It is a Multi Agent System (MAS) with replicated Self-Healing Expert Entity (SHEE) agents. Each SHEE is responsible for the self-healing process in a limited domain, corresponding to a set of systems, components and processes assigned to its scope of supervision. It reasons with knowledge based on facts and rules. It monitors the domain, diagnoses eventual faults, creates recovery plans and reconfigures the smart grid based on these plans. It cooperates with other SHEEs. It learns from the results and consequences of its actions. It comprises a set of security and dependability features to prevent and tolerate faults and intrusions, resulting from a threat and vulnerability assessment. We perform a partial implementation of our system, consisting in the definition of a self-healing domain, the corresponding ontology, the knowledge model with facts and reasoning rules and a set of goals and queries. We successfully validate the SHS concept as a solution to the described problems. The goals and queries are submitted to a standalone inference engine, which is previously loaded with the knowledge model, simulating the behavior of a SHEE replica through the different states of the self-healing process. The process is repeated for four different complexity increasing fault and failure scenarios. We discuss and provide guidance for a set of design and implementation issues that, being critical to the security and robustness of the SHS, depend on each smart grid specific context

Robotic Minimally Invasive Tools for Restricted Access Confined Spaces

A study has been performed in the design and fabrication of deployable borehole robots into confined spaces. Three robot systems have been developed to perform a visual survey of a subterranean space where for any reason humans could not enter. A 12mm diameter snake arm was designed with a focus on the cable tensions and the failure modes for the components that make the snake arm. An iterative solver was developed to model the snake arm and algorithmically calculate the snake arms optimal length with consideration of the failure modes. A robot was developed to extend the range capabilities of borehole robots using reconfigurable borehole robots based around established actuation and manufacturing techniques. The expected distance and weight requirements of the robot are calculated alongside the forces the robot is required to generate in order to achieve them. The whegged design incorporated into the tracks is also analysed to measure the capability of the robot over rough terrain. Finally, the experiments to find the actual driving forces of the tracks are performed and used to calculate the actual range of the robot in comparison to the target range. The potential of reconfigurable mobile robots for deployment through boreholes is limited by the requirement for conventional gears, motors, and joints. This chapter explores the use of smart materials and innovative manufacturing techniques to form a novel concept of a self-folding robotic joint for a self-assembling robotic system. The design uses shape memory alloys fabricated in laminate structures with heaters to create folding structures

Advanced Sensing and Control for Connected and Automated Vehicles

Connected and automated vehicles (CAVs) are a transformative technology that is expected to change and improve the safety and efficiency of mobility. As the main functional components of CAVs, advanced sensing technologies and control algorithms, which gather environmental information, process data, and control vehicle motion, are of great importance. The development of novel sensing technologies for CAVs has become a hotspot in recent years. Thanks to improved sensing technologies, CAVs are able to interpret sensory information to further detect obstacles, localize their positions, navigate themselves, and interact with other surrounding vehicles in the dynamic environment. Furthermore, leveraging computer vision and other sensing methods, in-cabin humans’ body activities, facial emotions, and even mental states can also be recognized. Therefore, the aim of this Special Issue has been to gather contributions that illustrate the interest in the sensing and control of CAVs

Vibration, Control and Stability of Dynamical Systems

From Preface: This is the fourteenth time when the conference “Dynamical Systems: Theory and Applications” gathers a numerous group of outstanding scientists and engineers, who deal with widely understood problems of theoretical and applied dynamics. Organization of the conference would not have been possible without a great effort of the staff of the Department of Automation, Biomechanics and Mechatronics. The patronage over the conference has been taken by the Committee of Mechanics of the Polish Academy of Sciences and Ministry of Science and Higher Education of Poland. It is a great pleasure that our invitation has been accepted by recording in the history of our conference number of people, including good colleagues and friends as well as a large group of researchers and scientists, who decided to participate in the conference for the first time. With proud and satisfaction we welcomed over 180 persons from 31 countries all over the world. They decided to share the results of their research and many years experiences in a discipline of dynamical systems by submitting many very interesting papers. This year, the DSTA Conference Proceedings were split into three volumes entitled “Dynamical Systems” with respective subtitles: Vibration, Control and Stability of Dynamical Systems; Mathematical and Numerical Aspects of Dynamical System Analysis and Engineering Dynamics and Life Sciences. Additionally, there will be also published two volumes of Springer Proceedings in Mathematics and Statistics entitled “Dynamical Systems in Theoretical Perspective” and “Dynamical Systems in Applications”

Application of service composition mechanisms to Future Networks architectures and Smart Grids

Aquesta tesi gira entorn de la hipòtesi de la metodologia i mecanismes de composició de serveis i com es poden aplicar a diferents camps d'aplicació per a orquestrar de manera eficient comunicacions i processos flexibles i sensibles al context. Més concretament, se centra en dos camps d'aplicació: la distribució eficient i sensible al context de contingut multimèdia i els serveis d'una xarxa elèctrica intel·ligent. En aquest últim camp es centra en la gestió de la infraestructura, cap a la definició d'una Software Defined Utility (SDU), que proposa una nova manera de gestionar la Smart Grid amb un enfocament basat en programari, que permeti un funcionament molt més flexible de la infraestructura de xarxa elèctrica. Per tant, revisa el context, els requisits i els reptes, així com els enfocaments de la composició de serveis per a aquests camps. Fa especial èmfasi en la combinació de la composició de serveis amb arquitectures Future Network (FN), presentant una proposta de FN orientada a serveis per crear comunicacions adaptades i sota demanda. També es presenten metodologies i mecanismes de composició de serveis per operar sobre aquesta arquitectura, i posteriorment, es proposa el seu ús (en conjunció o no amb l'arquitectura FN) en els dos camps d'estudi. Finalment, es presenta la investigació i desenvolupament realitzat en l'àmbit de les xarxes intel·ligents, proposant diverses parts de la infraestructura SDU amb exemples d'aplicació de composició de serveis per dissenyar seguretat dinàmica i flexible o l'orquestració i gestió de serveis i recursos dins la infraestructura de l'empresa elèctrica.Esta tesis gira en torno a la hipótesis de la metodología y mecanismos de composición de servicios y cómo se pueden aplicar a diferentes campos de aplicación para orquestar de manera eficiente comunicaciones y procesos flexibles y sensibles al contexto. Más concretamente, se centra en dos campos de aplicación: la distribución eficiente y sensible al contexto de contenido multimedia y los servicios de una red eléctrica inteligente. En este último campo se centra en la gestión de la infraestructura, hacia la definición de una Software Defined Utility (SDU), que propone una nueva forma de gestionar la Smart Grid con un enfoque basado en software, que permita un funcionamiento mucho más flexible de la infraestructura de red eléctrica. Por lo tanto, revisa el contexto, los requisitos y los retos, así como los enfoques de la composición de servicios para estos campos. Hace especial hincapié en la combinación de la composición de servicios con arquitecturas Future Network (FN), presentando una propuesta de FN orientada a servicios para crear comunicaciones adaptadas y bajo demanda. También se presentan metodologías y mecanismos de composición de servicios para operar sobre esta arquitectura, y posteriormente, se propone su uso (en conjunción o no con la arquitectura FN) en los dos campos de estudio. Por último, se presenta la investigación y desarrollo realizado en el ámbito de las redes inteligentes, proponiendo varias partes de la infraestructura SDU con ejemplos de aplicación de composición de servicios para diseñar seguridad dinámica y flexible o la orquestación y gestión de servicios y recursos dentro de la infraestructura de la empresa eléctrica.This thesis revolves around the hypothesis the service composition methodology and mechanisms and how they can be applied to different fields of application in order to efficiently orchestrate flexible and context-aware communications and processes. More concretely, it focuses on two fields of application that are the context-aware media distribution and smart grid services and infrastructure management, towards a definition of a Software-Defined Utility (SDU), which proposes a new way of managing the Smart Grid following a software-based approach that enable a much more flexible operation of the power infrastructure. Hence, it reviews the context, requirements and challenges of these fields, as well as the service composition approaches. It makes special emphasis on the combination of service composition with Future Network (FN) architectures, presenting a service-oriented FN proposal for creating context-aware on-demand communication services. Service composition methodology and mechanisms are also presented in order to operate over this architecture, and afterwards, proposed for their usage (in conjunction or not with the FN architecture) in the deployment of context-aware media distribution and Smart Grids. Finally, the research and development done in the field of Smart Grids is depicted, proposing several parts of the SDU infrastructure, with examples of service composition application for designing dynamic and flexible security for smart metering or the orchestration and management of services and data resources within the utility infrastructure