INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E INFORMATICAAutomation Engineering and Control of Complex Systems (Ingegneria dell'automazione e del controllo dei sistemi complessi)Anno accademico 2023/2024

1002066 - ROBOTICS A - Z

Docente: DARIO CALOGERO GUASTELLA

Risultati di apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

Il corso mira alla conoscenza del funzionamento di sistemi robotici in generale.

In particolare l'attenzione è rivolta sia ai manipolatori robotici che ai robot mobili per applicazioni industriali e di servizio.

Cinematica, Cinematica differenziale, Dinamica, Controllo e Programmazione di Robot Industriali. Cinematica, Calcolo di traiettorie, localizzazione e navigazione di robot mobili.

Conoscenze e capacità di comprensione applicate

Alla fine del corso lo studente dovrà essere in grado di analizzare un sistema robotico e di progettarne il sistema di controllo.

Autonomia di giudizio

Gli studenti dovranno avere le competenze per poter analizzare un sistema robotico, nelle sue componenti e dovranno essere in grado di proporre soluzioni a problemi che richiedono l'impiego di sistemi robotici.

Abilità comunicative

Gli studenti dovranno possedere le proprietà di linguaggio e le terminologie tipiche dei sistemi robotici e dovranno essere in grado di comunicarne caratteristiche, prestazioni e modalità di funzionamento sia ad esperti del settore che a interlocutori non specialisti.

Capacità di apprendimento

Gli studi intrapresi potranno consentire lo sviluppo ulteriore degli studi verso l'analisi e la progettazione anche di sistemi robotici più complessi in modo auto-diretto ed autonomo.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

Il corso è svolto mediante lezioni frontali attraverso l'uso di slide disponibili sulla piattaforma Studium.

Il corso comprende anche una serie di esercitazioni al calcolatore per la simulazione di robot e in laboratorio per lo sviluppo di esperienze pratiche di controllo e programmazione di sistemi robotici.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel syllabus.

Prerequisiti richiesti

Conoscenze di base di Controlli Automatici, Misure Elettroniche, Elettronica, Fondamenti di Informatica.

Frequenza lezioni

La frequenza non è richiesta, seppure fortemente consigliata, per sostenere la prova di esame.

La frequenza è indispensabile per lo svolgimento delle esercitazioni di laboratorio.

Contenuti del corso

Introduzione: Sviluppi storici, Classificazione dei robot, Componenti di un robot. Applicazioni e Mercato della robotica. Cinematica e dinamica: Trasformazione cinematica diretta, Matrici di rotazione, Rappresentazione di Denavit-Hartenberg, Equazioni cinematiche dei manipolatori, Trasformazione cinematica inversa, Cinematica differenziale, Matrice Jacobiana, Statica, Rigidità e Cedevolezza, Ellissoidi di manipolabilità. Analisi della ridondanza. Equazioni della dinamica del Braccio di un Robot. Calcolo delle traiettorie di un manipolatore: Pianificazione della traiettoria, Traiettorie nello spazio dei giunti e nello spazio operativo. Controllo: Controllo in catena chiusa di un servomeccanismo di posizione, Regolatore P.I.D., Controllo decentralizzato; Controllo centralizzato, Controllo robusto, controllo adattativo. Controllo nello spazio operativo. Controllo dell'interazione, Controllo di forza, Controllo ibrido. Sensori e attuatori per la robotica: Sistemi di attuazione dei giunti, Azionamenti elettrici, idraulici e pneumatici, Sensori propriocettivi, Sensori esterocettivi. Visione per la robotica: Acquisizione delle immagini, Geometria dell'immagine, Relazioni di base tra i pixel, Preelaborazione, Segmentazione, Descrizione, Riconoscimento, Interpretazione. Controllo visuale di un robot. Service robot: Definizione di service robot, Applicazioni di Service robot. I robot mobili. Navigazione di un robot mobile, Dead Reckoning, Odometria, Map-Building, Map-Matching. Controllo di traiettorie di robot mobili. Robot non-olonomi. Esempi di Service robot. Laboratorio di robotica: Esperienze di programmazione e controllo di robot manipolatori e mobili.

Testi di riferimento

[1] B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo,“Robotica”, Mc Graw-Hill Italia[2] B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo,“Robotics”, Springer[3] R. Siegwart, I. Nourbakhsh, “Introduction to Autonomous Mobile Robots”, MIT Press[4] Dispense del corso su Studium

Programmazione del corso

	Argomenti	Riferimenti testi
1	Introduction. Applications of robots. (2 hours)	[1]
2	Direct kinematics (4 hours)	[2]
3	Inverse kinematics (3 hours)	[2]
4	Differential kinematics. Jacobian. (2 hours)	[2]
5	Differential kinematics: singularities, redundancy (2 hours)	[2]
6	Differential kinematics: Inverse differential kinematics, Analytical Jacobian (3 hours)	[2]
7	Orientation errors (3 hours)	[2]
8	Statics Manipulability Ellipsoid,(2 hours)	[2]
9	Trajectory planning and Dynamics (2 hours)	[2]
10	Decentralised control (2 hours)	[2]
11	PD control with gravity compensation (2 hours)	[2]
12	Control with feedback linearization (2 hours)	[2]
13	Introduction to mobile robots (4 hours)	[3]
14	Mobile robots localization (2 hours)	[3]
15	Mobile robots mapping (2 hours)	[3]
16	Markov localization Kalman filter localization (2 hours)	[3]
17	Quadrotor modelling and control (3 hours)	[4]
18	Underwater robots (1 hour)	[4]
19	Inertial Measurement Units (1 hour)	[4]
20	Satellite Localization Systems., GNSS, DGPS, Galileo (2 hours)	[4]
21	Mobile robots Control (3 hours)	[3]
22	MATLAB Robotics toolbox, kinematics, control and simulation of manupulators and mobile robots (9hours)	[4]
23	KUKA and AUBO manipulator programming (2 hours)	[4]
24	Mobile robots laboratory exercise. Examples of robots, Agriculture, climbing volcanoes, demining (10hours)	[4]
25	Robotic sensors overview and exercise (5 hours)	[4]
26	Quadrotor laboratory exercise (2 hours)	[4]
27	ROS programming (2 hours)	[4]

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame consiste nella presentazione di una relazione sulle attività di laboratorio svolte e in una prova orale.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Cinematica differenziale. Calcolo dello Jacobiano. Statica. Manipolatori Ridondanti. Filtro di Kalman. Localizzazione di Markov. Controllo decentralizzato.

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