ROBOTICS

Ingegneria Informatica ROBOTICS

0622700082
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE ED ELETTRICA E MATEMATICA APPLICATA
EQF7
COMPUTER ENGINEERING
2022/2023



OBBLIGATORIO
YEAR OF COURSE 2
YEAR OF DIDACTIC SYSTEM 2017
AUTUMN SEMESTER
CFUHOURSACTIVITY
324LESSONS
324EXERCISES
Objectives
L’INSEGNAMENTO FORNISCE CONOSCENZE DI BASE SUI METODI DI CONTROLLO PER BRACCI MANIPOLATORI ROBOTICI E PER ROBOT SU BASE MOBILE. IL CORSO CONSIDERA SIA GLI ASPETTI METODOLOGICI CHE QUELLI ORIENTATI ALLE APPLICAZIONI, MEDIANTE L’UTILIZZO DI AMBIENTI DI SIMULAZIONE E DI PROGETTAZIONE ASSISTITA AL CALCOLATORE.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE
MODELLAZIONE CINEMATICA DEI ROBOT. TECNICHE DI CONTROLLO NELLO SPAZIO DEI GIUNTI. PIANIFICAZIONE DEL COMPITO. ROBOT MOBILI.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE
DERIVARE LE EQUAZIONI CINEMATICHE DI UNA STRUTTURA ROBOTICA DATA. PROGETTARE UN CONTROLLORE PER ROBOT NELLO SPAZIO DEI GIUNTI. UTILIZZARE AMBIENTI DI SIMULAZIONE E DI PROGETTAZIONE ASSISTITA AL CALCOLATORE PER APPLICAZIONI ROBOTICHE.

Prerequisites
NON VI SONO PROPEDEUTICITÀ. COMUNQUE, PER IL RAGGIUNGIMENTO DEGLI OBIETTIVI DEL CORSO SONO RICHIESTE CONOSCENZE DI CONTROLLI AUTOMATICI DEI SISTEMI DINAMICI, SIA A TEMPO CONTINUO CHE A TEMPO DISCRETO. QUESTE CONOSCENZE POSSONO ESSERE ACQUISITE NEL CORSO: AUTOMAZIONE.

SONO INOLTRE RICHIESTE CONOSCENZE DI BASE DI INFORMATICA.
Contents
UNITÀ DIDATTICA 1 - CINEMATICA
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 8/4/12)
- 1 (2 ore lezione): Introduzione alla problematiche del corso. Struttura robot manipolatori. Posa di un corpo rigido. Matrice di rotazione. Matrici di rotazione per rotazioni intorno agli assi coordinati.
- 2 (2 ore lezione): Rappresentazione e rotazione di un vettore – Composizione di matrici di rotazione in terna corrente e in terna fissa
- 3 (2 ore lezione): Trasformazioni omogenee - Cinematica diretta – Notazione di Denavit-Hartemberg
- 4 (4 ore esercitazione): applicazioni della notazione di D-H per derivare la cinematica diretta di robot reali (ad esempio, COMAU Racer, FANUC Scara)
- 5 (2 ore lezione): Angoli di Eulero (Angoli ZYZ, Angoli RPY) – Asse e angolo - Spazio dei giunti e spazio operativo - Spazio di lavoro – Ridondanza cinematica – Problema cinematico inverso
- 6 (3 ore laboratorio): Assegnazione e discussione del progetto finale. Introduzione alla programmazione di robot tramite il Robot Operating System (ROS).
- 7 (3 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: nodi e topic ROS; strumenti di compilazione; file di launch; codifica di nodi ROS e pattern publisher/subscriber.
- 8 (3 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: modellazione cinematica di robot tramite URDF; matrici di trasformazione in ROS; rappresentazione dell'assetto in ROS (quaternioni); interfacce grafiche RQT.
- 9 (3 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: realizzare pacchetti di configurazione robot in ROS per i calcoli cinematici e la visualizzazione in ambiente digitale 3D; servizi ROS; azioni ROS; gestione del tempo in ROS; bagfiles; calcolo della cinematica diretta in MATLAB.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Descrizione della posizione e dell’orientamento di corpi rigidi nello spazio. Passaggio tra spazio giunti e spazio operativo: cinematica diretta e inversa. Robotic Operating System (ROS)
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
Derivazione della cinematica diretta di robot attraverso l’applicazione di una procedura standardizzata. Analisi di una rete ROS. Codifica di nodi ROS e dei relativi pattern di comunicazione. Calcoli cinematici in ROS e MATLAB. Realizzazione di modelli di robot al calcolatore.

UNITÀ DIDATTICA 2 – CINEMATICA DIFFERENZIALE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 3/1/2)
- 1 (3 ore lezione): Jacobiano geometrico - Singolarità cinematiche - Analisi della ridondanza - Inversione della cinematica differenziale - Jacobiano analitico - Algoritmi per l’inversione cinematica – Relazioni statiche
- 2 (1 ora esercitazione) Derivazione dello jacobiano geometrico e dello jacobiano analitico per robot assegnati
- 3 (2 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: debug di nodi ROS; risolutori cinematici in ROS.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Relazione tra spazio delle velocità ai giunti e spazio delle velocità all’organo terminale. Inversione cinematica di tipo algoritmico. Relazione tra coppie ai giunti e forze all’organo terminale. Problematiche applicative dei risolutori cinematici in ROS.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
Calcolo dello jacobiano geometrico e dello jacobiano analitico. Selezione ed utilizzo di risolutori cinematici in ROS sulla base delle specifiche applicative.

UNITÀ DIDATTICA 3 – CONTROLLO LINEARE DI ROBOT
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 2/2/6)
- 1 (2 ore lezione): Controllo nello spazio dei giunti - Controllo decentralizzato -– Compensazione in avanti decentralizzata.
- 2 (2 ore esercitazione): Progettazione di controllori indipendenti ai giunti (retroazione della sola posizione, retroazione della posizione e della velocità).
3 (2 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: realizzazione di un simulatore dinamico con Simulink/Simscape Multibody e visualizzazione in ambiente 3D; realizzazione di un robot simulato; integrazione numerica delle equazioni della dinamica.
- 4 (2 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: progettazione di controllori indipendenti ai giunti in MATLAB e validazione sperimentale in Simulink.
- 5 (2 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: introduzione a ros-control; controllo di robot simulati e reali mediante ros-control ed il simulatore dinamico Gazebo.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Controllo decentralizzato nello spazio dei giunti. Funzionamento di un simulatore dinamico. Simscape Multibody. ROS Control.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
Applicazioni di tecniche di controllo lineare per la progettazione di controllori nello spazio dei giunti. Implementazione di controllori ROS robot-indipendenti. Controllo di robot reali e robot simulati.

UNITÀ DIDATTICA 4 – GENERAZIONE DI TRAIETTORIE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 3/1/4)
- 1 (3 ore lezione): Percorso e traiettoria - Traiettorie nello spazio dei giunti - Moto punto–punto - Profilo di velocità trapezoidale - Moto attraverso una sequenza di punti - Traiettorie nello spazio operativo - Primitive di percorso (segmento e circonferenza)
- 2 (1 ora esercitazione) Utilizzo pratico dei concetti presentati
- 3 (3 ore laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: pianificazione di traiettoria con librerie ROS/MoveIt! (pianificazione punto-punto spazio giunti e spazio operativo, pianificazione Cartesiana, inversione cinematica lungo traiettorie).
- 4 (1 ora laboratorio): Strumenti software a supporto del progetto: generazione di percorsi e traiettorie nello spazio operativo con l'uso di MATLAB; interfacciamento tra MATLAB e ROS.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Algoritmi di base per la generazione di percorsi e di leggi orarie. Algoritmi di pianificazione di percorsi e leggi orarie in MoveIt!.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
Applicazione degli algoritmi di base a casi di studio realistici. Pianificazione di traiettorie in MATLAB e ROS. Integrazione tra MATLAB e ROS.

TOTALE ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO (16/8/24)

Teaching Methods
LEZIONI INTEGRATE CON ESERCITAZIONI SVOLTE IN AULA.. LE LEZIONI DI LABORATORIO UTILIZZERANNO STRUMENTI SOFTWARE E ROBOT REALI E SARANNO FINALIZZATE ALLA REALIZZAZIONE DI UN PROGETTO DI GRUPPO.

PER POTER PARTECIPARE ALLA PROVA FINALE E QUINDI ACQUISIRE I CREDITI, LO STUDENTE DOVRA' AVER PARTECIPATO AD ALMENO IL 70% DELLE LEZIONI TOTALI.

LEZIONI: 16 ORE
ESERCITAZIONI: 8 ORE
LABORATORIO: 24 ORE
Verification of learning
L'ESAME È PROGETTATO PER VALUTARE CONTEMPORANEAMENTE LA CONOSCENZA E LA COMPRENSIONE DEI CONCETTI PRESENTATI NEL CORSO, L'ABILITÀ NELL'APPLICARE TALE CONOSCENZA PER RISOLVERE PROBLEMI DI MODELLISTICA E CONTROLLO DI ROBOT, L'INDIPENDENZA DI GIUDIZIO, LE CAPACITÀ COMUNICATIVE E DI LAVORO IN SQUADRA E LA CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO.

L'ESAME SI SVOLGERÀ IN DUE FASI: UN PROGETTO PER VERIFICARE LA CAPACITÀ DI APPLICARE I CONCETTI PRESENTATI E LE COMPETENZE PRATICHE ED UN COLLOQUIO ORALE PER VERIFICARE LE CONOSCENZE METODOLOGICHE E LE CAPACITÀ DI PRESENTAZIONE ED ESPOSITIVE.

LA VALUTAZIONE FINALE È ESPRESSA IN TRENTESIMI CON EVENTUALE LODE, CON IL PROGETTO CHE PESA PER IL 50% ED IL COLLOQUIO ORALE PER IL 50%.

IL LIVELLO DI VALUTAZIONE MINIMO (18/30) È ATTRIBUITO QUANDO LO STUDENTE, PUR DIMOSTRANDO APPLICAZIONE NELLO STUDIO, DIMOSTRA INCERTEZZE NELL’APPLICAZIONE DEI METODI STUDIATI, NE HA UNA LIMITATA CONOSCENZA E PRESENTA UNA SCARSA CAPACITÀ ESPOSITIVA.

IL LIVELLO MASSIMO (30/30) È ATTRIBUITO QUANDO LO STUDENTE DIMOSTRA UNA CONOSCENZA COMPLETA ED APPROFONDITA DEI METODI ED È IN GRADO DI RISOLVERE I PROBLEMI PROPOSTI INDIVIDUANDO I METODI PIÙ APPROPRIATI.

LA LODE VIENE ATTRIBUITA QUANDO IL CANDIDATO DIMOSTRA SIGNIFICATIVA PADRONANZA DEI CONTENUTI TEORICI ED OPERATIVI E MOSTRA DI SAPER PRESENTARE GLI ARGOMENTI CON NOTEVOLE PROPRIETÀ DI LINGUAGGIO E CAPACITÀ DI ELABORAZIONE AUTONOMA ANCHE IN CONTESTI DIVERSI DA QUELLI PROPOSTI DAL DOCENTE.
Texts
B. SICILIANO, L. SCIAVICCO, L. VILLANI, G. ORIOLO, “ROBOTICS: MODELLING, PLANNING AND CONTROL”, SPRINGER, LONDON, 2009, ISBN 978-1846286414, ENGLISH LANGUAGE.

ESISTE ANCHE LA VERSIONE IN ITALIANO : B. SICILIANO, L. SCIAVICCO, L. VILLANI, G. ORIOLO, “ROBOTICA. MODELLISTICA, PIANIFICAZIONE E CONTROLLO”, TERZA EDIZIONE, MCGRAW-HILL EDUCATION, MILANO, 2008, ISBN: 978-8838663222

MATERIALE DIDATTICO INTEGRATIVO SARÀ DISPONIBILE NELLA SEZIONE DEDICATA DELL'INSEGNAMENTO ALL'INTERNO DELLA PIATTAFORMA E-LEARNING DI ATENEO (HTTP://ELEARNING.UNISA.IT) ACCESSIBILE AGLI STUDENTI DEL CORSO.
More Information
L'INSEGNAMENTO E' EROGATO IN ITALIANO
  BETA VERSION Data source ESSE3 [Ultima Sincronizzazione: 2022-09-16]