B020502 - ROBOTICA INDUSTRIALE

English

1 Cinematica di manipolatori
2 Cinematica differenziale e statica
3 Dinamica
4. Pianificazione di traiettorie
5. Controllo del movimento

B. SICILIANO, L. SCIAVICCO, L. VILLANI, G. ORIOLO, "ROBOTICA:
MODELLISTICA, PIANIFICAZIONE E CONTROLLO," THE MCGRAW-HILL
COMPANIES
Pubblicazione: 04/2008 (640 pagine, 37.00 Euro)
Il testo e` anche disponibile in lingua inglese:
B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Robotics ? Modelling, Planning and
Control, Springer, London, UK, 2009

CC3: Modellazione e studio di parti ed assiemi, del loro comportamento statico e dinamico e delle interazioni tra componenti.
CC5: La conoscenza di alcune macchine elettriche, della robotica industriale e dei controlli impiegati negli impianti industriali.
CC9: La conoscenza delle tecnologie informatiche a supporto dei processi.
CA3: La capacità di scegliere e applicare appropriati metodi analitici, di modellazione, di verifica e di sperimentazione per progettare, analizzare e collaudare macchine e impianti includendo: l’impostazione funzionale della progettazione di un sistema meccanico, applicando i principi della cinematica, della cinetostatica, della statica e della dinamica.
CA5: La capacità di utilizzare macchine elettriche nell'ambito di sistemi meccanici, analizzandone le prestazioni, di progettare sistemi di controllo automatico a retroazione, anche attraverso l’ausilio di strumenti informatici, di comprendere il funzionamento dei robot manipolatori e mobili maggiormente impiegati nelle applicazioni industriali e non, di scegliere gli opportuni azionamenti elettrici per macchine e impianti.
CA9: La capacità di impiegare la lingua inglese nelle quattro abilità comunicative principali (produzione verbale e scritta, ascolto, lettura) in contesto professionale.
In particolare: fare acquisire agli allievi familiarità con i robot maggiormente utilizzati nelle
applicazioni industriali e non. Trovandosi la robotica al confine tra varie aree come
Meccanica, Elettronica, Automatica, Informatica, il corso, oltre a sviluppare in
dettaglio gli argomenti di Meccanica necessari per l'analisi e la sintesi di strutture di
robot, dovrà fornire strumenti per la comprensione del funzionamento delle parti di
un robot che afferiscono a discipline che sono fuori dal bagaglio culturale medio
dell'allievo ingegnere elettronico. Ciò al fine di creare, per lo meno, un linguaggio
comune con colleghi con diversa specializzazione, secondo l'impostazione
meccatronica della progettazione, già digerita da tempo in altre nazioni.
Conoscenza delle più comuni tipologie di robot manipolatori e robot mobili.
Conoscenza del problema cinematico diretto ed inverso e della cinematica
differenziale.
Conoscenza delle tipologie di componenti elettromeccanici (sensori, attuatori,
organi di trasmissione) utilizzati nei robot industriali.
Conoscenza delle tecniche e delle architetture di controllo più comunemente
utilizzate nei robot industriali. Capacità di analizzare un robot industriale a catena
aperta semplice utilizzando il metodo di Denavit-Hartenberg, per quanto riguarda la
modellazione cinematica, e le equazioni di Lagrange per quanto riguarda la modellazione dinamica.

Conoscenze di:
- Geometria Analitica e Algebra Lineare;
- Fisica generale I e II;
- Fisica matematica (desiderata ma non indispensabile);
- Modellazione e Controllo di sistemi LS (LTI).

35 ore di lezioni ex cathedra piu` 15 ore di esercitazioni per un totale di 50 ore
previste. Compatibilmente con la disponibilità del laboratorio informatico, parte delle
esercitazioni saranno svolte con l'utilizzo del personal computer in ambiente
Matlab/Simulink.
Durante il corso saranno possibilmente svolte una o piu` visite presso aziende che
sviluppano e/o utilizzano robot industriali.

Prova scritta. Di solito saranno poste tre domande alcune delle quali (una o due) su argomenti di teoria e le altre riguardanti lo svolgimento di un esercizio o l'applicazione della teoria.

Programma esteso PROGR_EST 15000 Sì 1 Cinematica di manipolatori
1.1 Metodi per la rappresentazione dell'orientazione: matrici di rotazione, angoli di Euler ZYZ, Rappresentazione asse-angolo, Quaternione unitario
1.2 Matrici di trasformazione omogenea
1.3 Il metodo di Denavit-Hartenberg applicato a cinematismi seriali
1.2 Cinematica diretta ed inversa di manipolatori.
2 Cinematica differenziale e statica
2.1 Jacobiano geometrico, jacobiano analitico e loro calcolo.
2.2 Soluzione del problema statico di un manipolatore con il principio dei lavori
virtuali e la trasposta dello jacobiano.
2.3 Singolarità cinematiche e loro studio
2.4 Analisi della ridondanza
2.5 Inversione della cinematica differenziale
e relativi algoritmi
2.6 Ellissoidi di manipolabilità
3 Dinamica
3.1 Problema dinamico diretto e problema dinamico inverso
3.2 Equazioni di Lagrange per sistemi olonomi e loro applicazione a semplici
sistemi a 1 o 2 DOF.
3.3 Applicazione delle equazioni di Lagrange alla determinazione della dinamica
inversa di un manipolatore.
3.4 Proprietà del modello dinamico dei manipolatori
3.5 Identificazione dei parametri dinamici
3.6 Modello dinamico nello spazio operativo
4. Pianificazione di traiettorie
4.1 Percorso geometrico e traiettoria
4.2 Traiettorie nello spazio dei giunti
4.3 Traiettorie nello spazio operativo
5. Controllo del movimento
5.1 Controllo nello spazio dei giunti e nello spazio operativo
5.2 Classificazione: controllo centralizzato e decentralizzato
5.3 Controllo indipendente al giunto
5.4 Controllo con compensazione in avanti a coppia calcolata
5.5 Controllo centralizzato
5.6 Controllo nello spazio operativo
5.7 Confronto tra le varie tecniche di controllo
Elenco degli argomenti oggetto di esercitazioni
1. Richiami di algebra lineare
Matrici - Vettori - Trasformazioni lineari - Autovalori e autovettori - Forme bilineari e quadratiche - Pseudoinversa - Decomposizione ai
valori singolari
2. Dinamica
Calcolo del modello dinamico per alcune strutture di manipolatori con il metodo di
Lagrange
3. Pianificazione di traiettorie
Algoritmi di generazione di traiettorie con leggi orarie paraboliche, cubiche,
quintiche, spline
4. Controllo del moto libero
Confronto tra algoritmi di controllo del movimento di tipo centralizzato e
decentralizzato 1. Introduction to the course
History of robotics
Industrial robotics and advanced robotics
Structure of manipulators
2. Kinematics
Position and orientation of a rigid body
Rotation matrices
Composition of rotations
Rotation around an arbitrary axis
Minimal representations of orientation
Quaternions
Homogeneous transformations
Direct Kinematics
Joint space and operational space
Kinematic calibration
The inverse Kinematic problem
Kinematics of parallel robots
Kinematics of wheeled and legged mobile robots
3. Differential Kinematics and statics
Geometric jacobian
Analytical jacobian
Kinematic singularities
Redundancy analysis
Inverse differential kinematics and related algorithms
Statics
Manipulability ellipsoids
4. Dinamics
Lagrange Formulation
Properties of the dynamic model of manipulators
Identification of dynamic parameters
Newton-Euler formulation
Direct and inverse dynamic problem
Dynamic model in the operational space
Dynamic manipulability ellipsoids
5. Trajectory planning
Geometric path and trajectories
Trajectories in joint space
Trajectories in operational space
6. Motion control
Control in joint space
Independent joint control
Feedforward computed torque compensation
Centralised control
Control in the operational space
Comparison between different control techniques
7. Control of interaction
Interaction with the environment
Compliance control
Impedance Control
Force Control
Hybrid control
Visual servoing
8. Sensors and actuators
Joint drives
Servomotors
Classification of sensors
Proprioceptive sensors
Exteroceptive sensors
9. Control architectures
Functional architectures
Programming environments
Hardware architectures
10. Telerobotics and man-machine interfaces
History of teleoperation
Bilateral control
Interfaces for force replication
List of exercises
1. Linear algebra
Matrices
Vectors
Linear transformations
Eigenvalues and eigenvectors
Bilinear and quadratic forms
Pseudoinverse
Singular value decomposition
2. Kinematics
Direct and inverse kinematics of some manipulator structures
3. Differential kinematics
Computation of the geometric jacobian for some manipulator structures
4. Dynamics
Computation of the dynamic model for some manipulator structures with the
methods of Lagrange and Newton-Euler
5. Planning of trajectories
Algorithm of generation of trajectories with parabolic, cubic, quintic and spline time
laws
6. Motion control
Examples of commercial motion control systems
Laboratory demonstration of a controlled axis