Course Syllabus

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Questo insegnamento ha lo scopo di fornire una introduzione alla robotica ed alla automatica. Di robotica si affronteranno sia la robotica industriale che la robotica mobile. Per l'automatica si affronteranno sia la teoria dei sistemi che il controllo di sistemi lineari.

Robotica

  • Rappresentazione delle roto-traslazioni
  • Manipolatori industriali
  • Basi mobili
  • Rassegna di sensori

Automatica

  • Introduzione ai Sistemi Dinamici (tempo continuo e tempo discreto)
  • Teoria del Controllo per Sistemi Lineare (tempo continuo e tempo discreto)
  • Progetto di un controllo retroazionato per Motori a corrente continua

Robotica

  • rassegna di applicazioni della robotica;
  • rappresentazione delle rotazioni in coordinate cartesiane;
  • rappresentazione delle traslazioni in coordinate cartesiane;
  • rappresentazione delle roto-traslazioni in coordinate omogenee;
  • introduzione alla cinematica dei manipolatori industriali;
  • modellazione con convenzioni di Denavit - Hartemberg degli elementi di catene cinematiche aperte;
  • interpolazione di traiettoria con profili trapezoidali di velocità per manipolatori con controllo indipendente ai giunti;
  • rassegna di cinematiche di basi mobili;
  • tassonomie di sensori;
  • sensori di distanza: misura di distanza a triangolazione (diodo emettitore - rivelatore, luce strutturata semplice e con pattern pseudo-casuale, stereo camere, etc.);
  • misura di distanza: misura di distanza a tempo di volo (ultrasuoni, laser range finder, laser scanner ad 1 e più piani di scansione, scansione meccanica, mems micro-mirrors, phased arrays, flash lidars, etc.);
  • misura di prossimità (induzione, condensatori, effetto Hall, fotocellule, etc.);
  • programmazione dei robot;

Automatica

  • Definizione di Sistema;
  • Sistemi lineari e stazionari: approccio nel dominio del tempo;
  • Modi naturali di un sistema lineare stazionario;
  • Sistemi lineari e stazionari: approccio in frequenza, trasformata di Laplace e Trasformata Zeta. Diagrammi di Bode;
  • Punti di equilibrio e stabilità;
  • Stabilità per sistemi lineari stazionari a retroazione a tempo continuo: il criterio di Nyquist;
  • Caratterizzazione dei sistemi di controllo a controreazione per sistemi a 1 ingresso e 1 uscita: fedeltà di risposta, reiezione di disturbi, risposta al gradino, sintesi per tentativi, PID, controllo digitale;
  • Progetto di un controllo retroazionato per Motori a corrente continua;
  • Modello Motore DC (Leggi di Lorentz e Faraday-Henry);
  • Controllo lineare retroazionato di un Motore DC.

Prerequisiti suggeriti

  • stima a minimi quadrati, regressione lineare;
  • ottimizzazione non-lineare non vincolata;
  • elementi di calcolo matriciale e proprietà delle matrici;
  • sistemi di equazioni differenziali lineari del 1º ordine (di cosa si tratta, non metodi risolutivi);

Le attività didattiche saranno svolte in lingua italiana

Le attività didattiche includeranno:

  • lezioni interattive e svolgimento di esercizi;
  • lezioni pre-registrate, consistenti in audio, e video dello schermo di tablet usato come lavagna, di lezioni di anni precedenti;
  • incontri interattivi sulla attività programmativa di laboratorio (matlab).

  • Libri di testo

  • P. Bolzern, R. Scatolini, N. Schiavoni, "Fondamenti di Controlli Automatici", 2 Ed., McGraw-Hill, 2004;

  • A. Ruberti, A. Isidori, "Teoria dei SIstemi", Boringhieri, 1985

  • A. Isidori, "Sistemi di Controllo", Siderea, 1979

  • P. Palumbo, Appunti delle lezioni di Automatica

  • testo complementare: R. C. Dorf, R. H. Bishop, "Controlli Automatici", Prentice Hall;

  • testo sui motori DC: G. Ferretti, G. Magnani, "Modellistica e controllo dei servomeccanismi di posizione con motori a magneti permanenti", Pitagora Editrice, Bologna, 2002;

  • Siciliano, B., Sciavicco, L., Villani, L., Oriolo, G., "Robotics: Modelling, Planning and Control", Advanced Textbooks in Control and Signal Processing, Springer, 2009;

  • (out of print) K. S. Fu, R. C. Gonzalez, C. S. G. Lee, "Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence", McGraw-Hill, 1987;

  • J. J. Craig, "Introduction to Robotics, Mechanics and Control", 3rd ed, Pearson Ed. Int., 2005

  • R. Siegwart, I. R. Nourbakhsh, D. Scaramuzza, "Introduction to Autonomous Mobile Robots", 2nd ed., MIT Press, 2011

  • Altro materiale

  • Ulteriore materiale, disponibile sulla piattaforma elearning

Secondo semestre

Il voto è la media aritmetica tra i voti ottenuti in Robotica ed in Automazione.

  • voto di Robotica

  • saranno valutati 3 programmi matlab, sviluppati di solito durante il periodo di erogazione dell'insegnamento (si è verificato pochissime volte che venga richiesto di sostenere questa parte di esame fuori dal periodo di erogazione dell'insegnamento, ma su richiesta è possibile organizzarsi in tal modo) sui seguenti temi:

  • Roto-traslazioni di un corpo rigido nel piano;

  • Roto-traslazioni di corpi rigidi nello spazio;

  • Convenzioni di Denavit - Hartemberg;

  • saranno valutate le risposte scritte (scritto a fine erogazione dell'insegnamento) sugli argomenti non oggetto dei programmi matlab:

  • cinematica diretta ed inversa di bracci manipolatori;

  • controllo del movimento di un manipolatore: infrastruttura tecnologica (motori, trasmissione, driver di potenza, etc.) ed interpolazione di traiettoria mediante profili trapezoidali di velocità;

  • sensoristica, principalmente sensoristica di misura della distanza;

  • voto di Automazione

  • domande (o esercizi da svolgere al momento col docente) su argomenti del programma;

A meno di improbabili cambiamenti, i pesi con cui saranno valutate le varie parti sono i seguenti:

voto = 0.5 * voto_parte_robotica + 0.5 * voto_parte_automazione

voto_parte_automazione
attribuito tutto insieme

voto_parte_robotica
è la media pesata delle valutazioni delle varie parti, con i seguenti pesi:
controllo del movimento di un manipolatore (domanda in scritto finale) . 0.10
cinematica diretta ed inversa (domanda in scritto finale) .............. 0.15
sensoristica esercizio (domanda in scritto finale) ............................... 0.15
sensoristica (domanda in scritto finale) ............................... 0.10
lab1 rototraslazioni 2D (prima consegna mlab) .......................... 0.15
differenze tra i 2 modi di uso di patch3D (consegna pdf) ............... 0.05
lab2 rototraslazioni 3D (seconda consegna mlab) ........................ 0.15
lab3 convenzioni DH (terza consegna mlab) .............................. 0.15

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This course gives an introduction to robotics and automation systems. For robotics both industrial and service robotics will be considered, for automation both systems theory, i.e., analytical modeling of systems, and the control of linear systems.

Robotics

  • Roto-traslations
  • Industrial manipulators
  • Mobile bases
  • Review of sensors

Automation

  • Introduction to Dynamic Systems (continuous and discrete time)
  • Linear Control Theory (continuous and discrete time)
  • Design of a Linear Feedback Control for a DC Motor

Robotics

  • review of applications of robotics;
  • representation of rotations in cartesian coordinates;
  • representation of translations in cartesian coordinates;
  • representation of roto-translations in homogeneous coordinates;
  • introduction to kinematics of industrial manipulators;
  • Denavit - Hartemberg conventions for modeling the elements of open kinematic chains;
  • trajectory interpolation by means of trapezoidal speed profiles for manipulators with independent joint control;
  • review of kinematics of mobile bases;
  • taxonomies of sensors;
  • range sensors: range sensing based on triangulation (photo-emitter - photo-diode, structured light with simple and pseudo-casual pattern, stereo vision, etc.);
  • range sensors: range sensing based on time of flight (ultrasound, laser range finder, laser scanner with 1 and many scanning planes, scanning: mechanical, mems micro-mirrors, phased arrays, flash lidars, etc.);
  • proximity detection (induction, condenser, Hall effect, photo-cells, etc.);
  • robot programming;

Automation

  • Definition of dynamic system;
  • Linear, time-invariant systems: time domain approach;
  • Natural modes of a linear, time-invariant system;
  • Linear, time-invariant systems: frequency domain approach, Laplace transform, Zeta transform. Bode diagrams;
  • Equilibrium points and stability;
  • Stability for linear, time-invariant feedback systems in continuous time: Nyquist theorem;
  • Single input/single output Feedback control systems: design specifications, rejection of the disturbances, step response, PID, digital control;
  • Design of a Linear Feedback Control for a DC Motor;
  • DC Motor modeling (Lorentz and Faraday-Henry Laws);
  • Linear Feedback Control for a DC Motor.

Suggested prerequisites

  • least squares estimation, linear regression;
  • non-linear unconstrained optimization;
  • basics of matrix calculus and matrix properties;
  • systems of first order linear differential equations (what they are, not resolution methods);

The teaching activities will take place in italian.

The teaching activities will include:

  • interactive classes and practice during classes;
  • pre-recorded classes, consisting in audio, and tablet screen used as blackboard, of classes of previous years;
  • interactive meetings about the programming practicals (matlab).

  • Textbooks

  • P. Bolzern, R. Scatolini, N. Schiavoni, "Fondamenti di Controlli Automatici", 2 Ed., McGraw-Hill, 2004 (in italian);

  • A. Ruberti, A. Isidori, "Teoria dei SIstemi", Boringhieri, 1985 (in Italian)

  • A. Isidori, "Sistemi di Controllo", Siderea, 1979 (in Italian)

  • P. Palumbo, Appunti delle lezioni di Automatica (in Italian)

  • (supplementary): R. C. Dorf, R. H. Bishop, "Moder control systems", Prentice Hall;

  • textbook on DC motors: G. Ferretti, G. Magnani, "Modellistica e controllo dei servomeccanismi di posizione con motori a magneti permanenti", Pitagora Editrice, Bologna, 2002 (in italian);

  • Siciliano, B., Sciavicco, L., Villani, L., Oriolo, G., "Robotics: Modelling, Planning and Control", Advanced Textbooks in Control and Signal Processing, Springer, 2009;

  • (out of print) K. S. Fu, R. C. Gonzalez, C. S. G. Lee, "Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence", McGraw-Hill, 1987;

  • J. J. Craig, "Introduction to Robotics, Mechanics and Control", 3rd ed, Pearson Ed. Int., 2005

  • R. Siegwart, I. R. Nourbakhsh, D. Scaramuzza, "Introduction to Autonomous Mobile Robots", 2nd ed., MIT Press, 2011

  • Other material

  • Other material, available of the elearning platform

Second semester

The final mark is the averege of the mark obtained in Robotics and Automation systems.

  • Robotics

  • development of 3 small matlab programs during the semester (on demand it is possible to arrange this part in another period) on the following issues:

  • Roto-translations of a rigid body in the plane;

  • Roto-translations of a rigid body in the space;

  • Conventions of Denavit - Hartemberg;

  • written verification on issues not covered by the small matlab programs:

  • direct and inverse kinematics of manipulators;

  • motion control of a industrial manipulator: technological infrastructure (motor, transmission, power driver, etc.)and trajectory interpolation by means of trapezoidal speed profiles;

  • sensors, mainly range sensing;

  • Automatic Control

  • oral questions (or exercises to be solved in front of the teacher)

Unless the (unlikely) case of the teachers to decide a change, the weights for the different parts are the following:

mark = 0.5 * mark_robotics + 0.5 * mark_automation

mark_automation
a single mark

mark_robotics
weghted average of the diffeent marks, with the following weights:
motion control for a manipulator (question in the final written test) ..................... 0.10
direct and inverse kinematics (question in the final written test) ..... 0.15
sensing (exercise in the final written test) ............................ 0.15
sensing (questyion in the final written test) ....................... 0.10
lab1 roto-traslations 2D (fist mlab) .................... 0.15
differeces between the 2 way to use patch3D (file pdf) .. 0.05
lab2 rototraslazioni 3D (second mlab) ................... 0.15
lab3 convenzioni DH (third mlab) ........................ 0.15

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Key information

Field of research
INF/01
ECTS
8
Term
Second semester
Activity type
Mandatory to be chosen
Course Length (Hours)
76
Degree Course Type
Degree Course
Language
Italian

Staff

    Teacher

  • PP
    Pasquale Palumbo
  • Domenico Giorgio Sorrenti
    Domenico Giorgio Sorrenti

Students' opinion

View previous A.Y. opinion

Bibliography

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Enrolment methods

Manual enrolments
Self enrolment (Student)

Sustainable Development Goals

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