Course Syllabus
Obiettivi
Questo insegnamento ha lo scopo di fornire una introduzione alla robotica ed alla automatica. Relativamente alla robotica si introdurranno la robotica industriale e la robotica mobile. Relativamente all'automatica si affronteranno la teoria dei sistemi ed il controllo di sistemi lineari.
Contenuti sintetici
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 Lineari (tempo continuo e tempo discreto)
- Progetto di un controllo retroazionato per Motori a corrente continua
Programma esteso
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;
- controllo dei singoli giunti;
- rassegna di cinematiche di basi mobili;
- tassonomie di sensori;
- sensori propriocettivi (rotazione, fine corsa, etc);
- misura di distanza a triangolazione (diodo emettitore - rivelatore, luce strutturata semplice e con pattern pseudo-casuale, stereo camere, etc.);
- 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.);
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
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);
Modalità didattica
Le attività didattiche saranno svolte in lingua italiana
Le attività didattiche includeranno:
- lezioni erogative;
- esercitazioni interattive con svolgimento di esercizi e sviluppo di codice (in C) su piccoli robot didattici;
- lezioni pre-registrate, consistenti in audio e video dello schermo di tablet usato come lavagna, di lezioni di anni precedenti;
- incontri interattivi con attività programmativa (in matlab).
Materiale didattico
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Libri di testo
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P. Bolzern, R. Scatolini, N. Schiavoni, "Fondamenti di Controlli Automatici", 2 Ed., McGraw-Hill, 2004;
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A. Ruberti, A. Isidori, "Teoria dei SIstemi", Boringhieri, 1985
-
A. Isidori, "Sistemi di Controllo", Siderea, 1979
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P. Palumbo, Appunti delle lezioni di Automatica
-
testo complementare: R. C. Dorf, R. H. Bishop, "Controlli Automatici", Prentice Hall;
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testo sui motori DC: G. Ferretti, G. Magnani, "Modellistica e controllo dei servomeccanismi di posizione con motori a magneti permanenti", Pitagora Editrice, Bologna, 2002;
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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
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R. Siegwart, I. R. Nourbakhsh, D. Scaramuzza, "Introduction to Autonomous Mobile Robots", 2nd ed., MIT Press, 2011
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Altro materiale
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Ulteriore materiale, disponibile sulla piattaforma elearning
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Il voto è la media aritmetica tra i voti ottenuti in Robotica ed in Automatica.
Voto di Robotica
- Varanno valutati dei programmi matlab / C, sviluppati di solito durante il periodo di erogazione dell'insegnamento (su richiesta è possibile organizzarsi per svolgere questi lavori fuori dal periodo di erogazione dell'insegnamento) che convolgeranno alcuni dei seguenti temi:
- Roto-traslazioni di corpi rigidi nel piano;
- Roto-traslazioni di corpi rigidi nello spazio;
- Movimentazione di catene cinematiche aperte definite con le convenzioni di Denavit - Hartemberg / movimentazione di un piccolo robot mobile didattico;
- Saranno valutate le risposte scritte (scritto svolto successivamente alla fine della 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 Automatica
- domande (o esercizi da svolgere al momento col docente) sugli argomenti dell'insegnamento;
A meno di improbabili aggiustamenti secondari, i pesi con cui saranno valutate le varie parti sono i seguenti:
voto = 0.5 * voto_parte_robotica + 0.5 * voto_parte_automatica
voto_parte_automatica
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 .............................. 0.15
convenzioni DH (terza consegna mlab) oppure software di gestione del movimento di Coderbot.
Orario di ricevimento
Inviare email per concordare un appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
This course gives an introduction to robotics and automation systems. Concerning robotics, both industrial and mobile robotics will be introduced, concerning automation both systems theory, i.e., analytical modeling of systems, and the control of linear systems, will be introduced.
Contents
Robotics
- Representation of 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
Detailed program
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;
- control of single joints;
- review of kinematics of mobile bases;
- taxonomies of sensors;
- proprioceptive sensors (rotation, end-of-range, etc);
- range sensing based on triangulation (photo-emitter - photo-diode, structured light with simple and pseudo-casual pattern, stereo vision, etc.);
- 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.
Prerequisites
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);
Teaching form
The teaching activities will take place in italian.
The teaching activities will include:
- erogative classes
- interactive practice on development of software (C language) on small didactic robots;
- pre-recorded classes, consisting in audio and video of a tablet screen used as blackboard, of classes of previous years;
- interactive meetings with programming practicals (in matlab).
Textbook and teaching resource
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Textbooks
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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)
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(supplementary): R. C. Dorf, R. H. Bishop, "Moder control systems", Prentice Hall;
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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);
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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
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Other material
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Other material, available of the elearning platform
Semester
Second semester
Assessment method
The final mark is the average of the mark obtained in Robotics and the mark obtained in Automation systems.
Robotics mark
- development of matlab programs during the semester (on demand it is possible to arrange this part in another period) on some of the following topics:
- Roto-translations of rigid bodies in the plane;
- Roto-translations of rigid bodies in the space;
- Movimentation of open kinematics chains defined with the conventions of Denavit - Hartemberg / movimentation of a small didactic robot;
- Written verification on topics not covered by the small matlab / C 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.
Automation systems
- oral questions (or exercises to be solved in front of the teacher) about the topics of the course.
Unless the (unlikely) case of minor changes, 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 (question in the final written test) ....................... 0.10
lab1 roto-traslations 2D (fisrt mlab) .................... 0.15
differeces between the 2 way to use patch3D (file pdf) .. 0.05
lab2 rototraslation 3D (second mlab) ................... 0.15
lab3 ........................ 0.15
convenzioni DH (third mlab) or software for controlling the motion of a Coderbot
Office hours
Send email to arrange an appointment
Sustainable Development Goals
Staff
-
Pasquale Palumbo
-
Domenico Giorgio Sorrenti
