Scopo dell'insegnamento è fornire le basi per comprendere ed utilizzare i robot industriali e i robot mobili di servizio. Vengono perciò fornite le basi teoriche per descrivere la cinematica, la statica e la dinamica dei robot industriali e mobili. Vengono descritti e analizzati i principali schemi di controllo dei robot industriali. Sono anche trattati a livello generale i principali problemi connessi alla robotica mobile, quali le strutture di locomozione, la pianificazione del moto e i principali schemi di gestione dell'autonomia. Verranno inoltre introdotti concetti base su sensori e computer vision per la robotica. Le conoscenze ed abilità acquisite nell’insegnamento costituiscono un bagaglio professionale e culturale fondamentale per sbocchi occupazionali nell’ambito di sistemi di controllo e automazione industriale intelligenti.

Lo studente deve acquisire e sviluppare le seguenti conoscenze e abilità: - Conoscenza dei vari tipi di robot industriali a partire dalle caratteristiche della catena cinematica dei bracci; conoscenza dei vari tipi di polso. - Conoscenza della geometria tridimensionale, con riferimento alle trasformazioni di roto-traslazione rigida; conoscenza delle varie modalità per rappresentare l'assetto di un corpo rigido e capacità di risolvere semplici esercizi di roto-traslazione. - Capacità di analizzare una catena cinematica, fornendone i sistemi di riferimento e scrivendo le equazioni della cinematica diretta ed inversa di posizione. - Conoscenza della cinematica diretta e inversa di velocità e delle caratteristiche dello Jacobiano; capacità di sviluppare esempi di tali concetti per catene cinematiche anche complesse. - Conoscenza delle relazioni cineto-statiche; capacità di sviluppare esempi di tali concetti per catene cinematiche anche complesse. - Conoscenza delle equazioni dinamiche di un braccio robotico ed interpretazione fisica dei loro termini; caratteristiche strutturali di tali equazioni per il controllo; capacità di sviluppare semplici modelli dinamici di catene cinematiche. - Conoscenza dei principali approcci alla pianificazione del moto di un manipolatore nello spazio dei giunti e nello spazio operativo. - Conoscenza dei principali schemi di controllo a giunti indipendenti e a dinamica inversa; capacità di analizzare tali schemi e valutarne le caratteristiche positive e negative e la complessità realizzativa; conoscenza basica di schemi di controllo avanzati. - Conoscenza delle attuali tendenze della robotica mobile e di servizio; capacità di inquadrare un problema di robotica mobile nel contesto appropriato. - Conoscenza delle principali strutture di locomozione e, in particolare, dei rover su ruote. - Conoscenza dei principali approcci per la pianificazione del moto di robot mobili e conoscenza basica di schemi di gestione della loro autonomia (localizzazione, costruzione di mappe dell'ambiente). - Conoscenza di sensori e di elementi di computer vision per la robotica. - Conoscenza basica del framework ROS (Robot Operating System).

Conoscenza della Fisica di base, in particolare Meccanica ed Elettromagnetismo, fondamenti del calcolo vettoriale (somma, prodotto scalare e vettoriale) e matriciale (proprietà e operazioni fondamentali delle matrici, determinante, traccia, autovalori), elementi di automatica (stati, ingressi, uscite, funzioni di trasferimento), elementi di controlli automatici (semplici reti di compensazione proporzionale, integrale, derivativa).

Argomenti trattati nell'insegnamento e relativo peso in ore - Definizioni, catene cinematiche, gradi di libertà, ridondanza, tipi di bracci robotici, tipi di polsi robotici; trasformazioni geometriche in 3D, rotazioni e traslazioni, assetto di un corpo rigido e sue rappresentazioni (12 ore) - Convenzioni di Denavit-Hartenberg, cinematica di posizione e differenziale, Jacobiani, statica, relazioni cineto-statiche (10 ore) - Equazioni dinamiche di robot e loro proprietà; modelli fisici della catena motore-motoriduttore-braccio robotico (6 ore) - Pianificazione del moto di un manipolatore (6 ore) - Schemi di controllo di bracci robotici rigidi, controllo lineare e controllo non lineare, controllo dell'interazione e schemi di controllo avanzati; sensori per la robotica (16 ore) - Robotica mobile, strutture, locomozione, intelligenza di bordo e gestione dell'autonomia (10 ore) - Algoritmi di navigazione, introduzione alla computer vision e sensori (11 ore) - Introduzione all'utilizzo del framework ROS (Robot Operating System) (9 ore)

Le esercitazioni in aula riguardano esempi svolti ed esercizi, con applicazioni di quanto trattato nelle lezioni immediatamente precedenti. Le esercitazioni di laboratorio (circa 15 ore) riguardano la simulazione di sistemi robotici e prove sperimentali mediante utilizzo del manipolatore industriale disponibile presso il Laboratorio LADISPE e/o di piccoli manipolatori ad uso didattico. Sono previste inoltre esercitazioni con il framework ROS.

B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, "Robotica, Modellistica, pianificazione e controllo", McGraw-Hill, 2008 (o la sua versione inglese, edita da Springer, 2009) B. Bona, "Modellistica dei Robot Industriali", CELID, Torino, 2002 G. Legnani, I. Fassi, "Robotica industriale", CittàStudi Edizioni, 2019 L. Joseph, "Robot Operating System (ROS) for Absolute Beginners", Apress, New York, 2018 È inoltre reso disponibile sul portale della didattica tutto il materiale didattico (slide, esercizi svolti) utilizzato dalla docente a lezione.

Slides; Esercizi risolti; Video lezioni tratte da anni precedenti;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Exam: Written test;

... L'esame finale è scritto e volto a valutare la preparazione dello studente in tutti gli argomenti facenti parte del programma dell'insegnamento, al fine di verificare il raggiungimento delle conoscenze ed abilità elencate nella sezione "Risultati di apprendimento attesi" sia nell'ambito della robotica industriale (struttura di manipolatori, cinematica, dinamica, pianificazione della traiettoria, controllo), sia della robotica mobile (vincoli e modelli cinematici, pianificazione del moto, navigazione autonoma, computer vision per la robotica e framework ROS). In particolare, l'esame comprende quattro domande a risposta multipla (teoria ed esercizi), un esercizio da svolgere in forma estesa e tre domande a risposta aperta su argomenti di carattere più strettamente teorico. Il tempo assegnato per lo svolgimento è di 2 ore. Non è previsto un esame orale. Tipologie di temi d'esame sono resi disponibili sul portale della didattica agli studenti iscritti fin dall'inizio del modulo; altre potranno essere aggiunte e svolte durante l'insegnamento stesso. Durante gli esami non è consentito l'uso di testi o appunti, eccezion fatta per il formulario reso disponibile dalla docente, che ogni studente dovrà stampare e portare con sè all'appello, e per eventuali formulari personali con contenuti esclusivamente di natura matematica. Il voto d'esame espresso in trentesimi viene calcolato dalla media pesata dei punteggi assegnati alle domande. In caso di domande a scelta multipla, ogni risposta sbagliata comporta una penalizzazione pari al 25% del peso della domanda. Il punteggio totale del compito è pari a 33, di cui un terzo è assegnato all’insieme delle domande a risposta multipla. I pesi dell’esercizio da svolgere in forma estesa e delle tre domande a risposta aperta sono specificati in sede d'esame. La lode è assegnata per punteggi maggiori o uguali a 32, conseguiti senza arrotondamenti.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.