La robotica, traendo le sue origini dallo sviluppo delle macchine e degli automi nel corso dei secoli, ha visto il suo sviluppo nel corso del XX secolo nell’ambito dell’industria manifatturiera e dei sistemi di produzione automatici. Attualmente il campo di applicazione dei robot si sta ampliando verso settori nei quali si manifesta una maggiore interazione fisica e cognitiva con l’uomo, un crescente sviluppo nella capacità di percezione ed azione con l’ambiente, un elevato grado di autonomia, intelligenza e specializzazione della macchina. In questo contesto evolutivo l’insegnamento si propone di fornire conoscenze ed abilità ingegneristiche di base della robotica utili per la formazione dell’ingegnere meccanico, che sempre più si troverà ad agire in ambiti tecnologici, scientifici e sociali multidisciplinari. L'insegnamento affronta le tematiche caratteristiche dello studio e della progettazione funzionale dei robot, con particolare riferimento alle applicazioni di robotica industriale e di robotica collaborativa. Le conoscenze e le abilità acquisite costituiscono le basi ingegneristiche necessarie anche per lo studio di sistemi robotici in ambiti differenti da quelli di riferimento per l'insegnamento, quali ad esempio la robotica mobile e la robotica di servizio. Inoltre, le conoscenze e le abilità acquisite saranno anche utili per affrontare più in generale problemi relativi a sistemi meccanici e meccatronici multibody, nei vari campi ingegneristici applicativi in cui trovano impiego.

- Conoscenza e capacità di comprensione e implementazione delle metodologie di base per l'analisi funzionale cinematica e dinamica di robot e di sistemi meccanici multibody. - Conoscenza e capacità di utilizzo degli algoritmi per la pianificazione dei movimenti di dispositivi robotici. - Conoscenza e capacità di comprensione del funzionamento dei principali componenti meccanici tipicamente utilizzati in dispositivi robotici e capacità di analizzarne le caratteristiche funzionali. - Capacità di descrivere, modellizzare, analizzare, progettare e simulare in ambiente software il funzionamento di sistemi robotici multibody. - Capacità di leggere e interpretare datasheet di robot commerciali per applicazioni industriali.

Sono richieste conoscenze di base nell'ambito della meccanica teorica e applicata e della componentistica meccanica e l'abilità di applicare le metodologie di studio e gli strumenti di calcolo per l'analisi cinematica e dinamica di sistemi meccanici, acquisite nell'insegnamento di Meccanica Applicata alle Macchine. Sono richieste inoltre conoscenze dei fondamenti di calcolo differenziale e integrale, della geometria nel piano e nello spazio e dell'algebra matriciale, acquisite negli insegnamenti di Analisi Matematica, Algebra Lineare e Geometria.

Durante l’insegnamento verranno trattati i seguenti argomenti: - Introduzione alla robotica e ai suoi differenti campi applicativi. Tipologie di robot industriali e collaborativi: architetture ed esempi di applicazioni. (4 ore) - Posa di un corpo rigido e definizione di sistemi di riferimento associati a corpi rigidi. Matrici di posizione ed orientazione; matrici in forma omogenea. Coordinate angolari. Trasformazioni cinematiche omogenee. (12 ore) - Convenzione di Denavit-Hartenberg per lo studio cinematico di strutture robotiche. Cinematica diretta di strutture tipiche di manipolazione. Spazio dei giunti, spazio operativo, ridondanza cinematica di strutture robotiche. Problema cinematico inverso di strutture tipiche di manipolazione. (16 ore) - Cinematica differenziale. Matrice Jacobiana di strutture tipiche di manipolazione. Singolarità cinematiche ed analisi di ridondanza di strutture robotiche. Algoritmi per l'inversione cinematica. (10 ore) - Dualità cineto-statica. Ellissoidi di manipolabilità. (2 ore) - Analisi dell'equilibrio dinamico di strutture meccaniche multibody. Algoritmi di dinamica diretta e inversa. (14 ore) - Pianificazione di traiettorie nello spazio dei giunti e nello spazio operativo. (10 ore) - Analisi funzionale di strutture di polsi per robot. Organi di trasmissione del moto per applicazioni robotiche. Riduttori di velocita' per applicazioni robotiche. Dispositivi di bilanciamento di manipolatori robotici. (12 ore)

L'insegnamento si svolgerà attraverso lezioni in aula con videoproiezione di materiale didattico e esercitazioni di calcolo in aula (53 ore). A queste si affiancheranno esercitazioni presso laboratorio informatico (24 ore), durante le quali verrà sviluppata l'abilità di implementare un codice software per la modellazione, l'analisi e la simulazione delle prestazioni funzionali di un robot a 6 assi; tali esercitazioni avranno lo scopo di approfondire e applicare ad un caso di riferimento gli argomenti trattati a lezione. Occasionalmente durante le lezioni in aula verranno utilizzati anche dispositivi robotici dimostrativi a supporto dell'attività didattica. Inoltre, sarà condotta una esercitazione (3 ore) presso laboratorio sperimentale rivolta all'utilizzo di un braccio robotico collaborativo a 6 assi, avente stesse caratteristiche funzionali del robot analizzato durante le esercitazioni in laboratorio informatico. Il braccio robotico sarà anche occasionalmente disponibile in aula durante le esercitazioni di laboratorio informatico per dimostrare sperimentalmente i casi di studio trattati nell'ambiente di simulazione software.

Dispense complete del materiale didattico utilizzato durante le lezioni ed esercitazioni in aula ed in laboratorio e codici di simulazione specifici verranno fornite attraverso la pagina del corso sul Portale della Didattica. Testi di complemento: B. Siciliano, L. Schiavicco, L. Villani, G. Oriolo, "Robotica: modellistica, pianificazione e controllo", McGraw-Hill, 2008 K. M. Lynch, F. C. Park, "Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control", Cambridge University Press, 2017 P. Corke, "Robotics, Vision and Control", 2nd edition, Springer, 2017 M.W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar, "Robot Modeling and Control", 2nd edition, John Wiley & Sons Inc, 2020

Slides; Esercizi risolti; Esercitazioni di laboratorio; Esercitazioni di laboratorio risolte; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto individuale;

Exam: Written test; Optional oral exam; Individual essay;

... L'esame è volto ad accertare il livello di conoscenza e comprensione degli argomenti elencati nel programma e presentati durante lezioni ed esercitazioni dell'insegnamento e il raggiungimento delle capacità descritte nei risultati di apprendimento attesi. L'esame consiste di una prova scritta articolata su tre o quattro domande a risposta aperta, per una durata complessiva di 120 minuti, cui può aggiungersi una prova orale facoltativa a discrezione dello studente. Lo studente risponde ai quesiti scrivendo su fogli forniti in sede di esame, che vengono consegnati al termine della prova. Durante l'esame non è consentito l'uso di appunti, libri di testo o altro materiale didattico o di supporto elettronico (eventuali formulazioni di complessa memorizzazione necessarie per le risposte verranno fornite con il testo dell'esame). Le prove scritta e orale vertono su tutti gli argomenti trattati a lezione, esercitazione e laboratorio. Per la prova orale è richiesta una relazione sintetica che riporti obiettivi, strumenti di soluzione implementati e risultati ottenuti, relativi alle attività di laboratorio informatico e sperimentale. La relazione deve essere consegnata in occasione della prova orale, durante la quale ne verrano discussi i contenuti. La valutazione delle prove viene espressa considerando la pertinenza della risposta ai quesisti, la correttezza della risposta, la capacità di rispondere in modo chiaro e con terminologia appropriata, la capacità di sintesi e di collegamento logico tra i vari argomenti. Il voto massimo dell'esame è pari a 30/30 con lode; l'esame è superato con voto minimo 18/30. Il voto massimo attribuibile alla prova scritta è 28/30 (con punteggio per ciascuna domanda variabile tra 6 e 14 punti in base alla difficoltà ed articolazione in sotto-quesiti); il voto attribuibile alla prova orale può essere compreso tra un minimo di 0 e un massimo di +4 punti. Per essere ammessi a sostenere la prova orale, facoltativa, è necessario ottenere nella prova scritta un punteggio minimo di 18 punti. Il voto finale è espresso dalla somma del voto della prova scritta e della prova orale (valutata 0 punti se non condotta). Al termine della correzione della prova scritta, i voti saranno pubblicati sul Portale della Didattica e verranno indicate le modalità di visione dei compiti. Di norma, la prova orale facoltativa va sostenuta nella data di visione degli elaborati scritti.

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.