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Robotic systems and devices

02IGYNE

A.A. 2020/21

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 43
Esercitazioni in aula 10
Esercitazioni in laboratorio 27
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Pastorelli Stefano Paolo Professore Associato ING-IND/13 43 10 24 0 17
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/13 8 B - Caratterizzanti Ingegneria meccanica
2020/21
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 dall'allievo saranno anche utili per affrontare più in generale problemi relativi a sistemi meccanici multibody.
The subject faces the typical topics of the study and functional design of the robots, with particular reference to industrial robotics and collaborative robotics. The knowledge and skills acquired by the student will also be useful to deal more generally with problems related to multibody mechanical systems.
Conoscenza e capacità di comprensione 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.
Knowledge and comprehension skills of the fundamental methodologies for the kinematic and dynamic functional analysis of robots and of multibody mechanical systems – Knowledge and ability to use algorithms for the motion planning of robotic devices - Knowledge and comprehension of the behavior of the main mechanical components typically employed in robotic applications and skills in analysis of their functional features - Ability to describe, model, analyze, design and simulate with software tools the functional behavior of multibody robotic systems.
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. Sono richieste inoltre conoscenze dei fondamenti di calcolo differenziale e integrale, della geometria nel piano e nello spazio e dell'algebra matriciale.
Prerequisite for attending the subject is a basic knowledge of theoretical and applied mechanics and of the mechanical components and the ability to apply methods and calculations of these areas to the kinematic and dynamic analysis of mechanical systems. Besides, basic knowledge of differential and integral calculus, 2-D and 3-D geometry and matrix algebra are required.
- 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 velocità per applicazioni robotiche. Dispositivi di bilanciamento di bracci per robot. (12 ore)
- Introduction on robotics and its different fields of application. Typical architectures and examples of applications of industrial and collaborative robots. (4 hours) - 3-D pose of a rigid body and reference frames. Position and rotation matrixes; homogeneous form of matrixes. Angular coordinates. Homogeneous transformations. (12 hours) - Denavit-Hartenberg convention for robot kinematics. Direct kinematics of typical robot structures. Joints space and operational space, kinematic redundancy. Inverse kinematics of typical robot structures. (16 hours) - Differential kinematics. Jacobian of typical robot structures. Kinematics singularities and redundancy analysis. Inverse kinematics algorithms. (10 hours) - Kineto-statics duality. Manipulability ellipsoids. (2 hours) - Dynamics of multibody mechanical systems. Direct dynamics and inverse dynamics. (14 hours) - Trajectory planning in joints and operational spaces. (10 hours) - Functional analysis of robot wrists. Transmissions devices for robot applications. Speed reducers for robot applications. Balancing of robot arms. (12 hours)
L'insegnamento si svolgerà attraverso lezioni in aula con videoproiezione di materiale didattico e esercitazioni di calcolo in aula. A queste si affiancheranno esercitazioni presso laboratorio informatico, durante le quali ciascuno studente svilupperà l'abilità di implementare un codice software per la modellazione, l’analisi e la simulazione delle prestazioni funzionali di un robot; tali esercitazioni avranno lo scopo di approfondire e applicare ad un caso di riferimento gli argomenti trattati a lezione. Si richiede la stesura di una relazione dell’attività svolta presso il laboratorio informatico da parte di ciascun singolo studente, da presentare in sede di esame orale facoltativo. Inoltre, sarà condotta una esercitazione presso laboratorio sperimentale rivolta all'utilizzo di un braccio robotico collaborativo.
The subject will take place through classroom lectures with video projection of teaching material and numerical exercises in the classroom. These will be supported by tutorials at the computer lab, where each student will develop skills in implementing software code for modeling, analyzing and simulating the functional performance of a robot; exercises will aim to deepen and apply the topics covered in the classroom to a reference case. Each student will be required to write a report on the activity carried out at the computer lab and to discuss it during the optional oral examination. Furthermore, an experimental tutorial will be carried out in a lab on the use of a collaborative robotic arm.
Dispense del materiale didattico utilizzato durante le lezioni ed esercitazioni 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. P. Corke, "Robotics, Vision and Control", Springer. L. Tsai, "Robot Analysis", John Wiley & Sons, Inc. Reza N. Jazar, "Theory of applied robotics", Springer.
Teaching notes presented during lectures and exercises will be provided at the Web Page of the Course. Complementary texts: B. Siciliano, L. Schiavicco, L. Villani, G. Oriolo, "Robotica – modellistica, pianificazione e controllo", McGraw-Hill, 2008 P. Corke, "Robotics, Vision and Control", Springer. L. Tsai, "Robot Analysis", John Wiley & Sons, Inc. Reza N. Jazar, "Theory of applied robotics", Springer
Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L’esame è volto ad accertare il livello di conoscenza e comprensione degli argomenti elencati nel programma e presentati durante lezioni ed esercitazioni del corso 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 circa 90 minuti, cui può aggiungersi una prova orale facoltativa a discrezione dello studente. Durante l’esame non è consentito l’uso di appunti, libri di testo o altro materiale didattico o di supporto elettronico. Le prove scritta e orale vertono su tutti gli argomenti trattati a lezione, esercitazione e laboratorio. Inoltre, durante la prova orale è richiesta la presentazione di un report che illustri obbiettivi, strumenti di soluzione implementati e risultati ottenuti, relativi all’attività di laboratorio informatico. 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 27/30 (con punteggio per ciascuna domanda variabile in base alla difficoltà tra 6 e 10 punti); il voto attribuibile alla prova orale può essere compreso tra un minimo di -2 e un massimo di +5 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.
Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
The exam is aimed to evaluate the level of knowledge and comprehension of the topics of the subject syllabus and presented during lectures and exercises and the achievement of the skills described in the expected learning outcomes. The exam consists of a written test with three or four open questions, lasting about 90 minutes, plus an optional oral examination at the student’s decision. Books, teaching notes and any other teaching material or electronic devices are not allowed during examination. Written and oral examination subjects may concern any topic presented during lectures, exercises and tutorials. Besides, during the optional oral examination students are requested to present a report on objectives, implemented solution tools and obtained results concerning the computer lab tutorials. Tests assessment are expressed considering the pertinence of the answers to the questions, the correctness of the answers, the ability to respond clearly and with appropriate terminology, the ability of synthesis and logical connection between the subject topics. The final maximum obtainable mark is 30/30 with merit (cum laude); exam is passed with a mark not less than 18/30. The maximum mark of the written test is 27/30 (each question counts from 6 up to 10 points according to difficulty); the mark for the oral test is between -2 and +5 points. The optional oral part can be taken only if the mark of the written part is at least 18/30. The final mark is the sum of the written and oral parts scores (oral part equals 0 if not taken). At the end of written test evaluation, marks will be published on Teaching Portal and procedures for reviewing the written output will be given. Usually, the optional oral examination has to be taken at the same review day.
Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L’esame è volto ad accertare il livello di conoscenza e comprensione degli argomenti elencati nel programma e presentati durante lezioni ed esercitazioni del corso 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 circa 90 minuti, cui può aggiungersi una prova orale facoltativa a discrezione dello studente. Durante l’esame non è consentito l’uso di appunti, libri di testo o altro materiale didattico o di supporto elettronico. Le prove scritta e orale vertono su tutti gli argomenti trattati a lezione, esercitazione e laboratorio. Inoltre, durante la prova orale è richiesta la presentazione di un report che illustri obbiettivi, strumenti di soluzione implementati e risultati ottenuti, relativi all'attività di laboratorio informatico. La valutazione delle prove viene espressa considerando la pertinenza della risposta ai quesiti, 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 27/30 (con punteggio per ciascuna domanda variabile in base alla difficoltà tra 6 e 10 punti); il voto attribuibile alla prova orale può essere compreso tra un minimo di -2 e un massimo di +5 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.
Exam: Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
The exam is aimed to evaluate the level of knowledge and comprehension of the topics of the subject syllabus and presented during lectures and exercises and the achievement of the skills described in the expected learning outcomes. The exam consists of a written test with three or four open questions, lasting about 90 minutes, plus an optional oral examination at the student’s decision. Books, teaching notes and any other teaching material or electronic devices are not allowed during examination. Written and oral examination subjects may concern any topic presented during lectures, exercises and tutorials. Besides, during the optional oral examination students are requested to present a report on objectives, implemented solution tools and obtained results concerning the computer lab tutorials. Tests assessment are expressed considering the pertinence of the answers to the questions, the correctness of the answers, the ability to respond clearly and with appropriate terminology, the ability of synthesis and logical connection between the subject topics. The final maximum obtainable mark is 30/30 with merit (cum laude); exam is passed with a mark not less than 18/30. The maximum mark of the written test is 27/30 (each question counts from 6 up to 10 points according to difficulty); the mark for the oral test is between -2 and +5 points. The optional oral part can be taken only if the mark of the written part is at least 18/30. The final mark is the sum of the written and oral parts scores (oral part equals 0 if not taken). At the end of written test evaluation, marks will be published on Teaching Portal and procedures for reviewing the written output will be given. Usually, the optional oral examination has to be taken at the same review day.


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