Codice insegnamento

4S009881

Docenti

Fabio Pini, Matteo Saveriano

Coordinatore

Fabio Pini

Crediti

6

Lingua di erogazione

Italiano

Settore Scientifico Disciplinare (SSD)

ING-INF/04 - AUTOMATICA

Periodo

I semestre dal 2 ott 2023 al 26 gen 2024.

Corsi Singoli

Autorizzato

Orario Lezioni Moodle Seminari 0

Obiettivi di apprendimento

L’insegnamento introduce le conoscenze di base necessarie a sviluppare, impostare progettualmente, produrre e assemblare dispositivi medici, con particolare riferimento all’impiego e al controllo di robot collaborati in ambiente medico e biomedicale. L’insegnamento sviluppa le abilità di base necessarie a impostare un progetto di sviluppo di prodotto, considerando sia gli aspetti meccanici e strutturali sia gli aspetti di controllo e gestione.

Prerequisiti e nozioni di base

Nessuno

Programma

Fondamenti di robotica industrial
- Introduzione alla robotica: cos'è un robot? Storia dei robot. Classificazione dei robot. Evoluzione verso i robot industriali. Altri tipi di robot: robot di servizio, esoscheletri. Robotica medica. - Unità funzionali del robot: Struttura meccanica: giunti, membri, end-effector, spazio di lavoro, classificazione del robot in base alla tipologia e disposizione dei giunti. Panoramica delle unità funzionali di un robot: sensori, attuatori, ecc.
- Cinematica del corpo rigido: Posizione e orientamento di un corpo rigido. Sistemi di riferimento. Matrici di rotazione (proprietà, composizione e interpretazioni). Derivata di una matrice di rotazione. Rappresentazioni minime dell'orientamento. Matrici antisimmetriche. Angoli di Eulero. Relazione tra velocità di Eulero e velocità angolare. Quaternioni unitari.
- Cinematica diretta del manipolatore: Definizione di cinematica diretta e inversa. Spazi di giunto, di compito e di attuazione. Coordinate generalizzate. Notazione di Denhavit-Hartenberg. Cinematica diretta dei robot manipolatori. Trasformazioni omogenee (proprietà, composizione e interpretazioni). Inversa di una matrice di trasformazione omogenea. Posizionamento dei sistemi di riferimento. Cinematica diretta di una catena cinematica.
- Cinematica Inversa: Definizione di cinematica inversa. Risolvibilità e spazio di lavoro. Soluzioni (analitiche) in forma chiusa. Esempi.
- Cinematica Differenziale Diretta: Velocità lineare e angolare di un corpo rigido. Velocità lineare e angolare di un membro azionato da giunti prismatici o rotanti. Contributo dei giunti prismatici e rotanti alla velocità dell'end-effector. Lo Jacobiano geometrico. Lo Jacobiano Analitico. Relazione tra Jacobiano geometrico e analitico.
- Ridondanza e Singolarità: Definizione di ridondanza. Manipolatori ridondanti. Introduzione ai sottospazi dell'algebra lineare. Pseudo-inversa. Interpretazione geometrica della mappatura cinematica inversa. Valori singolari. Definizione di singolarità. Tipi di singolarità. Cinematica differenziale inversa e singolarità. Metodo dei minimi quadrati smorzati. Inversione differenziale di ordine superiore.
Simulazione di soluzioni robotizzate
- Componenti fondamentali di un sistema robotizzato. Robotica collaborativa e sicurezza della interazione uomo-robot (principali standard di sicurezza). Esempi di soluzioni di robotica collaborativa applicati all'ambito biomedicale. Il processo di progettazione di soluzioni robotizzate.
- Strumenti per la simulazione e analisi di soluzioni robotizzate. Presentazione dell'ambiente ROS - Robot Operating System. Configurazione e primi passi.
- Implementazione di una soluzione di manipolazione con ROS. Preparazione dell'ambiente ROS. Fondamenti di Python. Architettura dell'ambiente ROS e primi esercizi. Trasformazioni matriciali. Modellazione di manipolatori seriali - file URDF - con esempi di applicazione convenzione Denhavit-Hartenberg e modellazione URDF a robot commerciali. Pianificazione traiettorie - MoveIt e Gazebo. Preparazione di ambienti robotizzati in Gazebo - modellazione oggetti e file. Modellazione di pinze robot. Modellazione camere per la localizzazione di oggetti. Script Python per la definizione di traiettorie robot. Impostazione e simulazione di un semplice processo di prelievo e deposito oggetti.

Bibliografia

Modalità didattiche

L'insegnamento prevede lo svolgimento di lezioni teoriche e laboratoriali. Le lezioni verranno svolte in aula/laboratorio con condivisione streming. Al termine delle lezioni, le registrazioni sono rese disponibili nella piattaforma moodle/panotopo. Durante le lezioni teoriche e di laboratorio è previsto lo svolgimento di esercizi volti a consolidare l’apprendimento delle nozioni teoriche. L’attività laboratoriale presenta e utilizza strumenti di simulazione open-source ampieamente utilizzati dalla comunità scientifica, come l’ambiente ROS e il linguaggio di programmazione Python. Durante le attività laboratoriali viene sviluppato un caso applicativo. Per stimolare la partecipazione costante ed attiva degli studenti verranno proposti esercizi. Materiale didattico elaborato da testi di riferimento fornito durante le lezioni.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’esame si compone di due prove. Una prova scritta per la valutazione delle competenze teoriche (domande a opzione multipla e/o quesiti aperti) – durata di 90 minuti. Una seconda prova che consiste nella esposizione di un elaborato: progetto di gruppo che prevede la simulazione di un processo robotizzato sviluppato nell'ambiente ROS – prevede la consegna del codice ROS e della presentazione prima dell’esposizione – durata dell’esposizione 20 minuti.

Criteri di valutazione

Per il superamento dell’esame gli stduneti dovranno dimostrare di aver compreso la modellazione matematica alla base della robotica industriale - calcoli matriciali, estrapolazione parametri DH, esercizi per la derivazione della cinematica diretta/inversa. Inoltre, devono dimostrare di conoscere ROS rispondendo a questi teorici relativi alla struttura dell’ambiente.
Per la valutazione delle competenze tecniche gli studenti devono essere in grado di implementare una simulazione in ambiente ROS utilizzando materiale raccolto autonomamente oltre a modelli e script presentati durante le esercitazioni.

Criteri di composizione del voto finale

Le due prove saranno valutate separamene. Il voto finale è ottenuto come media aritmetica tra le due prove - che dovranno risultare entrambe sufficienti. La valutazione dell'esposizione orale del progetto può prevedere la differenziazione del voto tra i partecipanti al progetto.

Lingua dell'esame

Italiano