Podstawy Robotyki Plik

(pieczęć wydziału)
KARTA PRZEDMIOTU
1. Nazwa przedmiotu: PODSTAWY ROBOTYKI
2. Kod przedmiotu:
3. Karta przedmiotu ważna od roku akademickiego: 2012/2013
4. Forma kształcenia: studia pierwszego stopnia
5. Forma studiów: studia stacjonarne
6. Kierunek studiów: AUTOMATYKA I ROBOTYKA; WYDZIAŁ AEiI
7. Profil studiów: ogólnoakademicki
8. Specjalność:
9. Semestr: 5, 6
10. Jednostka prowadząca przedmiot: Instytut Automatyki, RAu-1
11. Prowadzący przedmiot: dr hab. Tadeusz Szkodny
12. Przynależność do grupy przedmiotów:
przedmioty wspólne
13. Status przedmiotu: obowiązkowy
14. Język prowadzenia zajęć: polski
15. Przedmioty wprowadzające oraz wymagania wstępne: Zakłada się, że przed rozpoczęciem nauki
niniejszego przedmiotu student posiada przygotowanie w zakresie: fizyki (równania ruchu układu masa-sprężyna z
uwzględnieniem tarcia lepkiego), mechaniki (opis ruchu złożonego przestrzennego ciał i układów mechanicznych
typu łańcuchy kinematyczne szeregowe otwarte za pomocą macierzy przekształceń jednorodnych z zastosowaniem
wersji zapisu Hartenberga Denavita jak w podręczniku A. Morecki, J. Knapczyk, K. Kędzior „Teoria mechanizmów
i manipulatorów” WNT Warszawa 2002, opis dynamiki ciał doskonale sztywnych z pomocą macierzy przekształceń
jednorodnych, zasada prac przygotowanych, wyznaczanie minimalnych częstotliwości rezonansowych drgań
układów mechanicznych typu łańcuchy kinematyczne szeregowe otwarte), elektrotechnika i elektromechanika
(zasada działania i model matematyczny silnika prądu stałego sterowanego twornikowo z magnesami trwałymi,
zasada działania silnika prądu zmiennego synchronicznego BLDC z elektroniczną komutacją uzwojeń stojana i
pomiarem kąta obrotu wirnika), równania różniczkowe (rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych ).
16. Cel przedmiotu: Celem wykładu jest zapoznanie słuchaczy z podstawowymi metodami opisu położenia
i orientacji brył sztywnych, kinematyki i dynamiki manipulatorów stanowiących obiekt sterowania, planowania i
sterowania ruchem oraz sterowania pozycyjno-siłowego robotów. Na bazie tych metod słuchacze zapoznają się z
metodami projektowania generatorów trajektorii wewnętrznych i zewnętrznych, układów sterowania pozycyjnego i
pozycyjno-siłowego robotów stacjonarnych. Przedstawiana jest także charakterystyka języków programowania
robotów. Omawiane manipulatory mają co najwyżej trzy stopnie swobody i skupioną masę członów.
17. Efekty kształcenia:
Nr
W1
W2
W3
U1
Opis efektu kształcenia
Zna własności przekształceń macierzowych jednorodnych i
metody opisu położenia i orientacji obiektów manipulacji
za pomocą tych macierzy
Ma wiedzę z zakresu opisu zadania prostego i odwrotnego
kinematyki manipulatorów z uwzględnieniem osobliwości
kinematycznych i przestrzeni roboczej
Zna metody opisu dynamiki manipulatorów dla potrzeb
sterowania, strukturę układów sterowania pozycyjnego i
hybrydowego pozycyjno-siłowego manipulatorów
Potrafi określić i opisać zadania robotów w przestrzeni
zewnętrznej, utworzyć analityczny opis kinematyki i
przestrzeni roboczych robotów i zaprojektować algorytmy
rozwiązywania zadania prostego i odwrotnego kinematyki
robotów
Metoda
sprawdzenia
efektu
kształcenia
Forma
Odniesienie
prowadzenia do efektów
zajęć
dla kierunku
studiów
EP
WT, WM
K_W14/3;
W1/2;W3/2
EP
WT, WM
K_W14/3;
W1/2;W3/2
EP
WT, WM
EP, SP,
C, L
K_W14/3;
W1/2;W3/2;
W15/2
K_U18/3;
U19/3;U07/2
Posiada umiejętności programowania robotów
przemysłowych
U3
Potrafi projektować układy sterowania pozycyjnych i
hybrydowych pozycyjno-siłowych robotów
K1
Potrafi współdziałać i pracować w grupie, przyjmując w
niej różne role związane z programowaniem robotów
K2
Potrafi zaprezentować i obronić zaproponowane
rozwiązanie
18. Formy zajęć dydaktycznych i ich wymiar (liczba godzin)
U2
W. : 30
Ćw. : 30
SP, CL
C, L
CL, PS
C, L
CL, PS
L
K_U18/3;
U19/3
K_U18/3;
U19/3
K_K03/3
OS
L
K_K05/2
L.:15
19. Treści kształcenia:
Wykład
Wprowadzenie do przedmiotu: podstawowe pojęcia, zasady zdania egzaminu, ilustracja działających robotów
przemysłowych, mobilnych i kroczących (z zastosowaniem filmów z internetu). Uzasadnienie konieczności
skupienia uwagi na opisie robotów przemysłowych w ramach przedmiotu. Charakterystyka programu wykładu,
charakterystyka podstawowych pojęć robotyki, ilustracja zbiorów opisujących stan robota i zależności między nimi.
Opis przestrzenny i przekształcenia. Postacie jednorodne: wektora związanego i swobodnego, układu
współrzędnych; przekształcenia podstawowe, przekształcenia złożone: względność przekształceń i przekształcenie
odwrotne, współrzędne kątowe, podprzestrzenie położeń i orientacji podstawowych układów współrzędnych.
Kinematyka manipulatorów. Schemat kinematyczny, zapis Hartenberga-Denavita, układy współrzędnych
manipulatora, graf przekształceń manipulatora i stanowiska, zadanie proste kinematyki manipulatorów.
Zadanie odwrotne kinematyki manipulatorów. Metody rozwiązań zadania odwrotnego kinematyki, równania
kluczowe manipulatora i ich interpretacja, powtarzalność i dokładność manipulatora, kalibracja parametrów
kinematyki manipulatora, czynniki przyśpieszające obliczenia komputerowe zadań odwrotnych kinematyki.
Prędkości i siły statyczne. Jakobiany i ich interpretacja, siły statyczne manipulatorów, przekształcenia prędkości i sił
statycznych manipulatorów, osobliwości manipulatorów i ich konsekwencje dla rozwiązań zadania odwrotnego
kinematyki, prędkości i sił statycznych manipulatorów.
Dynamika manipulatorów. Równania Newtona-Eulera, równania Lagrange’a dla manipulatorów, postać jawna
równań dynamiki, równanie dynamiki w przestrzeni stanu z jawnymi i niejawnymi siłami Coriolisa, modele tarcia
suchego i lepkiego, symulacja dynamiki manipulatorów-problem doboru kroku dyskretyzacji czasu, efektywność
obliczeniowa dynamiki.
Generacja trajektorii. Charakterystyka opisu i generacji trajektorii zadanej, interpolacja trajektorii zadanej w
przestrzeni wewnętrznej manipulatora, interpolacja trajektorii zadanej w przestrzeni zewnętrznej manipulatora,
algorytmy generacji trajektorii zadanej z zastosowaniem aproksymacji w przestrzeni wewnętrznej i zewnętrznej
manipulatora.
Charakterystyka manipulatorów. Charakterystyka chwytaków, liczba stopni swobody, dopuszczalny ciężar obiektu
manipulacji, mobilność, opis przestrzeni roboczych, wskaźniki charakterystyki kinematycznej i dynamicznej
manipulatorów.
Struktura układów sterowania manipulatorami. Układ sterowania w pojedynczym członem, współczynnik tłumienia,
częstotliwość drgań swobodnych i tłumionych, podstawowe wymagania dla układów sterowania manipulatorów,
struktura układów sterowania manipulatorów, warunki poprawnej szybkości obliczeń w układach sterowania.
Manipulatory z regulowaną siłą. Więzy naturalne i sztuczne zadań ograniczonych, uogólniona powierzchnia
więzów, układ współrzędnych więzów, manipulatory z bierną podatnością mechaniczną, manipulatory z
podatnością układową, układy sterowania hybrydowego pozycją/siłą.
Języki programowania robotów. Programowanie robota przez uczenie, języki bezpośredniego programowania,
języki programowania na poziomie zadań, wymagania stawiane językom programowania.
Systemy programowania autonomicznego off-line robotów. Charakterystyka systemu programowania
autonomicznego off-line.
Ćwiczenia tablicowe
Program ćwiczeń tablicowych jest ściśle związany z programem wykładów. Rozwiązywane są przykłady
ilustrujące wyłożoną na wykładzie teorię, a w szczególności następujące zagadnienia:
1. Postacie jednorodne wektorów swobodnych, zwiazanych, układów współrzędnych, i płaszczyzn.
2. Postacie jednorodne przekształceń podstawowych. Obliczanie parametrów przekształceń. Przekształcenia
złożone i ich interpretacja geometryczna. Względność przekształceń. Przekształcenia odwrotne.
3. Układy współrzednych kątowych ustalonych i bieżącących. Przekształcenia jednorodne opisane za pomocą
układów x-y-z oraz z-y-z współrzędnych bieżących. Przekształcenia jednorodne podstawowych układów
współrzędnych (kartezjańskich, cylindrycznych, sferycznych).
4. Podprzestrzenie kartezjańskie, cylindryczne i sferyczne położeń i orientacji. Obliczanie współrzędnych:
kartezjańskich, cylindrycznych, sferycznych kątowych bieżących z-y-z oraz x-y-z.
5. Kinematyka manipulatorów PPP, OPP.
6. Kinematyka manipulatorów OOP, OOO.
7. Zadanie odwrotne kinematyki manipulatora PPP, OPP.
8. Zadanie odwrotne kinematyki manipulatora OOP.
9. Prędkości zewnętrzne manipulatora OOO.
10. Prędkości współrzędnych naturalnych.
11. Siły statyczne manipulatora OOO.
12. Dynamika manipulatora OOO.
13. Algorytm iteracyjny wyznaczania sił i momentów reakcji członów.
14. Równania dynamiki manipulatorów w przestrzeni stanów.
15. Układy SISO sterowania manipulatora OOO.
16. Układy MIMO sterowania manipulatora OOO
Zajęcia laboratoryjne
1. Programowanie robota ADEPT Six 300. Zapoznanie się z językiem programowania V+, programowanie
prostych pojedynczych zadań typu przenieś, zorientuj itp.
2. Realizacja przykładowych zadań robota ADEPT Six 300. Programowanie zadania złożonego, zdefiniowanego
przez prowadzączego zajęcia.
3. Język programowania robotów edukacyjnych ROBIX (z manipulatorami o strukturze OOO1-OOO4).
Zapoznanie się z językiem programowania robotów, programowanie zadań typu kreśl linie proste, linie złożone
z odcinków prostoliniowych i figury.
4. Programowanie robota przemysłowego KUKA KRC3. Zapoznanie się z językiem programowania KRL,
programowanie prostych pojedynczych zadań typu przenieś, zorientuj itp.
5. Realizacja przykładowych zadań robota przemysłowego KUKA KRC3. Programowanie zadania złożonego,
zdefiniowanego przez prowadzączego zajęcia.
6. Język programowania robota edukacyjno-przemysłowego L-1. Zapoznanie się z językiem programowania,
programowanie prostych pojedynczych zadań typu przenieś, zorientuj itp.
20. Egzamin: tak; pisemny, dwuczęściowy.
21. Literatura podstawowa:
1. Szkodny T.: Podstawy robotyki. Skrypt Pol. Śl. nr 2468. Wyd. Pol. Śl. Gliwice 2011.
2. Zbiór zadań z podstaw robotyki. Skrypt Pol. Śl. nr.2419. Wyd. Pol. Śl. Gliwice 2008 (wydanie pierwsze)
3. Szkodny T.: Zbiór zadań z podstaw robotyki. Skrypt Pol. Śl. nr.2444. Wyd. Pol. Śl. Gliwice 2010 (wydanie
drugie).
4. Craig J.,J.: Wprowadzenie do robotyki. WNT Warszawa 1993.
5. Kozłowski K., Dutkiewicz P., Wróblewski W.: Modelowanie i sterowanie robotów. PWN, Warszawa 2003.
6. Yoshikawa T. Foundations of Robotics-Analysis and Control. MIT Press 1990.
7. Morecki A., Knapczyk J.: Podstawy Robotyki. WNT Warszawa 1993.
8. Jezierski E.: Dynamika robotów. WNT Warszawa 2006.
22. Literatura uzupełniająca:
Szkodny T.: Kinematyka robotów przemysłowych. Skrypt Pol. Śl. nr 2436. Wyd. Pol. Śl. Gliwice 2009.
Khalil W., Dombre E.: Modelling, Identification &Control of Robots. HPS. London 2002.
Niederliński A.: Roboty Przemysłowe. Wyd. Szk. i Pedag. Warszawa 1981.
Olszewski M., Barczyk J.: Manipulatory i Roboty Przemysłowe. WNT Warszawa 1985.
Szkodny T. Modelowanie i symulacja ruchu manipulatorów robotów przemysłowych. Wyd. Pol. Śl. Z. N. s.
Automatyka, nr. 140, Gliwice, 2004.
6. Kost G. Świder J.(red).: Programowanie robotów on-line. Wyd. Pol. Śl. ISBN: 9788373358003. Gliwice 2011.
23. Nakład pracy studenta potrzebny do osiągnięcia efektów kształcenia
1.
2.
3.
4.
5.
Lp.
Forma zajęć
1
Wykład
2
Ćwiczenia
30/30
3
Laboratorium
15/45
4
Projekt
0/0
5
Seminarium
0/0
6
Inne
15/35
Suma godzin
90/120
Liczba godzin
kontaktowych / pracy studenta
30/10
24. Suma wszystkich godzin: 210
25. Liczba punktów ECTS: 7
26. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach z bezpośrednim udziałem nauczyciela akademickiego: 3
27. Liczba punktów ECTS uzyskanych na zajęciach o charakterze praktycznym (laboratoria, projekty): 4
26. Uwagi:
Zatwierdzono:
…………………………….
…………………………………………………
(data i podpis prowadzącego)
(data i podpis dyrektora instytutu/kierownika katedry/
Dyrektora Kolegium Języków Obcych/kierownika lub
dyrektora jednostki międzywydziałowej)