Lo scopo dell’insegnamento è quello di fornire allo studente gli elementi fondamentali della meccanica dei robot con particolare riferimento ai sistemi articolati sommersi controllati da remoto ed operanti in ambiente marino. Per questo scopo, sarà dapprima fornita una ampia gamma di metodologie per la progettazione funzionale, l’analisi cinematica, statica e dinamica di sistemi articolati mobili marini e la loro attuazione con controllo remoto. La prima parte teorica sarà completata con l’analisi dinamica dei sistemi articolati oscillanti in ambiente marino. In secondo luogo, saranno introdotti elementi di progetto ed impiego di Underwater Vehicle-Manipulator System UVMS, e veicoli robotici sottomarini a guida remota ed autonoma (ROV e AUV), che includono classificazione, tipologie ed impieghi. Lo studente sarà quindi in grado di comprendere il comportamento statico e dinamico di UVMS, ROV e AUV, i principali sistemi di bordo di UVMS, ROV e AUV. Saranno inoltre forniti elementi su profilo di missione, criteri e metodi di progetto, manipolatori dedicati e sensoristica per veicoli sottomarini, nonché su guida, controllo e principi di navigazione autonoma, sistemi di supporto a bordo e a terra di UVMS, ROV e AUV. La parte dedicata alle esercitazioni è basata sulla realizzazione pratica un UVMS, ROV o AUV marino da impiegare in competizioni studentesche universitarie.
scheda docente materiale didattico
Corso di Laurea Magistrale LM-33 Ingegneria meccanica per le risorse marine
Robot industriali e di servizio
Caratteristiche dei robot industriali e loro classificazione; definizioni RIA e ISO. Esempi di robot industriali e di servizio delle principali aziende costruttrici: Unimation 1954, ASEA IRB 1975, IBM SCARA 1978, PUMA, Cincinnati Milacron T3 (1974), polso della General Motors, COMAU SMART NX2 e similari, KUKA KR 210 KR C2 ED05, FANUC Robotics F-200iB R-30iB, ABB 340 FlexPicker Delta a 4 gradi di libertà, Intuitive da Vinci Surgical System.
Robot sottomarini
Caratteristiche dei robot sottomarini e loro classificazione. Sistemi manned e unmanned: submarines, submersibles, atmospheric diving suits; applicazioni militari, di ricerca e turistiche dei sottomarini; record di profondità per categoria. Distinzione fondamentale tra ROV e AUV. Modalità operative: free swimming, bottom crawling, structurally reliant. Gliders e veicoli ibridi. Architettura generale di un ROV e di un AUV: attuatori, sensori e controllo. Esempi: batiscafo Trieste, Pisces V, Royal Navy ROV 1950, Hercules, Argus, Pluto Plus. Drifters lagrangiani: strumentazione di bordo, attuazione e controllo, principali applicazioni e problematiche. Sistemi di navigazione inerziale.
L'ambiente marino
Problematiche dell'ambiente marino. Caratteristiche della colonna d'acqua; acustica e sonar; proprietà ottiche. Proprietà della colonna: termoclino, metalimnion, picnoclino, aloclino, chemoclino, lutoclino, oceanic mixed layer. Altre proprietà e grandezze di interesse: temperatura, salinità, densità, conducibilità, mixed layer depth, ossigeno disciolto, percentuale di saturazione dell'ossigeno, apparent oxygen utilization, silicati, fosfati, nitrati. Leggi e principi di base: tensione superficiale, bagnabilità, pressione all'interno di una goccia, innalzamento di livello nei capillari, principio di Pascal, legge di Stevino, principio di Archimede. Correnti marine e maree. Animali, alghe e piante marine.
Progettazione e costruzione di un ROV
Attività correlate alla costruzione pratica di un ROV marino. Struttura del veicolo e telaio; uso di strumenti CAD e progettazione meccanica. Propulsione e galleggiamento; scelta dei materiali. Generalità sul sistema di controllo, software e hardware, schede di controllo e codici. Sistema di attuazione, motori e potenza. Generalità sui drifters e sui bracci che equipaggiano il ROV. Sicurezza, logistica e missione; principali applicazioni. Dimostratore tecnologico e gemello digitale; acquisizione dell'assetto per via sperimentale, architettura e catena di misura; esempio di impiego di una unità IMU.
Rotazioni e rappresentazione dell'assetto
Introduzione alle rotazioni in SO(3). Matrici di assetto elementari. Metodi di parametrizzazione delle matrici di assetto; parametrizzazioni di Eulero e di Cardano, con esempi ed esercizi. Relazione tra la velocità angolare di un corpo e la matrice di assetto.
Matrici di trasformazione in coordinate omogenee e parametri di Denavit-Hartenberg
Introduzione alle matrici di trasformazione in coordinate omogenee; proprietà delle matrici di spostamento in coordinate omogenee. Introduzione ai parametri di Denavit e Hartenberg per coppie rotoidali e prismatiche; calcolo della matrice di trasformazione in coordinate omogenee in funzione dei parametri di Denavit e Hartenberg; rappresentazione di un robot RRR.
Analisi cinematica del primo ordine e controllo
Architettura generale di un robot: controllo del singolo asse e controllo dell'intero robot. Problema cinematico inverso dei robot seriali con metodi numerici, Newton-Raphson, e con metodi analitici alla Pieper. Introduzione alla dualità cinetostatica; dualità cinetostatica in E(3) e in SE(3); matrice di cedevolezza. Calcolo dello Jacobiano geometrico nel caso generale e introduzione alla screw theory, twist e wrench, con le sue applicazioni in robotica. Calcolo dello Jacobiano nella parametrizzazione di Denavit e Hartenberg. Metodi di controllo per l'inseguimento delle traiettorie in E(3) e in SE(3).
Dinamica dei robot e dei sistemi multibody
Problema dinamico diretto e simulazione dinamica di sistemi multibody nello spazio. Introduzione alla dinamica del corpo rigido nello spazio mediante i parametri di Eulero. Formula generale per il procedimento di integrazione passo-passo delle equazioni della dinamica dei sistemi vincolati nello spazio. Metodi per la deduzione dell'equazione del moto basati sul principio dei lavori virtuali in dinamica e sui principi variazionali: equazioni di Lagrange; applicazione dell'equazione di Lagrange per la deduzione dell'equazione generale del moto del manipolatore in condizioni dinamiche. Problema dinamico inverso: equilibrio statico di un manipolatore mediante il metodo ricorsivo; dinamica dei robot seriali mediante metodi ricorsivi. Notazioni SNAME, robotica e multibody e loro differenze.
Strumenti software ed esercitazioni al calcolatore
Caratteristiche del software Wolfram Mathematica e sua applicazione in robotica, con vantaggi e svantaggi; toolbox di MatLab e toolbox di Peter Corke.
Esercitazione: matrici di assetto in Wolfram Mathematica.
Esercitazione: matrici di trasformazione in coordinate omogenee in Wolfram Mathematica.
Esercitazione: scrittura di un codice Mathematica per la rappresentazione di un robot RRR.
Esercitazione sull'acquisizione sperimentale dell'assetto mediante unità IMU.
Fondamenti di meccanica applicata alle macchine
Terza edizione | 2024 | Casa Editrice Ambrosiana. Distribuzione esclusiva Zanichelli
Dispense aggiuntive distribuite dal docente
Programma
Programma del corso di Meccanica dei robot sottomarini - 9 CFUCorso di Laurea Magistrale LM-33 Ingegneria meccanica per le risorse marine
Robot industriali e di servizio
Caratteristiche dei robot industriali e loro classificazione; definizioni RIA e ISO. Esempi di robot industriali e di servizio delle principali aziende costruttrici: Unimation 1954, ASEA IRB 1975, IBM SCARA 1978, PUMA, Cincinnati Milacron T3 (1974), polso della General Motors, COMAU SMART NX2 e similari, KUKA KR 210 KR C2 ED05, FANUC Robotics F-200iB R-30iB, ABB 340 FlexPicker Delta a 4 gradi di libertà, Intuitive da Vinci Surgical System.
Robot sottomarini
Caratteristiche dei robot sottomarini e loro classificazione. Sistemi manned e unmanned: submarines, submersibles, atmospheric diving suits; applicazioni militari, di ricerca e turistiche dei sottomarini; record di profondità per categoria. Distinzione fondamentale tra ROV e AUV. Modalità operative: free swimming, bottom crawling, structurally reliant. Gliders e veicoli ibridi. Architettura generale di un ROV e di un AUV: attuatori, sensori e controllo. Esempi: batiscafo Trieste, Pisces V, Royal Navy ROV 1950, Hercules, Argus, Pluto Plus. Drifters lagrangiani: strumentazione di bordo, attuazione e controllo, principali applicazioni e problematiche. Sistemi di navigazione inerziale.
L'ambiente marino
Problematiche dell'ambiente marino. Caratteristiche della colonna d'acqua; acustica e sonar; proprietà ottiche. Proprietà della colonna: termoclino, metalimnion, picnoclino, aloclino, chemoclino, lutoclino, oceanic mixed layer. Altre proprietà e grandezze di interesse: temperatura, salinità, densità, conducibilità, mixed layer depth, ossigeno disciolto, percentuale di saturazione dell'ossigeno, apparent oxygen utilization, silicati, fosfati, nitrati. Leggi e principi di base: tensione superficiale, bagnabilità, pressione all'interno di una goccia, innalzamento di livello nei capillari, principio di Pascal, legge di Stevino, principio di Archimede. Correnti marine e maree. Animali, alghe e piante marine.
Progettazione e costruzione di un ROV
Attività correlate alla costruzione pratica di un ROV marino. Struttura del veicolo e telaio; uso di strumenti CAD e progettazione meccanica. Propulsione e galleggiamento; scelta dei materiali. Generalità sul sistema di controllo, software e hardware, schede di controllo e codici. Sistema di attuazione, motori e potenza. Generalità sui drifters e sui bracci che equipaggiano il ROV. Sicurezza, logistica e missione; principali applicazioni. Dimostratore tecnologico e gemello digitale; acquisizione dell'assetto per via sperimentale, architettura e catena di misura; esempio di impiego di una unità IMU.
Rotazioni e rappresentazione dell'assetto
Introduzione alle rotazioni in SO(3). Matrici di assetto elementari. Metodi di parametrizzazione delle matrici di assetto; parametrizzazioni di Eulero e di Cardano, con esempi ed esercizi. Relazione tra la velocità angolare di un corpo e la matrice di assetto.
Matrici di trasformazione in coordinate omogenee e parametri di Denavit-Hartenberg
Introduzione alle matrici di trasformazione in coordinate omogenee; proprietà delle matrici di spostamento in coordinate omogenee. Introduzione ai parametri di Denavit e Hartenberg per coppie rotoidali e prismatiche; calcolo della matrice di trasformazione in coordinate omogenee in funzione dei parametri di Denavit e Hartenberg; rappresentazione di un robot RRR.
Analisi cinematica del primo ordine e controllo
Architettura generale di un robot: controllo del singolo asse e controllo dell'intero robot. Problema cinematico inverso dei robot seriali con metodi numerici, Newton-Raphson, e con metodi analitici alla Pieper. Introduzione alla dualità cinetostatica; dualità cinetostatica in E(3) e in SE(3); matrice di cedevolezza. Calcolo dello Jacobiano geometrico nel caso generale e introduzione alla screw theory, twist e wrench, con le sue applicazioni in robotica. Calcolo dello Jacobiano nella parametrizzazione di Denavit e Hartenberg. Metodi di controllo per l'inseguimento delle traiettorie in E(3) e in SE(3).
Dinamica dei robot e dei sistemi multibody
Problema dinamico diretto e simulazione dinamica di sistemi multibody nello spazio. Introduzione alla dinamica del corpo rigido nello spazio mediante i parametri di Eulero. Formula generale per il procedimento di integrazione passo-passo delle equazioni della dinamica dei sistemi vincolati nello spazio. Metodi per la deduzione dell'equazione del moto basati sul principio dei lavori virtuali in dinamica e sui principi variazionali: equazioni di Lagrange; applicazione dell'equazione di Lagrange per la deduzione dell'equazione generale del moto del manipolatore in condizioni dinamiche. Problema dinamico inverso: equilibrio statico di un manipolatore mediante il metodo ricorsivo; dinamica dei robot seriali mediante metodi ricorsivi. Notazioni SNAME, robotica e multibody e loro differenze.
Strumenti software ed esercitazioni al calcolatore
Caratteristiche del software Wolfram Mathematica e sua applicazione in robotica, con vantaggi e svantaggi; toolbox di MatLab e toolbox di Peter Corke.
Esercitazione: matrici di assetto in Wolfram Mathematica.
Esercitazione: matrici di trasformazione in coordinate omogenee in Wolfram Mathematica.
Esercitazione: scrittura di un codice Mathematica per la rappresentazione di un robot RRR.
Esercitazione sull'acquisizione sperimentale dell'assetto mediante unità IMU.
Testi Adottati
Nicola Pio Belfiore, Augusto Di Benedetto, Ettore PennestrìFondamenti di meccanica applicata alle macchine
Terza edizione | 2024 | Casa Editrice Ambrosiana. Distribuzione esclusiva Zanichelli
Dispense aggiuntive distribuite dal docente
Modalità Frequenza
La Frequenza al corso è Fortemente consigliataModalità Valutazione
Esame tradizionale con prova scritta e colloquio orale ed eventuale discussione su esercitazioni, PC LAB e progetti