Skip to content

Introduction to Robotics and Mechatronics (URM)

Credits: 6 ( Lectures: 3, Practical lessons: 2)
Semester: ZS
Ending: zp; zk
Guarantor: Schlegel Miloš

Annotation

Course objectives:
The aim of the course is to acquaint students with basic knowledge of robotics and mechatronics, and provide a theoretical basis for the design of control systems in this area. 

Requirements on student
To obtain the credit an inspection test and elaboration of seminar work are required. 
For the final exam, the understanding and ability to apply the course topics are required. 


Content
Robotics part: 

1. Introduction to the robotics (basics and history of the robotics). Architectures and fundamental terminology of the robots (opened/closed kinematic chain, end effector, joints, joint space, operational space, degrees of freedom, redundancy, singularity, basic types of actuators). Requirements on robots (sort of workspace, accuracy, repeatability, velocity, acceleration and force dependencies) 
2. Coordinates systems, basic transformations of coordinates systems (elementary transformations - rotation, translation and their compositions). Transformation of vectors. 
3. Direct geometric model of serial and parallel robots (locations of the end effector as a function of the joint variables). Solvability and methods of solving. Inverse geometric model of serial and parallel robots (joint variables as a function of the locations of the end effector). Solvability and methods of solving. 
4. Direct kinematic model of serial and parallel robots (velocities of the end effector as a function of the joint velocities). Jacobian matrix. Inverse kinematic model of serial and parallel robots (joint velocities as a function of the velocities of the end effector). Jacobian matrix. Velocity and force dependencies. Velocity-force duality. Singular configurations, their analysis and effect on the control of the robots. 
5. Workspace of the robot, dynamic model of the robot (Euler-Lagrange and Newton-Euler formulations). 
6. Motion control and trajectory planning of the robot. Point to point movement of the end effector with respect to required shape of a trajectory. Velocity, acceleration, (eventually time-derivative of acceleration) constraints of the movement and methods of solving. 

Mechatronics part: 

7. Introduction to the robotics (basics and history of the robotics). 
8. Some concepts of structural dynamics (equation of motion of discrete systems, vibration modes, modal decomposition, continuous structures). 
9. Dynamics of electrical networks (capacitor, inductor, voltage and current sources, Kirchhoff's laws, Hamilton's principle and Lagrange's equation for electric networks, examples) 
10. Actuators, piezoelectric materials, and active structures (constitutive equations of piezoelectric systems, piezoelectric laminates, active and passive damping with piezoelectric transducers) 
11. Active vibration isolation (passive isolator, the "sky-hook" damper). 
12. State space approach to vibration control (pole placement method, LQG regulator, control of active cantilever beam). 
13. Discussion. 

Syllabus

Část robotika: 
1. Úvod do problematiky robotů (robotika jako vědní disciplína, její základy, historie do současnosti). Architektura a základní terminologie robotiky (pojem otevřený/uzavřený kinematický řetězec, koncový efektor, klouby, konfigurační a operační prostor, počet stupňů volnosti, redundance, singularity, základní typy aktuátorů). Požadavky na roboty (pracovní prostory, přesnost, opakovatelnost, požadavky na rychlosti, zrychlení a síly robotu). 
2. Souřadné systémy. Základní transformace mezi souřadnými systémy (elementární transformace - rotace, translace a jejich skládání). Transformace vektorů. 
3. Přímý geometrický model sériových a paralelních robotů (umístění koncového efektoru robotu jako funkce kloubových proměnných). Řešitelnost úlohy a metody řešení. Zpětný geometrický model sériových a paralelních robotů (poloha kloubových proměných robotu jako funkce umístění koncového efektoru). Řešitelnost úlohy a metody řešení. 
4. Přímý kinematický model sériových a paralelních robotů (rychlosti koncového efektoru robotu jako funkce rychlosti kloubových proměnných robotu). Jacobiho matice. Zpětný kinematický model sériových a paralelních robotů (rychlosti kloubových proměnných robotu jako funkce rychlosti koncového efektoru robotu). Jacobiho matice. Rychlostní a silové závislosti v robotu. Dualita rychlostí a sil. Singulární polohy, analýza a problémy při řízení robotů. 
5. Pracovní prostor robotu, dynamický model robotu (Euler-Lagrangeova a Newtonova-Eulerova metoda). 
6. Řízení pohybu robotu a plánování trajektorie. Pohyb robotu z bodu do bodu s ohledem na požadovaný tvar trajektorie. Omezení pohybu robotu na maximální rychlost, zrychlení, případně derivaci zrychlení, metody řešení. 


Část mechatronika: 

7. Úvod do mechatroniky (mechatronika jako vědní disciplína, její základy, historie do současnosti). 
8. Vybrané pojmy z kmitání pružných těles (pohybové rovnice diskrétních soustav, modální analýza, spojité soustavy). 
9. Dynamika elektrických obvodů (kondenzátor, induktor, napěťový a proudový zdroj, Kirchhofovy zákony, Hamiltonův princip a Lagrangeovy rovnice pro elektrické obvody). 
10. Piezoelektrické materiály a aktivní elektromechanické soustavy (matematický popis piezoelektrických soustav, piezoelektrické kompozity, aktivní a pasivní tlumení s piezoelektrickými prvky). 
11. Potlačení vynucených kmitů aktivním řízením (pasivní odstínění, "sky-hook" tlumič) 
12. Stavový přístup k aktivnímu tlumení vibrací (metoda přiřazení pólů, LQ regulátor, aktivní tlumení vibrací vetknutého nosníku). 
13. Diskuze. 



Requirements

Pro získání zápočtu se vyžaduje složení kontrolního testu a vypracování semestrální práce. 
Pro složení závěrečné zkoušky se vyžaduje porozumění a aktivní zvládnutí témat kurzu. 



Literature