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Il Corso di Robotica della Laurea in Ingegneria Robotica e dell'Automazione è costituito da due parti principali: Controllo dei Robot e Sistemi Robotici Distribuiti. La prima parte è tenuta dai Proff. Antonio Bicchi  e Giorgio Grioli, mentre la seconda parte è tenuta dalla Prof.sa  Lucia Pallottino.

Al corso collaborano inoltre i membri del Gruppo di Robotica del Centro E. Piaggio dell'Università di Pisa e del Laboratorio SoftBots dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT)

Per ricevere informazioni sul corso (spostamenti di lezioni o appelli e altro) gli studenti sono pregati di registrarsi nel gruppo Teams del corso per l'AA in corso (questo è quello per il 2023-24).
Il gruppo [email protected] non è più usato.

Modulo di Controllo dei Robot

Co-docenti 2023-2024: Antonio Bicchi, Giorgio Grioli
Supporto: Ing. Giorgio Simonini

Materiale Didattico

Appunti di Controllo dei Robot

Generazione e Generalizzazione di Traiettorie

Appendice: Note sulla Stabilità

P. Salaris: Approfondimento sulla ottimizzazione delle ricostruibilità di sistemi nonlineari

Programma

Modalità d'esame - Corso di Robotica

Prima dell'esame gli studenti devono iscriversi sul sito: http://servizi.ing.unipi.it e compilare i questionari proposti.

Nel corso dell’esame il candidato deve dimostrare conoscenza e capacità operative in tutte le parti in cui si articola il programma. Deve inoltre dimostrare di sapere implementare le tecniche studiate nel corso in contesti applicativi, realizzando dimostratori software e/o hardware di sistemi o sottosistemi robotici.

L'esame si svolge in tre fasi, di cui una opzionale:

1) Verifica delle conoscenze teoriche del programma relative al Controllo dei Robot, anche mediante elaborazione di esempi applicativi.
Vedi sotto per una descrizione più dettagliata di questa parte.

2) Verifica delle conoscenze teoriche del programma relative ai Sistemi Robotici Distribuiti, anche mediante elaborazione di esempi applicativi.

3) (Opzionale) Svolgimento di un approfondimento applicativo su temi concordati con i docenti del corso ed i collaboratori al corso.
La presentazione dei risultati avviene attraverso dimostrazione pratica e/o una presentazione pubblica con successiva discussione.

Il voto del corso è unico, e comunicato dai docenti solo al termine dell'ultima fase dell'esame.
Le prime due parti della verifica sono relative a impegni paragonabili tra di loro, e hanno uguale peso.
Le tre fasi possono essere svolte in ordine qualsiasi.

L'approfondimento applicativo consiste nell'implementazione operativa di una soluzione ad un problema di Robotica avanzata, in cui viene formulato un problema di rilevanza applicativa e/o teorica, che viene risolto con gli strumenti disponibili allo stato dell’arte, approfondendo eventuali metodi o tecnologie necessarie. L’elaborato finale deve mettere in luce il problema affrontato, i metodi considerati, i riferimenti nella letteratura scientifica e tecnica, e i contenuti originali che hanno portato alla soluzione realizzata.

Ad esempio, l'approfondimento può consistere nella realizzazione di esperimenti per verificare metodi innovativi di pianificazione e/o controllo di robot. Per realizzare le attività connesse il candidato potrà implementare i metodi in un pacchetto software o in un prototipo fisico. Nel secondo caso il candidato potrà frequentare i laboratori  sperimentali a disposizione dei docenti (nei limiti della disponibilità di questi).

L'illustrazione dei risultati sarà affidata ad una presentazione da proiettare in pubblico. La presentazione deve avere la durata complessiva di dieci minuti. La data dell'esame viene concordata direttamente coi docenti e pubblicata sui calendari didattici degli stessi, per consentire agli interessati di assistere.

Il materiale preparati (compresa la presentazione ed eventualmente i sorgenti del codice usato) deve essere messo a disposizione dei docenti almeno una settimana prima della data dell'appello orale, inviando una email contente il link ad un repository su cui visualizzare e/o scaricare il materiale (ad esempio, Dropbox, MIcrosoft 365 o Google Drive)

Scelta di argomenti dell'approfondimento opzionale

I temi dell'approfondimento applicativo sono tipicamente proposti dallo studente stesso. E' possibile ad esempio proporre l'implementazione in un codice SW di metodi proposti in letteratura, dimonstrandone l'applicazione e confrontando i risultati di metodi diversi.
Solo nel caso in cui il tema richieda una presenza in laboratorio, i candidati dovranno coordinarsi con i collaboratori del corso, da cui potranno ricevere suggerimenti sui temi da svolgere . Per facilitare la discussione dei temi opzionali siete pregati di compilare questo questionario. e prednere contatto con uno dei collaboratori al corso.
Alcuni progetti sono disponibili sulla Directory DRIVE  assieme al tutore di riferimento cui chiedere maggiori informazioni

Le parti sperimentali del lavoro di progetto o tesi potranno svolgersi in uno dei laboratori a disposzione del gruppo:
1) Laboratorio di Robotica I - Centro di Ricerca E. Piaggio, Largo Lazzarino 1, Pisa
2) Laboratorio di Robotica II - Centro di Ricerca E. Piaggio, Polo Tecnologico di Navacchio, Pisa
3) Advanced Manufacturing Lab, DII CrossLab, Polo Tecnologico di Navacchio, Pisa
3) Laboratorio Soft Robots for Human Cooperation and Rehabilitation, IIT, Genova
4) JOIINT Lab Intellimech-IIT, c/o Km Rosso, Stezzano, Bergamo

Collaboratori Senior del Gruppo di Robotica di Pisa

• Antonio Bicchi <[email protected]> Personal Web Page
  Keywords: Robotics; Haptic Interfaces; Learning, Modeling, and Control - Orario di Ricevimento
• Lucia Pallottino <[email protected]> Personal Web Page
  Keywords: Mobile robotics, Planning and control, Distributed algorithms - Orario di Ricevimento
• Matteo Bianchi <[email protected]>  Personal Web Page
  Keywords: Haptics and tactile sensing, Human-inspired robotic grasping and manipulation, Advanced human-robot interaction - Orario di Ricevimento
• Manuel Giuseppe Catalano <[email protected]> Personal Web Page
  Keywords: Robot Hands and Feet for humans, humanoids and collaborative robots; Robot Avatars operating in real environments; Mechatronic Design of Soft Robots Orario di Ricevimento
• Manolo Garabini <[email protected]>  Personal Web Page
  Keywords: Soft robotics;Optimal control of manipulation and legged locomotion;Iterative learning control - Ricevimento su appuntamento
• Giorgio Grioli <[email protected]> Personal Web Page 
  Keywords: Design, Indentification and Control of Soft Robots; Robot Hands and Grasping; Human-Robot Cooperation, Rehabilitation and Augmentation. Ricevimento su appuntamento
• Francesca Negrello <[email protected]> Personal Web Page
  Keywords: Compliant actuation and mechanism design, Humanoids; Industrial collaborative robots. Ricevimento: su appuntamento
• Paolo Salaris <[email protected]> Personal Web Page
  Keywords: Optimal design, control and path planning of robotic systems; Optimal estimation and identification; Cooperative robotics. Ricevimento: su appuntamento
• Franco Angelini <[email protected]>  Personal Web Page
  Keywords: Autonomous vehicles; Humanoids planning and control; Robotic software architectures. Ricevimento: su appuntamento
• Alessandro Settimi <[email protected]>  Personal Web Page
  Keywords: Autonomous vehicles; Humanoids planning and control; Robotic software architectures. Ricevimento: su appuntamento
• Alessandro Palleschi Robot optimization for manipulation and navigation <[email protected]>
• Federica Barontini Haptic interfaces for prosthetics and assistance<[email protected]>
• Gianluca Lentini Robot programming <[email protected]>

Argomenti delle verifiche per il Modulo di Controllo dei Robot

La verifica del modulo di Controllo dei Robot è parte integrante dell'esame di Robotica. Il modulo di controllo dei robot è costituito da tre parti principali 

    1) Controllo di sistemi robotici completamente attuati: Applicazione e simulazione di schemi di controllo a giunti indipendenti, a coppia calcolata, a backstepping, e controllo adattivo per sistemi articolati e veicoli, in probemi di controllo di posizione, traiettoria e traccia

    2) Analisi delle proprietà strutturali di sistemi non lineari e loro applicazioni: Analisi qualitativa e quantitativa delle proprietà di raggiungibilità, osservabilità, identificabilità di sistemi robotici. Si consiglia di usare esempi di dimensioni limitate, in cui si possano trovare risultati per via analitica o comunque interpretare i risulatti numerici in termi fisici. I problemi di identificabilità di parametri costanti ignoti si prestano generalmente bene a questo scopo e si può collegare ai problemi di eccitazione dei parametri nel controllo adattivo. Nei casi in cui le proprietà strutturali siano verificate, è utile studiare accessibilità e osservabilità anche in termini quantitativi oltre che qualitativi.

    3) Controllo di sistemi robotici generali: Funzioni di Lyapunov di controllo, linearizzazione in retroazione ingresso-stati e ingresso-uscita, controllo di sistemi anolonomi.

La dimostrazione delle conoscenze e capacità dello studente può avvenire attraverso parti dell'approfondimento applicativo opzionale (comune col modulo di Sistemi Robotici Distribuiti), oppure con un esame orale, oppure attraverso la presentazione di esercitazioni scritte curate dallo studente stesso, da solo o in collaborazione con un collega..

L'argomento delle esercitazioni scritte deve essere proposto dallo studente e approvato dal docente o dai collaboratori al corso. L'illustrazione dei risultati sarà affidata ad una presentazione da proiettare. Nella preparazione delle esercitazioni scritte si raccomanda di applicare i metodi di controllo visti a sistemi di un certo interesse applicativo e originalità,  il cui modello può essere anche preso dalla letteratura (che va sempre citata!).  I risultati devono essere discussi, ad esempio comparando le prestazioni di diversi approcci in diverse condizioni, illustrando la convergenze o meno dei parametri nei controlli adattivi e la capacità di ingressi diversi di eccitare la stima, la robustezza dei risultati alle variazioni dei parametri. Tipici temi sono il controllo cinematico e dinamico in cascata di sistemi completamente attuati, di tipo sia braccio articolato che veicolo su ruote, nel controllo di postura, di movimento e di traccia. Questo sarà fatto evidenziando i limiti dei diversi schemi di controllo e la loro robustezza alle incertezze del modello. Per i controlli adattivi, si deve studiare non solo il raggiungimento dell'obiettivo di inseguimento di postura, movimento o traccia, ma anche il comportamento delle stime dei parametri al variare delle condizioni di eccitazione.  Altro tema è lo studio delle proprietà di osservabilità, identificabilità e\o raggiungibilità di sistemi intrinsecamente non lineari, non limitandosi a verifiche binarie di rango delle relative distribuzioni, ma discutendo la anisotropia delle proprietà nello spazio di stato e dando interpretazioni fisiche dei risultati.  Infine, il candidato dimostrerà la padronanza delle tecniche di controllo basato su linearizzazione in retroazione su sistemi non completamente attuati, illustrando i risultati in confronto con e tecniche basate su linearizzazione approssimata.  

In ogni esercitazione, deve essere chiaro quanto del lavoro è preso da letteratura preesistente, e quanto sviluppato dallo studente.   

Il testo degli elaborati deve essere messo a disposizione dei docenti almeno una settimana prima della data dell'appello orale, inviando una email contennet il link ad un repository su  cui visualizzare e/o scaricare il materiale (ad esempio, Dropbox o Google Drive)