Sistemas Robotizados

Grado en Ingeniería en Electrónica y Automática Industrial

Universidad de Alcalá

Curso Académico 2019/2020 Curso 4º – Cuatrimestre 1º

2

GUÍA DOCENTE Nombre de la asignatura: Sistemas Robotizados Código: 600023 Titulaciones en las que se imparte:

Grado en Ingeniería en Electrónica y Automática Industrial

Departamento y Área de Conocimiento: Electrónica / Tecnología Electrónica

Carácter: Obligatoria Créditos ECTS: 6 Curso y cuatrimestre: curso 4º / cuatrimestre 1º

Profesorado: Rafael Barea Navarro María Elena López Guillén

Horario de Tutoría: El horario de tutorías se indicará el primer día de clase

Idioma en el que se imparte: Español / English Friendly

1.a PRESENTACIÓN La asignatura Sistemas Robotizados, perteneciente a la materia obligatoria de Control y Potencia, analiza los sistemas robotizados en general y se dedica fundamentalmente al estudio de la morfología y sistemas de percepción de los brazos robots industriales, al diseño de sistemas de control cinemático y dinámico para los mismos y a la programación de este tipo de sistemas robóticos en aplicaciones de automatización industrial. Para el buen aprovechamiento de la asignatura, se parte del supuesto de que los alumnos tienen una formación previa suficiente en: sistemas de ecuaciones diferenciales lineales, sistemas de representación espacial, leyes fundamentales de la mecánica, circuitos electrónicos analógicos y digitales, sistemas mecánicos básicos, automática básica, modelado y simulación de sistemas, automatización, técnicas de control y conceptos básicos de electrónica de potencia. Como co-requisito aconsejable, cabe destacar el conocimiento de la herramienta matemática MATLAB.

3

1.b COURSE SUMMARY This course deals with robotic systems in general, but focuses on the study of the morphology and sensorial systems of industrial robotic arms, the design of kinematic and dynamic controllers, and the programming of this type of robotic systems in industrial automation applications. The main concepts covered are the following: introduction to robotics; morphology, configurations and sensors for robotic arms; spatial representation methods; kinematic modelling and control; dynamic modelling and control; robot programming and implementation aspects for industrial arms.

2. COMPETENCIAS Competencias genéricas y profesionales

Esta asignatura contribuye a adquirir las siguientes competencias genéricas definidas en el apartado 3 del Anexo de la Orden CIN/351/2009.

• TR2: Conocimiento de materias básicas y tecnologías, que le capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías, y le dote de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.

• TR3: Capacidad de resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Ingeniería Industrial.

• TR4: Conocimientos para la realización de mediciones, cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudios, informes, planificación de tareas y otros trabajos análogos.

• TR5: Capacidad para el manejo de especificaciones, reglamentos y normas de obligado cumplimiento.

• TR9: Capacidad de trabajar en un entorno multilingüe y multidisciplinar. Competencias de carácter profesional

Esta asignatura contribuye a adquirir las siguientes competencias de carácter profesional, definidas en el apartado 5 del Anexo de la Orden CIN/351/2009:

4

• CEI7: Conocimiento y capacidad para el modelado y simulación de sistemas.

• CEI8: Conocimientos de regulación automática y técnicas de control y su aplicación a la automatización industrial.

• CEI9: Conocimientos de principios y aplicaciones de los sistemas robotizados.

• CEI11: Capacidad para diseñar sistemas de control y automatización industrial.

Resultados de Aprendizaje

• RASR18: Reconocer los principios teóricos básicos de los sistemas robotizados (estructura, sistemas de percepción, control y programación).

• RASR19: Resolver problemas de control cinemático/dinámico y de automatización industrial sobre sistemas robotizados.

• RASR20: Diseñar un sistema de control mediante un brazo robot para una aplicación de automatización industrial a partir una especificación dada.

• RASR21: Manejar un entorno de simulación robótico profesional y programar aplicaciones de automatización industrial mediante brazos robots tanto en entornos de simulación como en entornos reales.

• RASR22: Redactar proyectos, memorias e informes técnicos en el ámbito de la ingeniería industrial para la instalación, montaje y explotación de procesos de automatización y control.

3. CONTENIDOS

Bloques de contenido (se pueden especificar los temas si se considera necesario)

Total de horas

Tema 1. Introducción a la robótica. Definición de robot. Clasificación. Contexto histórico: origen y desarrollo de la robótica. Aplicaciones de los robots industriales.

• 4 horas

5

Tema 2. Morfología de un robot manipulador. Componentes de un robot. Estructura mecánica. Transmisiones y reductores. Actuadores. Sensores. Elementos terminales.

• 4 horas

Tema 3. Métodos de representación espacial. Localización espacial. Representación de la posición y la orientación. Matrices de transformación homogénea. Cuaternios. Comparación de métodos. Introducción a la toolbox de robótica de Matlab.

• 4 horas

Tema 4. Modelado y control cinemático. Cinemática directa de un brazo robot: procedimiento de Denavit-Hartenberg. Cinemática inversa de un brazo robot: resolución por métodos geométricos, matrices de transformación y desacoplo cinemático. Modelo diferencial: Jacobiana analítica y Jacobiana geométrica. Control cinemático: tipos de trayectorias; generación, muestreo e interpolación de trayectorias. Ejercicios con Matlab.

• 12 horas

Tema 5. Modelado y control dinámico. Modelo dinámico de la estructura de un robot: formulaciones de Lagrange y de Newton-Euler. Modelo dinámico en variables de estado y en el espacio de la tarea. Modelo dinámico de los actuadores. Control dinámico monoarticular y multiarticular; control adaptativo. Ejercicios con Matlab

• 12 horas

Tema 6. Programación de robots. Métodos de programación de robots. Requerimientos. Programación de robots industriales. El lenguaje de programación RAPID. Desarrollo de aplicaciones utilizando el entorno RobotStudio de ABB.

• 14 horas

Tema 7. Criterios de implantación de un robot industrial. Diseño y control de una célula robotizada. Características a considerar en la selección de un robot. Seguridad. Mercado de robots.

• 2 horas

4. METODOLOGÍAS DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE.-ACTIVIDADES FORMATIVAS

4.1. Distribución de créditos (especificar en horas)

Número de horas presenciales: 58 horas (52 horas de clase presencial + 4 horas de evaluación + 2 horas de tutoría grupal)

Número de horas del trabajo propio del estudiante:

92 horas

Total horas 150 horas

6

4.2. Estrategias metodológicas, materiales y recursos didácticos

En el proceso de enseñanza-aprendizaje de la asignatura de Sistemas Robotizados se realizarán las siguientes actividades formativas presenciales:

• Clases teóricas impartidas en grupos grandes basadas en clases expositivas que permitan al docente introducir los conocimientos necesarios para el correcto desarrollo del proceso de aprendizaje. Estas clases presentarán contenidos imprescindibles objeto de un aprendizaje conceptual razonado que sirva posteriormente para desarrollar competencias más amplias.

• Clases prácticas impartidas en grupos pequeños para la resolución de ejercicios. El objetivo de estas clases será promover un aprendizaje significativo que permita al alumno profundizar en los conocimientos teóricos adquiridos, relacionarlos y aplicarlos de manera creativa a la resolución de situaciones que, a medida que avance el curso, irán pareciéndose paulatinamente a problemas de ingeniería reales.

• Clases prácticas de laboratorio impartidas en grupos pequeños basadas en la resolución de problemas prácticos tanto en simulación como con robots y entornos de desarrollo reales.

• Tutorías, tanto presenciales (individuales y grupales), como realizadas por otros medios como e-mail, chat, etc.

• Exámenes, incluyendo las distintas pruebas de evaluación presencial que se realizarán en la asignatura.

El proceso de enseñanza-aprendizaje se completa con las siguientes actividades no presenciales que constituyen el trabajo personal del alumno. Contempla todo el tiempo dedicado fuera de clase para el estudio y asimilación de la asignatura por parte de un alumno medio. Así pues, se contemplarán las horas necesarias para realizar, entre otros, los siguientes trabajos:

• Lecturas de libros de texto básicos y lecturas complementarias de artículos o textos para completar y estudiar los contenidos de la asignatura.

• Búsqueda de información necesaria para la asimilación de conceptos teóricos o la resolución de problemas y prácticas de laboratorio.

• Resolución de problemas y ejercicios prácticos fuera de la clase presencial.

7

• Preparación y resolución parcial de prácticas de laboratorio fuera de la clase presencial.

• Preparación de memorias de prácticas y exposición de trabajos.

• Preparación de exámenes parciales y/o finales de la asignatura.

A lo largo del curso al alumno se le irán proponiendo actividades y tareas tanto teóricas como prácticas. Se realizarán distintas prácticas coordinadamente con la impartición de los conceptos teóricos tanto de manera individual como en grupo de manera que el alumno pueda ir consolidando los conceptos adquiridos. Las prácticas se realizarán en grupos de dos alumnos lo que favorecerá el aprendizaje colaborativo y el reparto de tareas y roles entre ellos.

Para la realización de las prácticas, el alumno dispondrá en el laboratorio de un puesto con instrumental básico (osciloscopio, fuente de alimentación, generador de señal, polímetro y brazo robot), así como de un ordenador con el software necesario que incluye el paquete MATLAB/SIMULINK, la Toolbox Robotica de Peter Corke, el simulador RobotStudio de ABB y los drivers de manejo de un brazo robot real de ABB.

Durante todo el proceso de aprendizaje en la asignatura, el alumno deberá hacer uso de distintas fuentes y recursos bibliográficos, de manera que se familiarice con los entornos de documentación que en un futuro utilizará profesionalmente. Además, el profesorado proporcionará materiales propios elaborados específicamente para la asignatura de manera que el alumno puede cumplir con los objetivos de la asignatura, así como alcanzar las competencias previstas.

El alumno dispondrá a lo largo del cuatrimestre de al menos una tutoría grupal y de tutorías individuales a demanda (si son solicitadas por los propios alumnos). Ya sea de manera individual o en grupos reducidos, estas tutorías permitirán resolver las dudas y afianzar los conocimientos adquiridos. Además, ayudarán a realizar un adecuado seguimiento de los alumnos y a evaluar el buen funcionamiento de los mecanismos de enseñanza-aprendizaje.

Finalmente, todo el desarrollo de la asignatura se detallará pormenorizadamente en la página Web de la asignatura. En la página estarán disponibles todos los materiales elaborados para la asignatura, transparencias, enunciados y soluciones de ejercicios, enunciados de los problemas para las prácticas, cronogramas detallados para cada grupo y clase, notas de las pruebas intermedias y entregables, y toda aquella información que los docentes consideren oportuna para el correcto proceso de enseñanza-aprendizaje.

8

5. EVALUACIÓN: Procedimientos, criterios de evaluación y de calificación El proceso de evaluación tiene por objetivo la valoración del grado y profundidad de la adquisición por el alumno de las competencias planteadas en la asignatura. Preferentemente se ofrecerá a los alumnos un sistema de evaluación continua que tenga características de evaluación formativa, de manera que sirva de realimentación en el proceso de enseñanza-aprendizaje por parte del alumno. PROCEDIMIENTOS DE EVALUACIÓN El proceso de evaluación está fundamentado en la evaluación continua del estudiante. No obstante, los alumnos tendrán un plazo de quince días para solicitar por escrito al Director de la Escuela Politécnica Superior su intención de acogerse al modelo de evaluación final aduciendo las razones que estimen convenientes según lo indicado en la normativa reguladora de los procesos de evaluación de los aprendizajes (aprobada en Consejo de Gobierno de 24/Marzo/2011, art. 10 párrafo 2). La evaluación del proceso de aprendizaje de todos los alumnos que no cursen solicitud al respecto o vean denegada la misma se realizará, por defecto, de acuerdo al modelo de evaluación continua. A continuación se detallan los procedimientos de evaluación correspondientes a las convocatorias ordinaria y extraordinaria. Convocatoria ordinaria:

a) Modelo de evaluación continua. Los alumnos que opten por la evaluación continua deberán realizar las siguientes pruebas a lo largo del curso:

1. Una prueba de evaluación intermedia (PEI) que consistirá en varias cuestiones teórico/prácticas que abarquen los contenidos de los temas 1 al 4 (20% de la nota final del alumno).

2. Desarrollo de ejercicios (EJ) sobre cinemática/dinámica de brazos robots (temas 4 y 5) utilizando la toolbox de robótica de Matlab. El alumno deberá presentar una memoria justificativa con los desarrollos realizados y los resultados obtenidos (15% de la nota final del alumno).

3. Desarrollo de prácticas de laboratorio (LAB) sobre programación de robots (tema 6) utilizando lenguaje RAPID y el entorno de programación RobotStudio tanto en simulación como con un brazo robot real de ABB. La asistencia a las prácticas es obligatoria. (25% de la nota final del alumno)

9

4. Una prueba de evaluación global (PEG) con varias cuestiones teórico/prácticas que pueden abarcar el conjunto del temario cubierto por las clases de teoría, prácticas y laboratorio. (40% de la nota final del alumno)

Superación de la Evaluación Continua:

En consecuencia con los criterios de evaluación de la asignatura (sección 5.1), el alumno superará la Evaluación Continua al demostrar un nivel apropiado en la adquisición de las competencias teórico-prácticas y experimentales. Para ello, el alumno deberá cumplir las siguientes condiciones:

• Haber superado satisfactoriamente la evaluación de las

competencias relacionadas con las prácticas de laboratorio (LAB), dirigidas al diseño de aplicaciones de control de brazos industriales. Se entenderá que un alumno adquiere satisfactoriamente estas competencias, si asiste al laboratorio, completa todas las prácticas y su calificación en las pruebas relacionadas es igual o superior al 50% de la nota máxima obtenible.

• Haber realizado y entregado los ejercicios sobre cinemática/dinámica de robots (EJ).

• Haber realizado la prueba de evaluación intermedia (PEI) y la prueba de evaluación global (PEG).

• Haber superado satisfactoriamente la evaluación de las competencias relacionadas con las pruebas teóricas. Se entenderá que un alumno adquiere satisfactoriamente estas competencias si su calificación en el conjunto de pruebas relacionadas (PEI+PEG) es igual o superior al 50% de la nota máxima obtenible.

Calificación como No Presentado:

El alumno dentro del modelo de evaluación continua que no participe en el proceso de evaluación será calificado como “No presentado” en la convocatoria ordinaria. Se entenderá que el alumno no ha participado en el proceso de evaluación continua si no se presenta a la prueba de evaluación intermedia (PEI).

b) Modelo de evaluación final. Los alumnos que se acojan al modelo de

evaluación final (no continua) deberán ponerse en contacto con los profesores en el momento que ésta les sea concedida. Estos alumnos obtendrán su calificación de los siguientes apartados:

10

1. Desarrollo de las prácticas de laboratorio (LAB) sobre programación de robots. Deberán entregarse las prácticas y realizar una prueba para evaluar la adquisición de las competencias correspondientes (25% de la nota final del alumno).

2. Desarrollo de ejercicios (EJ) sobre cinemática/dinámica de brazos robots (temas 4 y 5) utilizando la toolbox de robótica de Matlab. El alumno deberá presentar una memoria justificativa con los desarrollos realizados y los resultados obtenidos (15% de la nota final del alumno).

3. Una prueba de evaluación final (PEF) que constará de las siguientes partes:

• Las mismas cuestiones que la prueba de evaluación global (PEG) para el modelo de evaluación continua, que pueden abarcar el conjunto del temario cubierto en las clases de teoría, ejercicios y laboratorio (40% de la nota del alumno).

• Uno o varios problemas adicionales cuya resolución integre de manera amplia los contenidos de todos los temas de las clases de teoría y ejercicios (20% de la nota del alumno).

Superación de la Evaluación Final (no continua):

Para considerar superada la asignatura según este modelo, será necesario:

• Haber realizado y entregado los ejercicios sobre cinemática/dinámica de robots (EJ).

• Haber superado satisfactoriamente la evaluación de las competencias relacionadas con las prácticas de laboratorio (LAB). Se entenderá que un alumno adquiere satisfactoriamente estas competencias, si completa todas las prácticas y su calificación en las pruebas relacionadas es igual o superior al 50% de la nota máxima obtenible.

• Haber superado satisfactoriamente la evaluación de las competencias relacionadas con las pruebas teóricas (PEF). Se entenderá que un alumno adquiere satisfactoriamente estas competencias si su calificación en estas pruebas (PEF) es igual o superior al 50% de la nota máxima obtenible.

11

Convocatoria extraordinaria: Para todos los alumnos, la convocatoria extraordinaria constará de:

1. Una prueba de evaluación final PEF consistente en cuestiones y/o problemas que abarcarán de manera amplia los contenidos de todos los temas de las clases de teoría y ejercicios (75% de la nota).

2. Una prueba de laboratorio LAB que evaluará la adquisición de las competencias relacionadas con las prácticas de laboratorio (25% de la nota).

Los alumnos que en la convocatoria ordinaria hayan superado la parte teórica o la práctica, podrán conservar la nota de la parte superada.

Para superar la asignatura será necesario superar por separado las pruebas de laboratorio y las teóricas, siguiendo el mismo criterio que en la convocatoria ordinaria. CRITERIOS DE EVALUACIÓN Los Criterios de Evaluación deben atender al grado de adquisición de las competencias por parte del estudiante. Para ello se definen los siguientes. • CE1: El alumno muestra capacidad para comprender los principios teóricos

básicos de los sistemas robotizados (estructura, sistemas de percepción, control y programación).

• CE2: El alumno demuestra capacidad para resolver problemas de sistemas

de control cinemático/dinámico y de automatización industrial con iniciativa, razonamiento crítico y haciendo uso de ideas creativas e innovadoras basadas en los contenidos teóricos impartidos en la asignatura.

• CE3: El alumno es capaz de diseñar un sistema de control mediante un brazo

robot para una aplicación de automatización industrial a partir una especificación dada, realizando los correspondientes cálculos, mediciones, planificación de tareas e interpretación de datos que fundamenten el diseño y haciendo uso de los recursos bibliográficos y herramientas informáticas necesarias.

• CE4: El alumno demuestra capacidad para el manejo de un entorno de

simulación robótico profesional y para la programación de aplicaciones de automatización industrial mediante brazos robots tanto en entornos de simulación como en entornos reales.

12

• CE5: El alumno es capaz de redactar proyectos, memorias e informes técnicos

en el ámbito de la ingeniería industrial para la instalación, montaje y explotación de procesos de automatización basados en sistemas robotizados.

De acuerdo a la normativa vigente y por considerarse la parte de laboratorio experimental esencial para la adquisición de las competencias objetivo de la asignatura Sistemas Robotizados, la realización y superación de las prácticas de laboratorio será considerada elemento imprescindible de la evaluación, tanto en la convocatoria ordinaria como en la extraordinaria. Por esta razón, las prácticas de laboratorio son comunes e imprescindibles en los dos tipos de evaluación: continua y no continua. INSTRUMENTOS DE CALIFICACIÓN Esta sección establece los instrumentos de evaluación que serán aplicados a cada uno de los Criterios de Evaluación.

1. Prueba de Evaluación Intermedia (PEI): Consistente en la resolución de varias cuestiones teórico/prácticas que abarquen los contenidos de los temas 1 al 4.

2. Desarrollo de ejercicios (EJ) sobre cinemática/dinámica de brazos robots (temas 4 y 5) utilizando la toolbox de robótica de Matlab. El alumno deberá presentar una memoria justificativa con los desarrollos realizados y los resultados obtenidos.

3. Desarrollo de prácticas de laboratorio (LAB) sobre programación de robots (tema 6) utilizando lenguaje RAPID y el entorno de programación RobotStudio tanto en simulación como con un brazo robot real de ABB. La asistencia a las prácticas es obligatoria.

4. Prueba de Evaluación Global o Final (PEG/PEF) con varias cuestiones teórico/prácticas que pueden abarcar el conjunto del temario cubierto por las clases de teoría, prácticas y laboratorio.

13

CRITERIOS DE CALIFICACIÓN Esta sección cuantifica los criterios de evaluación para la superación de la asignatura. a) Convocatoria Ordinaria, Evaluación Continua

Competencia Resultado Aprendizaje

Criterio de Evaluación

Instrumento de Evaluación

Peso en la calificación

CEI8-9,TR2 RASR18-19 CE1-CE2 PEI 20 % CEI7-9,TR3-4 RASR18-20 CE1-CE3, CE5 EJ 15 % CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR20-22 CE3-CE5 LAB 25 %

CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR18-22 CE1-CE5 PEG 40 %

b) Convocatoria Ordinaria, Evaluación Final

Competencia Resultado Aprendizaje

Criterio de Evaluación

Instrumento de Evaluación

Peso en la calificación

CEI7-9,TR3-4 RASR18-20 CE1-CE3, CE5 EJ 15 % CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR20-22 CE3-CE5 LAB 25 %

CEI7-9,CEI11, TR2-5, TR9 RASR18-22 CE1-CE5 PEF 60 %

c) Convocatoria Extraordinaria

Competencia Resultado Aprendizaje

Criterio de Evaluación

Instrumento de Evaluación

Peso en la calificación

CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR20-22 CE3-CE5 LAB 25 %

CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR18-22 CE1-CE5 PEF 75 %

14

6. BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía básica • Profesores de la asignatura. “Transparencias y Apuntes de clase”.

Se generará una documentación básica para el seguimiento de la asignatura por parte de los profesores implicados en su docencia consistente en una colección de transparencias sobre los distintos temas a abordar en la misma y apuntes sobre algunos temas que puedan resultar de interés. Esta información estará a disposición de los alumnos en la página web de la asignatura.

• Barrientos, Luis F. Peñín, C. Balaguer, R. Aracil. “Fundamentos de robótica”. McGraw Hill. Segunda edición 2007. ISBN: 978-84-481-5636-7 Este libro es quizá el libro de referencia más usado a nivel nacional en el ámbito de la Robótica Industrial. El libro abarca la totalidad de los temas incluidos en el programa propuesto en este proyecto docente para la asignatura de Sistemas Robotizados. La asignatura cubre prácticamente la totalidad del libro excepto el tema de fundamentos de teleoperación. Cada uno de los capítulos del libro contiene ejemplos teóricos muy interesantes, así como diversos ejercicios resueltos para entorno MATLAB.

• P. Corke. “Robotics,Vision and Control Fundamental algorithms in MATLAB”. Springer. Novena edición2011. ISBN: 978-3642201431 Este libro abarca la totalidad de los temas incluidos en el programa propuesto en este proyecto docente para la asignatura de Sistemas Robotizados, a excepción del último tema de programación de robots. El libro está dividido en 4 partes: I) Foundations, II) Mobile Robots, III) Arm-Type Robots and IV) Computer Vision. Las partes I y III son las que se corresponden con la asignatura. El libro presenta también la Toolbox de Robótica para MATLAB que se usa en la asignatura. El libro aborda cada capítulo comenzando por el desarrollo teórico de los conceptos a tratar para finalizar realizando un conjunto de ejercicios en MATLAB donde aplica dichos conceptos. Es por ello que se considera una buena referencia en inglés para realizar el seguimiento de la asignatura

15

• Página Web ABB (http://www.abb.es/) En esta referencia se encuentra la documentación necesaria para el correcto seguimiento del último tema de la asignatura que versa sobre la programación de robots. Los documentos a utilizar son tres: “RAPID Reference Manual”, donde se explican los fundamentos del lenguaje RAPID con gran cantidad de ejemplos prácticos. “Tutorials for RobotStudio” consisten en un conjunto de tutoriales con vídeos explicativos que explican la potencialidad del simulador RobotStudio. “ABB Robotics IRB xxxx user manual”, es el manual de usuario del robot real que se utilizará en las prácticas de laboratorio de la asignatura.

Bibliografía complementaria

• Ollero. “Robótica, manipuladores y robots móviles”.Marcombo.Primera edición 2007.

• John J. Craig. “Introduction to robotics, mechatronics and control”, Prentice-Hall, Third edition.2005.

• F. Torres, J. Pomares, P. Gil, S. Puente, R. Aracil. “Robots y sistemas sensoriales”. Prentice Hall. 2002.

• M.W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar. “Robot Modeling and Control”. Wiley. 2005.

• H. Choset, K.M. Lynch, S. Hutchinson, G.A. Kantor, W. Burgard, L.E. Kavraki, S. Thrun “Principles of Robot Motion: Theory, Algorithms, and Implementations (Intelligent Robotics and Autonomous Agents series)”. The MIT Press. 2005

ROBOTIC SYSTEMS

Degree in Electronic Engineering and Industrial Automation

University of Alcalá

Academic Year 2019/2020 4th Year – 1st Semester

TEACHING GUIDE Name of the course: ROBOTIC SYSTEMS Code: 600023 Degree: Graduate in Electronic Engineering and Industrial Automation

Department & Area of Knowledge: Electronics / Electronic Technology

Compulsory ECTS credits: 6 Year & semester: 4nd year / 1st semester

Teachers: Rafael Barea Navarro María Elena López Guillén

Office hours: View website Language Classes Offered: Spanish / English Friendly 1

1. INTRODUCTION This course deals with robotic systems in general, but focuses on the study of the morphology and sensorial systems of industrial robotic arms, the design of kinematic and dynamic controllers, and the programming of this type of robotic systems in industrial automation applications. The main concepts covered are the following: introduction to robotics; morphology, configurations and sensors for robotic arms; spatial representation methods; kinematic modelling and control; dynamic modelling and control; robot programming and implementation aspects for industrial robotic manipulators. For better understanding of the course, it will be necessary to have prior knowledge of linear differential equations, spatial representation systems, fundamental laws of mechanics, analog and digital electronic circuits, basic mechanical systems, basic automation, modelling and simulation of systems, control techniques and basic concepts of power electronics. As an advisable co-requisite, it is worth highlighting the knowledge of the MATLAB tool. .

2. COMPETENCES

Competences of generic and professional nature:

This course will enable the student to acquire the following skills, as defined in Section 3 of the Annex to the Order CIN/351/2009.

• TR2: Knowledge of basic topics and technologies that enable to learn new methods and technologies, as well as providing the student with high capacity to adapt to new situations.

• TR3: Capacity to solve problems showing initiative, take decisions, creativity, critical reasoning and knowledge communication, skills and capabilities in the field of Industrial Engineering.

• TR4: Knowledge applicable to make measurements, calculations, estimations, technical valuations, working plans and reports and other similar work.

• TR5: Knowledge for the realization of measurements, calculations, valuations, appraisals, surveys, studies, reports, task planning and other analogous works

• TR9: Capacity to work in a multilingual and multidisciplinary environment.

Profesional competences:

This course will also enable the student to acquire the professional skills, as defined in Section 5 of the Annex to the Order CIN/351/2009.

• CEI7: Knowledge and capacity for modeling and simulation of systems. • • CEI8: Knowledge of automatic regulation and control techniques and their

application to industrial automation. • • CEI9: Knowledge of the principles and applications of robotic systems. • • CEI11: Capacity to design control systems and industrial automation.

Learning results

• RASR18: Recognize the basic theoretical principles of robotic systems (structure, perception systems, control and programming).

• RASR19: Solve problems of kinematic / dynamic control and industrial automation on robotic systems.

• RASR20: Design a control system using a robot arm for an industrial automation application based on a given specification.

• RASR21: Manage a professional robotic simulation environment and program industrial automation applications using robot arms, both in simulation environments and in real environments.

• RASR22: Draft projects, reports and technical reports in the field of industrial engineering for the installation, assembly and operation of automation and control processes.

3. CONTENTS

Content units Total class hours

Chapter 1. Introduction to robotics. Definition of robot. Classification. Historical context: origin and development of robotics. Applications of industrial robots.

4 hours

Chapter 2. Morphology of a manipulator robot. Components of a robot. Mechanical structure Transmissions and reducers. Actuators Sensors Terminal elements.

4 hours

Chapter 3. Methods of spatial representation. Spatial location. Representation of position and orientation. Matrices of homogeneous transformation. Quaternions Comparison of methods. Introduction to the Matlab robotics toolbox.

4 hours

Chapter 4. Modelling and kinematic control. Direct kinematics of a robot arm: Denavit-Hartenberg procedure. Reverse kinematics of a robot arm: resolution by geometric methods, transformation matrices and kinematic decoupling. Differential model: Jacobian analytic and Jacobian geometric. Kinematic control: types of trajectories; generation, sampling and interpolation of trajectories. Exercises with Matlab.

12 hours

Chapter 5. Modelling and dynamic control. Dynamic model of the structure of a robot: Lagrange and Newton-Euler formulations. Dynamic model in variables of state and in the space of the task. Dynamic model of the actuators. Monoarticular and multiarticular dynamic control; adaptive control. Exercises with Matlab.

12 hours

Chapter 6. Robot programming. Robot programming methods. Requirements Programming of industrial robots. The RAPID programming language. Development of applications using ABB RobotStudio programming software.

14 hours

Chapter 7. Criteria for the implementation of an industrial robot. Design and control of a robotic cell. Characteristics to consider in the selection of a robot. Security. Robot market.

2 hours

4. METHODOLOGY OF TEACHING AND LEARNING. TRAINING ACTIVITIES

4.1. Credit distribution

Hours in a classroom setting: 58 hours (52 in-person classes + 4 evaluation + 2 group tutoring)

Time of student work on their own: 92 hours Total: 150 hours

4.2. Methodological strategies, teaching materials and resources In the teaching-learning process the following training activities will be held in person:

• Lectures (theory classes) given in large groups based on presentations that allow the teacher to introduce the skills necessary for the proper development of the learning process. These classes will present essential contents, subject of a reasoned conceptual learning, subsequently used to develop broader skills.

• Practical classes taught in small groups based mainly on solving exercises and problems. The aim of these classes is to promote meaningful learning that will allow students to deepen the knowledge acquired, relate and apply it creatively in order to solve situations, as the course progresses, that will gradually become more similar to real-world engineering problems.

• Lab classes taught exclusively in small groups and based on solving practical problems in simulation as well working with real industrial robots and using simulation and programming software.

• Tutorship sessions: individual or group sessions. • Student previous or subsequent work: essential part of the teaching-learning

process that will be guided and described in detail in the student's notebook quoted above.

• Exams, including the different face-to-face assessment tests that will be carried out in the subject.

The following additional resources may also be used:

• Individual and group works, which could pose, in addition to its realization, the relevant public presentation to the rest of the class to stimulate discussion.

• Attendance at conferences, meetings or discussions related scientific field. Throughout the learning process in the course, students will use different bibliographic and electronic resources, in order to become familiar with the environments of documentation they will use professionally in the future. In addition, teachers will provide own materials developed specifically for the course (theoretical papers, collections of exercises and problems, practice manuals, audiovisuals, etc.) so that students can meet the course objectives and achieve the competences described. Students will be provided throughout the semester with tutorship in group (if requested by the students themselves) or individual. Whether individually or in small

groups, this tutorship will resolve doubts and consolidate the knowledge acquired. Also it will help to make appropriate monitoring and assess the proper functioning of the mechanisms of teaching and learning. Finally, the whole development of the subject will be detailed on the website of the course (see table at the beginning of the document). All resources developed for the subject, such as slides, exercise statements and solutions, statements of problems for practices, detailed schedules for each group and class, mid-term exams marks and any other information that teachers consider appropriate for the proper teaching and learning process will be available on the website.

5. ASSESSMENT: Procedures, assessment and marking criteria Students are offered, and recommended to follow, a continuous assessment procedure that has characteristics of formative assessment, in order to serve as a valuable feedback in the teaching process.

5.1 ASSESSMENT PROCEDURES Students have two methods of assessment: continuous or final assessment. To optimize the teaching-learning process, teachers of the subject urge students to choose the continuous model but respecting the regulations of the University of Alcalá, an alternative final-exam assessment process is offered. Observing these rules, students will have a period of fifteen days from the start of the course to apply their intention to invoke the final assessment model providing relevant reasons. Written applications must be addressed to Polytechnic University School Director. The evaluation of the learning process for those students who do not request non-continuous assessment or whose application is refused will be done, by default, according to the model of continuous assessment, described in following paragraphs. Next, assesment procedures corresponding to the ordinary and extraordinary calls are detailed: 1. Ordinary exam: Evaluation in the ordinary exam should be based on continuous assessment criteria (Regulatory Standards of teaching and learning processes, NRPEA, Article 3), consistent with the acquisition of the competences specified in the subject. However, there may be:

a. Continuous Assessment b. Final Assessment

2. Extraordinary exams: There are two situations: a. Students who followed, during the course, a continuous assessment procedure will be able to keep the mark of the passed parts making a theoretical/practical exam for the parts they did not pass. b. The remaining students will comply with the final assessment considerations.

According to current regulations and because the experimental lab skills are considered essential for the acquisition of the objectives of the course, attendance at all laboratory sessions and overcoming the mandatory practices is considered an essential element of the assessment, in both continuous and final modalities (regulations governing the evaluation processes learning models approved by the Governing Council of 24 March 2011, Article 6, paragraph 4). For this reason, the laboratory exercises are common and essential in both types of evaluation: continuous and final. In the same way, for the case of continuous evaluation, attendance is required for at least a 90% of the rest of classes. 5.2 ASSESMENT CRITERIA The evaluation process aims at assessing the extent and depth of the student's acquisition of skills raised in the subject. Consequently, the evaluation criteria to be applied in the various tests that are part of the process, ensure that the student has the appropriate level in the following knowledge and skills:

• CE1: The student understands and knows the basic theoretical principles of robotic systems (structure, perception systems, control and programming).

• CE2: The student demonstrates ability to solve problems of kinematic/dynamic control systems and industrial automation with initiative, critical reasoning and making use of creative and innovative ideas based on the theoretical contents taught in the subject.

• CE3: The student is able to design a control system using an industrial robot manipulator for an industrial automation task, making use of the bibliographic resources and computer tools (simulation and programming software).

• CE4: The student demonstrates the ability to manage a professional robotic simulation software and to program industrial automation applications using robot manipulators, both in simulation and in real environments.

• CE5: The student is able to write projects, reports and technical reports in the field of industrial engineering for the installation, assembly and operation of automation processes based on robotic systems.

5.3 ASSESSMENT TOOLS

The following assessment tools will be used:

1. Mid-term exam (MT): This test consist of a number of questions (analysis and/or synthesis) on specific aspects of chapter 1-4.

2. Development of exercises (EX) on kinematics/dynamics of robot manipulators (chapter 4 and 5) using Matlab's robotics toolbox. The student must present a justifying report with the developments carried out and the results obtained.

3. LP: Lab projects covering robot manipulator programming using RAPID and ROBOTSTUDIO ABB software, both in simulation and real. Compulsory attendance.

4. FE: A final exam that consists of a number of questions (analysis and/or synthesis) on specific aspects of the whole course (theory and lab).

5.4 MARKING INSTRUMENTS

Ordinary exam - Continuous assessment

Competences Learning results

Assessment criteria

Assessment tool

Evaluation weights

CEI8-9,TR2 RASR18-19 CE1-CE2 MT 20%

CEI7-9,TR3-4 RASR18-20 CE1-CE3, CE5 EX 15%

CEI7-9, CEI11,

TR3-5,TR9 RASR20-22 CE3-CE5 LAB 25%

CEI7-9, CEI11,

TR3-5,TR9 RASR18-22 CE1-CE5 FE 40%

A student will successfully pass the course following the continuous assessment model if he or she shows that has acquired the theoretical and practical skills, which means:

• The student has done both mid-term exam (MT) and final exam (FE),

obtaining a mark equal or greater than 50% of the maximum possible total mark in the theory-tests carried out (MT+FE) (hence successfully passing the evaluation of the skills and competences related to theory tests).

• The student has attended (compulsory attendance) and performed all laboratory projects (LAB), and has successfully passed the evaluation of the lab skills and competences. A student is considered to have successfully reached these skills if he or she has attended and completed all the lab practices and has obtained a mark equal or greater than the 50% of the maximum possible total mark in the projects carried out.

• The student has made and performed the exercices related to robotic manipulators kinematics and dynamics (EX).

• The student must obtain a final global mark equal to or greater than 5 (out of 10) calculated as a weighted average with the percentages detailed above.

The student will be mark as NO PRESENTED if the mid-term exam is not done.

Ordinary exam - Final assessment

Competences Learning results

Assessment criteria

Assessment tool

Evaluation weights

CEI7-9,TR3-4 RASR18-20 CE1-CE3, CE5 EX 15%

CEI7-9, CEI11, TR3-5,TR9 RASR20-22 CE3-CE5 LAB 25%

CEI7-9,CEI11, TR2-5, TR9 RASR18-22 CE1-CE5 GFE (FE+test) 60%

In order to pass the course in final assessment (ordinary exam), similar criteria apply in this case:

• The student has done a final exam (GFE), which includes the FE made in continuous assessment and a test including several questions or test related to theoretical skills. A mark equal or greater than 50% of the maximum possible total mark is mandatory.

• The student has performed all laboratory projects (LAB), and has successfully passed the evaluation of the lab skills and competences, obtaining a mark equal or greater than the 50% of the maximum possible total mark.

• The student has made and performed the exercises related to robotic manipulators kinematics and dynamics (EX).

• The student must obtain a final global mark equal to or greater than 5 (out of 10) calculated as a weighted average with the percentages detailed above.

Extraordinary exams - Final assessment

Competences Learning results

Assessment criteria

Assessment tool

Evaluation weights

CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR20-22 CE3-CE5 LAB 25%

CEI7-9,CEI11, TR3-5,TR9 RASR18-22 CE1-CE5 FE 75%

As for the other two modalities, to successfully pass the course the student must show that he/she has successfully acquired theoretical and practical skills:

• The student has done a final exam (FE) which includes questions and problems test related to theoretical skills. obtaining a mark equal or greater than the 50% of the maximum possible total mark.

• A practical project (LAB) similar to those made in ordinary exam.

• The student must obtain a final global mark equal to or greater than 5 (out of 10) calculated as a weighted average with the percentages detailed above.

Students who has participated in ordinary exams may keep the passed parts marks and prepare only for the failed in the extraordinary exam.

6. BIBLIOGRAPHY Basic Bibliography

• Course notes specifically prepared by teachers which will be provided to students directly through the website of the course (including slides, notes, data sheets and collections of exercises).

• Barrientos, Luis F. Peñín, C. Balaguer, R. Aracil. “Fundamentos de robótica”.

McGraw Hill. Segunda edición 2007. ISBN: 978-84-481-5636-7

This book is the main reference for the subject. It covers nearly all the topics

• P. Corke. “Robotics,Vision and Control Fundamental algorithms in MATLAB”. Springer. Novena edición2011. ISBN: 978-3642201431

• ABB Website (http://www.abb.es/)

Complementary Bibliography

• Ollero. “Robótica, manipuladores y robots móviles”.Marcombo.Primera edición 2007. • John J. Craig. “Introduction to robotics, mechatronics and control”, Prentice-Hall,

Third edition.2005. • F. Torres, J. Pomares, P. Gil, S. Puente, R. Aracil. “Robots y sistemas sensoriales”.

Prentice Hall. 2002. • M.W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar. “Robot Modeling and Control”. Wiley.

2005. • H. Choset, K.M. Lynch, S. Hutchinson, G.A. Kantor, W. Burgard, L.E. Kavraki, S.

Thrun “Principles of Robot Motion: Theory, Algorithms, and Implementations (Intelligent Robotics and Autonomous Agents series)”. The MIT Press. 2005