İTÜ LİSANSÜSTÜ DERS KATALOG FORMU (GRADUATE COURSE CATALOGUE FORM) Dersin Adı Deneysel Robot Modellemesi & Kontrolü Course Name Experimental Robot Modeling & Control Kodu (Code) MKM607E Bölüm / Program (Department/Program) Dersin Türü (Course Type) Dersin İçeriği (Course Description) 30-60 kelime arası Dersin Amacı (Course Objectives) Maddeler halinde 2-5 adet Dersin Öğrenme Çıktıları (Course Learning Outcomes) Maddeler halinde 4-9 adet Yarıyılı (Semester) Güz (Fall) Kredisi (Local Credits) AKTS Kredisi (ECTS Credits) Ders Türü (Course Type) 3 7.5 Doktora (Ph.D.) Mekatronik Mühendisliği ABD / Mekatronik Mühendisliği Doktora Programı (Mechatronics Engineering / Mekatronik Mühendisliği) Seçmeli (Elective) Dersin Dili (Course Language) İngilizce (English) İlk 4 hafta sınıfta yapılacak derslerde robot kontrolü için gerekli teorik bilgiler verilecektir. Dönemin geri kalan 13 haftasında ise öğrenciler ikişerli gruplara ayrılarak MEAM da dersin Öğretim Üyesinin gözetiminde ve yönlendirmeleriyle deneysel çalışmalar yürütecekler. Öğrenciler ders saatleri dışında, mesai saatleri içinde, MEAM daki çalışma programına uygun olarak deneysel çalışmalarına devam edebilecekler. In the first 4 weeks, students will be given in classroom necessary theoretical background for robot control. In the remaining 13 weeks, groups of 2 students will be working at MEAM in presence of the instructor. Students will be given the opportunity to work at MEAM outside class hours. Bu derste, öğrencilerin Mekatronik Eğitim ve Araştırma Merkezinde (MEAM) mevcut 6 eksenli Staubli R160 endüstriyel manipülatörler üzerinde deneysel modelleme ve kontrol çalışmaları yürüterek aşağıdaki konuları öğrenmesi amaçlanmaktadır: 1) Endüstriyel robot kollarının kinematik ve dinamik modellerinin elde edilmesi ve kodlanması, 2) Robotun istenen bir görevi yerine getirebilmesi için gerekli yörünge planlamasının yapılması ve kodlanması, 3) Planlanan yörüngelerin takibi için çeşitli hareket (ve gerekirse kuvvet) kontrolörlerinin tasarlanması ve kodlanması, 4) Yazılan modellerle birlikte tasarlanan yörünge ve kontrolörler kullanılarak robotların kinematik ve dinamik davranışlarının deneysel olarak gerçekleştirilmesi. Students enrolled in this course will have to do experimental work of modeling, identification and control of the 6-axis Staubli R160 industrial manipulator at the Mechatronics Education & Research Center (MEAM). The purpose is the application of inverse dynamics (computed torque) technique for the motion control of the manipulator. Students enrolled in this course will be able to: 1) Obtaining and programming of kinematic and dynamic models of industrial robot manipulators, 2) Make trajectory planning required for the robot to execute a given task, 3) Designing motion (and force) controllers for tracking control over given trajectories, 4) Experimentally control the robot. Öğrenciler dönem boyunca sırasıyla: i) Robotun ileri ve ters kinematik modellerini yazacak ve kodlayacak, ii) Robotun ters dinamik modelini Newton-Euler yaklaşımıyla yazacak ve kodlayacak, iii) Eksik parametreleri deneysel olarak hesaplayacak, iv) Yörünge planlamalarını yapacak ve kodlayacak, v) Yazıp kodladıkları modelleri ve yörünge referanslarını kullanarak robotun ters dinamik (hesaplanmış moment) yöntemiyle hareket kontrolünü gerçekleştirecektir. Students will: i) Write and code forward and inverse kinematics of the robot, ii) Write and code the inverse dynamics of the robot through Newton-Euler formalism, iii) Identify the unknown parameters, iv) Generate and code motion trajectories, v) Control the robot through the inverse dynamics (computed torque) approach by using the obtained models
Kaynaklar (References) Maddeler halinde en çok 5 adet Ödevler ve Projeler (Homework & Projects) Laboratuar Uygulamaları (Laboratory Work) Bilgisayar Kullanımı (Computer Use) Diğer Uygulamalar 1. Modeling, Identification & Control of Robots (2002). Khalil, Wisama and Dombre, Etienne; Kogan Page Science: London. ( ISBN: 190399666 ) 2. Staubli Technical Documentation. 3. Robot Modeling and Control (2006). Spong Mark W., Hutchinson Seth and Vidyasagar M.; John Wiley & Sons, Inc.: USA. ( ISBN-10: 0471649902, ISBN- 13: 9780471649908 ) 4. Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots (2008). Biagiotti, Luigi and Melchiorri Claudio; Springer: Berlin Heidelberg. ( ISBN: 9783540856283 ) 5. Springer Handbook of Robotics (2008). Siciliano, Bruno and Khatib, Oussama (Eds.); Springer-Verlag: Berlin Heidelberg. ( ISBN: 9783540239574 ) 1 DÖNEM PROJESİ 1 TERM PROJECT DERS KAPSAMINDA ÖĞRENCİLER MEAM DA DENEYSEL ROBOT KONTROLÜ YAPACAKLAR. STUDENTS WILL WORK ON EPERIMENTAL ROBOT CONTROL AT THE MECHATRONICS EDUCATION & RESEARCH CENTER. ÖĞRENCİLER DERS SÜRESİNCE BİLGİSAYAR KULLANMAK ZORUNDADIR. ROBOT MODELLEMESİ VE KONTROLÜ İÇİN C PROGRAMLAMA DİLİNDE PROGRAM YAZMALARI GEREKECEKTİR. STUDENTS HAVE TO USE COMPUTER TROUGHOUT THE COURSE. PROGRAMMING IN C IS REQUIRED FOR EPERIMENTAL ROBOT MODELING AND CONTROL. (Other Activities) Faaliyetler (Activities) Adedi* (Quantity) Değerlendirmedeki Katkısı, % (Effects on Grading, %) Yıl İçi Sınavları (Midterm Exams) 1 % 20 Kısa Sınavlar (Quizzes) Ödevler Başarı Değerlendirme Sistemi (Homework) Projeler (Projects) (Assessment Criteria) Dönem Ödevi/Projesi (Term Paper/Project) 1 % 40 Laboratuar Uygulaması (Laboratory Work) Diğer Uygulamalar (Other Activities) Final Sınavı (Final Exam) 1 % 40 *Yukarıda Belirtilen Sayılar Minimum Olup Yerine Getirilmesi Zorunludur.
DERS PLANI Hafta Konular Dersin Çıktıları 1 Geometrik ve Kinematik Modelleme : Homojen dönüşümler, Kuaterniyonlar, Jakobiyen matris, İleri ve ters modeller, Tekillik i,ii 2 Dinamik Modelleme : Analitik (Euler-Lagrange) ve Vektörel (Newton-Euler) yöntemler i,ii 3 Yörünge Planlama : Temel Hareket Profilleri, Çok noktalı yörüngeler i,ii 4 Bağımsız Eklem Kontrolü ve Ters dinamik (Hesaplanmış moment) kontrolü i,ii 5 Staubli R160 robotun geometrik ve ileri kinematik modellerinin yazılması i,ii 6 Staubli R160 robotun ters kinematik modelinin yazılması i,ii 7 Staubli R160 robotun dinamik modelinin yazılması i,ii 8 Staubli R160 robotun dinamik modelinin yazılması i,ii 9 Staubli R160 robotun bilinmeyen parametrelerinin hesaplanması iii 10 Staubli R160 robotun bilinmeyen parametrelerinin hesaplanması iii 11 Hareket kontrolü için gerekli yörüngelerin planlanması iv 12 Robotun bağımsız eklem kontrolü ile hareket kontrolünün yapılması v 13 Robotun ters dinamik model kullanılarak hareket kontrolünün yapılması v 14 Robotun ters dinamik model kullanılarak hareket kontrolünün yapılması v COURSE PLAN Weeks Topics Course Outcomes 1 Review of Geometric and Kinematic Modeling : Homogenous transformations, Quaternions, Jacobian matrix, Forward and inverse models, Singularities i,ii 2 Dynamic Modeling : Analytic (Lagrangian) and Vectorial (Newtonian) methods i,ii 3 Trajectory Generation : Basic motion profiles, Multipoint trajectories i,ii 4 Independent joint control and Inverse dynamics (Computed torque) control i,ii 5 Geometric and (forward) kinematics modeling of Staubli R160 robot i,ii 6 Inverse kinematics modeling of Staubli R160 robot i,ii 7 Dynamic modeling of Staubli R160 robot i,ii 8 Dynamic modeling of Staubli R160 robot i,ii 9 Experimental identification of unknown parameters iii 10 Experimental identification of unknown parameters iii 11 Trajectory generation for desired motions iv 12 Application of independent joint control v 13 Application of inverse dynamics control v 14 Application of inverse dynamics control v
1: Az, 2. Kısmi, 3. Tam Dersin MEKATRONİK Programıyla İlişkisi Programın mezuna kazandıracağı bilgi, beceri ve yetkinlikler (programa ait çıktılar) i. Yüksek lisans yeterliliklerine dayalı olarak, alanındaki güncel ve ileri düzeydeki bilgileri özgün düşünce ve/veya araştırma ile uzmanlık düzeyinde geliştirebilme, derinleştirebilme ve alanına yenilik getirecek özgün tanımlara ulaşabilme (bilgi). ii. Alanının ilişkili olduğu disiplinlerarası etkileşimi kavrayabilme; yeni ve karmaşık fikirleri analiz, sentez ve değerlendirmede uzmanlık gerektiren bilgileri kullanarak özgün sonuçlara ulaşabilme (bilgi). iii. iv. Alanındaki yeni bilgileri sistematik bir yaklaşımla değerlendirebilme ve kullanabilme (beceri). Alanına yenilik getiren, yeni bir düşünce, yöntem, tasarım ve/veya uygulama geliştirebilme ya da bilinen bir düşünce, yöntem, tasarım ve/veya uygulamayı farklı bir alana uygulayabilme, özgün bir konuyu araştırabilme, kavrayabilme tasarlayabilme, uyarlayabilme ve uygulayabilme (beceri). Katkı Seviyesi 1 2 3 v. Yeni ve karmaşık düşüncelerin eleştirel analizini, sentezini ve değerlendirmesini yapabilme (beceri). vi. Alanı ile ilgili çalışmalarda araştırma yöntemlerini kullanabilmede üst düzey beceriler kazanmış olma (beceri). vii. Alanına yenilik getiren, yeni bir düşünce, yöntem, tasarım ve/veya uygulama geliştiren ya da bilinen bir düşünce, yöntem, tasarım ve/veya uygulamayı farklı bir alana uygulayan özgün bir çalışmayı bağımsız olarak gerçekleştirerek alanındaki ilerlemeye katkıda bulunabilme (Bağımsız Çalışabilme ve Sorumluluk Alabilme Yetkinliği). viii. Alanı ile ilgili en az birer adet bilimsel makaleyi ulusal ve uluslararası hakemli dergilerde yayınlayarak veya özgün bir yapıt üreterek ya da yorumlayarak alanındaki bilginin sınırlarını genişletebilme (Bağımsız Çalışabilme ve Sorumluluk Alabilme Yetkinliği). Relationship between the Course and MECHATRONICS Engineering Curriculum 1: Little, 2. Partial, 3. Full Program Outcomes Level of Contribution 1 2 3 i. Developing and intensifying the current and high-level knowledge in the area with the use of original thinking and/or research processes and in a specialistic level, based upon the competency in M.S. level (knowledge). ii. Grasping the inter-disciplinary interaction related to one s area; reaching original results by using the specialistic knowledge in analyzing, synthesizing and evaluating new and complex ideas (knowledge). iii. The ability to evaluate and use new information in the area with a systematical approach (skill). iv. Developing a new idea, method, design and/or application which brings about innovation in the area; or, applying a conventional idea, method, design and/or application to a different environment; researching, grasping, designing and applying an original subject (skill). v. The ability to critically analyze, synthesize and evaluate the new and complex ideas (skill). vi. Acquiring the most developed skills about using the research methods in studies in the related area (skill). vii. Contributing to the progress in the area by independently carrying out a study which uses a new idea, method, design and/or application which brings about innovation in the area; or, applying a conventional idea, method, design and/or application to a different environment (Competence to work independently and take responsibility). viii. Expanding the limits of knowledge in the area by publishing at least one scientific article in an international peer reviewed journal and/or creating or interpreting an original work (Competence to work independently and take responsibility). Düzenleyen (Prepared by) Yrd. Doç. Dr. Zeki Yağız Bayraktaroğlu Tarih (Date) 19 / 12 / 2012 İmza (Signature)