Introducció a la Robòtica

Crèdits
6
Tipus
Obligatòria
Requisits
Aquesta assignatura no té requisits , però té capacitats prèvies
Departament
ESAII
Atès que la robòtica es pot definir com la connexió intel·ligent entre la percepció i l'acció, la Intel·ligència Artificial ha de jugar un paper central en aquesta connexió. La robòtica desafia la IA en obligar-la a bregar amb objectes reals en el món real. Això inclou temes com ara el raonament sobre l'espai, la planificació de rutes, la gestió de la incertesa i l'acomodació entre objectes, entre d'altres.
En aquesta assignatura s'exposen els coneixements bàsics sobre els robots manipuladors i mòbils existents al mercat que permeten el seu funcionament, control i programació, amb especial èmfasi en els aspectes de percepció, planificació i actuació. Es donen a conèixer les principals àrees d'aplicació de la robòtica i les seves demandes, tant en l'àmbit industrial com de serveis.

Professorat

Responsable

  • Anais Garrell Zulueta ( anais.garrell@upc.edu)

Altres

  • Isiah Zaplana Agut (isiah.zaplana@upc.edu)

Hores setmanals

Teoria
2
Problemes
0
Laboratori
2
Aprenentatge dirigit
0
Aprenentatge autònom
6

Competències

Competències Transversals

Transversals

  • CT1 [Avaluable] - Emprenedoria i innovació. Conèixer i comprendre l'organització d'una empresa i les ciències que regeixen la seva activitat; tenir capacitat per entendre les normes laborals i les relacions entre la planificació, les estratègies industrials i comercials, la qualitat i el benefici.
  • CT2 [Avaluable] - Sostenibilitat i Compromís Social. Conèixer i comprendre la complexitat dels fenòmens econòmics i socials típics de la societat del benestar; tenir capacitat per relacionar el benestar amb la globalització i la sostenibilitat; obtenir habilitats per utilitzar de forma equilibrada i compatible la tècnica, la tecnologia, l'economia i la sostenibilitat.
  • CT8 [Avaluable] - Perspectiva de gènere. Conèixer i comprendre, des de l'àmbit de la titulació mateixa, les desigualtats per raó de sexe i gènere en la societat, i integrar les diverses necessitats i preferències per raó de sexe i gènere en el disseny de solucions i la resolució de problemes.

    • Competències Tècniques

    Específiques

  • CE15 - Adquirir, formalitzar i representar el coneixement humà en una forma computable per a la resolució de problemes mitjançant un sistema informàtic en qualsevol àmbit d'aplicació, particularment els relacionats amb aspectes de computació, percepció i actuació en ambients o entorns intel·ligents.
  • CE17 - Desenvolupar i avaluar sistemes interactius i de presentació d'informació complexa i la seva aplicació a la resolució de problemes de disseny d'interacció persona-ordinador i persona-robot.
  • CE24 - Concebir, dissenyar i construir sistemes robòtics intel·ligents amb aplicació en entorns de producció i serveis, capaços d'interactuar amb persones, col·laboratius i socials.
  • CE25 - Concebir, dissenyar i integrar robots mòbils amb capacitat de navegació autònoma, formació de flotes i interacció amb humans.
  • CE28 - Planificar, concebre, desplegar i dirigir projectes, serveis i sistemes en l'àmbit de la intel·ligència artificial, liderant la seva puesta en marxa i la seva millora contínua i valorant el seu impacte econòmic i social.

    • Competències Tècniques Generals

    Genèriques

  • CG3 - Definir, avaluar i seleccionar plataformes maquinari i programari per al desenvolupament i l'execució de sistemes, serveis i aplicacions informàtiques en l'àmbit de la intel·ligència artificial.
  • CG4 - Raonar, analitzant la realitat i dissenyant algoritmes i formulacions que la modelin. Identificar problemes i construir solucions algorísmiques o matemàtiques vàlides, eventualment noves, integrant el coneixement multidisciplinari necessari, valorant diferents alternatives amb esperit crític, justificant les decisions preses, interpretant i sintetitzant els resultats en el context de l'domini d'aplicació i establint generalitzacions metodològiques a partir de aplicacions concretes.
  • CG5 - Treballar en equips i projectes multidisciplinaris relacionats amb la intel·ligència artificial i la robòtica, interactuant fluidament amb enginyers/es i professionals d'altres disciplines.
  • CG6 - Identificar oportunitats per a aplicacions innovadores de la intel·ligència artificial i la robòtica en entorns tecnològics en contínua evolució.
  • CG7 - Interpretar i aplicar la legislació vigent, així com especificacions, reglaments i normes en l'àmbit de la intel·ligència artificial.
  • CG8 - Observar un exercici ètic de la professió en totes les seves facetes, aplicant criteris ètics en el disseny de sistemes, algoritmes, experiments, utilització de dades, d'acord amb els sistemes ètics recomanats pels organismes nacionals i internacionals, amb especial èmfasi en seguretat, robustesa , privacitat, transparència, traçabilitat, prevenció de biaixos (de raça, gènere, religió, territori, etc.) i respecte als drets humans.
  • CG9 - Afrontar nous reptes amb una visió àmplia de les possibilitats de la carrera professional en l'àmbit de la Intel·ligència Artificial. Desenvolupar l'activitat aplicant criteris de qualitat i millora contínua, i actuar amb rigor en el desenvolupament professional. Adaptar-se als canvis organitzatius o tecnològics. Treballar en situacions de carència d'informació i/o amb restriccions temporals i/o de recursos.

    • Objectius

    1. Conèixer els components d'un robot i què el diferencia d'altres màquines automàtiques.
      Competències relacionades: CG3, CG5, CT2,
    2. Conèixer els diferents tipus de robots presents en el mercat i les seves característiques. Entendre els seus manuals i especificacions, així com reglaments i normes segons la legislació vigent.
      Competències relacionades: CG3, CG5, CG7, CT2,
    3. Conèixer les diferents fonts d'informació sensorial i les seves característiques.
      Competències relacionades: CG3, CG5,
    4. Ser capaç de fusionar diferents fonts d'informació per obtenir, formalitzar i representar l'entorn físic d'una forma computable per a la resolució de problemes.
      Competències relacionades: CG4, CG5, CG6, CG8, CT2, CE15,
    5. Aprendre a coordinar accions entre robots.
      Competències relacionades: CE24, CE25, CG4, CG6, CG9, CT1, CE15,
    6. Ser capaç d'emetre judicis que incloguin una reflexió sobre temes rellevants d'índole social, científica o ètica, relacionats amb la robòtica actual i els seus potencials aplicacions.
      Competències relacionades: CE28, CG5, CG6, CG7, CG8, CT2, CT8,
    7. Aprendre a programar robots i a dissenyar aplicacions robòtiques.
      Competències relacionades: CE24, CE25, CG4, CG6, CG8, CG9, CT1, CT2, CE15, CE17,

    Continguts

    1. Introducció
      Història robòtica, tipus de robots i robo-ètica
    2. Percepció
      Incertesa, percepció sensors, posició soroll i distribució normal
    3. Localització I
      Prob. condicional i teorema de bayes, localització, filtre bayesià, filtre de kalman
    4. Localització II
      Exemple FIltre de Kalman, filtre de kalman extès, filtre de partícules
    5. Mapping
      Mapes, Slam, moviment, rodes
    6. CInemàtica directe, cinemàtica inversa
      Càlcul de la cinemàtica directa i indirecte, exemple de vehicles amb rodes
    7. Planificació
      Planificació, exploració, fronteres, replanificació, exploració vs. explotació
    8. Introducció als robots manipuladors.
      Definició d'un robot manipulador. Tipus and components. Posició i orientació d'un solido rígid. Representacions de les orientacions.
    9. Cinemàtica directa del robot manipulador.
      Sistemes de referència i sistemes de coordenades. Sistemes de coordenades articulars. Paràmetres DH i matrius de transformació homogènies. Cinemàtica directa.
    10. Cinemàtica diferencial del robot manipulador.
      Velocitat lineal i angular d'un sòlid rígid. Propagació de velocitats. Jacobià geomètric i analític d'un robot manipulador. Singularitats d'un robot.
    11. Cinemàtica inversa del robot manipulador I
      Cinemàtica inversa analítica de robots senzills. Teorema i mètode de Pieper per la cinemàtica inversa analítica de robots manipuladors amb canell esfèric.
    12. Cinemàtica inversa del robot manipulador II
      Mètodes numèrics basats en la matriu Jacobiana per la cinemàtica inversa d'un robot manipulador (pseudoinverse, transposada, etc.).

    Activitats

    Activitat Acte avaluatiu


    Introducció

    Història robòtica, tipus de robots i robo-ètica
    Objectius: 1 2
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    2h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    4h

    Robots mòbils

    Mecanismes de locomoció. Tipus de robot mòbils. Cinemàtica directa i inversa. Maniobrabilitat.
    Objectius: 2 7
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    4h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    8h

    Percepció de l'entorn

    Classificació dels sensors. Característiques. Sensors de profunditat. Sensors d'orientació.
    Objectius: 3 4
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    4h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    8h

    Navegació de robots mòbils

    Navegació reactiva. Evasió d'obstacles. Planificació basada en mapes.
    Objectius: 4 7
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    4h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    8h

    Localització del robot mòbil

    Sistemes de localització (GPS, US, IR, rutes fixes). Navegació basada en punts de referència
    Objectius: 4 7 5
    Continguts:
    Teoria
    2h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    4h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    8h

    Robots manipuladors

    Arquitectures i característiques
    Objectius: 2 3
    Continguts:
    Teoria
    2h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    2h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    4h

    Cinemàtica dels robots manipuladors

    Transformacions geomètriques. Cinemàtica directa i Inversa. Redundància. Singularitats. Generació de trajectòries
    Objectius: 2 7
    Continguts:
    Teoria
    2h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    2h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    4h

    Generació de trajectòries

    Camins i trajectòries. Trajectòries a l'espai d'articulacions. Trajectòries a l'espai cartesià.
    Objectius: 7 5
    Continguts:
    Teoria
    2h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    2h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    4h

    Programació i Control del robot

    Control a l'espai d'articulacions. Arquitectura de control d'un manipulador. Entorns i llenguatges de programació de robots
    Objectius: 4 7 5
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    6h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    12h

    Aplicacions de la robòtica

    Robòtica Industrial. Robòtica de serveis. Robòtica d'exploració. Robòtica mèdica i assistencial
    Objectius: 7 6
    Continguts:
    Teoria
    2h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    0h

    Resolució d'exercicis

    Resolució d'exercicis (entre 3 i 6) avaluables realitzats com a treball personal o en parella
    Objectius: 1 2 3 4 7 5 6
    Setmana: 1 (Fora d'horari lectiu)
    Teoria
    0h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    0h

    Metodologia docent

    La metodologia docent serà de forma general de caràcter deductiu. S'intentarà fugir del mètode expositiu/ Lliçó magistral. El plantejament serà sempre el mateix:
    • Proposar un problema
    • intentar resoldre'l
    • afegir les peces de teoria necessàries per poder solucionar el problema de manera adequada.

    No es farà distinció entre classes de teoria i problemes, ja que en les sessions d'aula s'intercala la presentació de conceptes i la resolució de problemes d'aplicació. Les classes de laboratori són el complement on els estudiants posen en pràctica els conceptes amb la utilització de simuladors i/o sistemes robòtics reals.

    A més de les activitats a l'aula i al laboratori, els estudiants han de resoldre i entregar al professorat per a la seva avaluació un conjunt d'exercicis, que permeten consolidar els coneixements adquirits, ser un mecanisme d'autoavaluació i de treball en equip.

    Mètode d'avaluació

    Hi haurà dues proves parcials P1 i P2 amb notes NP1 i NP2. No hi ha examen final.

    Hi haura un mínim d'un exercici avaluable plantejat a classe teòrica amb nota E.

    Hi haurà una pràctica final amb nota NPF.

    La nota final de l'assignatura es calcularà de la forma: NF=0'3·NP1+0,3·NP2+0'1·E+0,3·NPF

    L'assistència a les classes de laboratori és obligatòria, la no assistència justificada penalitzarà la nota final de l'assignatura.

    Només es poden presentar a la reavaluació aquelles persones que, havent-se presentat als examens parcials l'hagin suspès. La nota màxima que es pot obtenir a la reavaluació és un 7.

    Bibliografia

    Bàsic

    Capacitats prèvies

    Àrea de Matemàtiques

    * Conèixer i saber aplicar el concepte de derivada i derivada parcial.
    * Saber els mètodes elementals de representació gràfica de funcions (asímptotes, màxims, mínims, ...).
    * Conèixer les propietats elementals de les funcions trigonomètriques.
    * Conèixer els conceptes bàsics de manipulació i operació amb matrius.

    Àrea de Programació i Estructura de Dades

    * Saber especificar, dissenyar e implementar algoritmes senzills amb un llenguatge de programació imperatiu.
    * Saber construir programes correctes, eficients i estructurats.
    * Conèixer els conceptes de llenguatges interpretats i llenguatges compilats.
    * Conèixer els algoritmes de recerca en estructures de dades (taules, llistes, arbres, ...).

    Àrea de Arquitectura i Tecnologia de Computadors

    * Conèixer a nivell funcional les diferents portes lògiques.
    * Saber analitzar e implementar sistemes lògics combinacionals i seqüencials simples.
    * Conèixer la estructura bàsica d'un computador.
    * Conèixer el subsistema de entrada/sortida i interrupcions del computador.
    * Conèixer que és un sistema operatiu i les seves funcions.
    * Conèixer el concepte de procés, concurrència, i comunicació i sincronització entre processos.