Robòtica Avançada

• Professorat
• Hores setmanals
• Competències
• Objectius
• Continguts
• Activitats
• Metodologia docent
• Mètode d'avaluació
• Bibliografia
• Capacitats prèvies

Professorat

Responsable

• Anais Garrell Zulueta ( )

Altres

• Isiah Zaplana Agut ( )

Hores setmanals

Competències

Competències Transversals

Transversals

• CT1 - 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 - 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.
• CT3 - Comunicació eficaç oral i escrita. Comunicar-se de forma oral i escrita amb altres persones sobre els resultats de l'aprenentatge, de l'elaboració del pensament i de la presa de decisions; participar en debats sobre temes de la pròpia especialitat.
• CT5 - Ús solvent dels recursos d'informació. Gestionar l'adquisició, l'estructuració, l'anàlisi i la visualització de dades i informació en l'àmbit de l'especialitat i valorar de forma crítica els resultats d'aquesta gestió.
• 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.

Bàsiques

• CB3 - Que els estudiants tinguin la capacitat de reunir i interpretar dades rellevants (normalment dins la seva àrea d'estudi) per emetre judicis que incloguin una reflexió sobre temes rellevants d'índole social, científica o ètica.
• CB5 - Que els estudiants hagin desenvolupat aquelles habilitats d'aprenentatge necessàries per emprendre estudis posteriors amb un alt grau d'autonomia

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.
• CE26 - Dissenyar i aplicar tècniques de processat i anàlisi d'imatges i visió per computador en l'àmbit de la intel·ligència artificial i la robòtica
• 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. Aprendre a programar robots i a dissenyar aplicacions robòtiques.
   Competències relacionades: CE24, CE25, CE26, CG4, CG6, CG8, CG9, CT1, CT5, CB3, CB5, CE15, CE17,
2. 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, CT3, CT8,
3. Aprendre a coordinar accions entre robots.
   Competències relacionades: CG3, CG5, CG6, CT3, CT5, CE15, CE17,
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: CE24, CE25, CG3, CG5, CG6, CG8, CT2, CT5, CB3, CB5, CE17,
5. Aplicació de tècniques de Visió per Ordinador a Sistemes Robòtics
   Competències relacionades: CE24, CE25, CE26, CG4, CG5, CG6, CT5, CE15,
6. Aplicació de tècniques d'Intel·ligència Artificial a Sistemes Robòtics
   Competències relacionades: CE24, CE26, CE28, CG4, CG5, CG9, CT3, CT5, CE15, CE17,
7. Creació de sistemes d'interacció entre robots i humans
   Competències relacionades: CE24, CE25, CE26, CE28, CG3, CG4, CG5, CG6, CG7, CG8, CG9, CT1, CT3, CT5, CT8, CE15, CE17,

Continguts

1. Introducció
   Es repasaran els continguts que es van assolir a l'assignatura anterior Introducció a la robòtica.
2. Mètodes de Planificació Basats en Grafs
   Introducció del problema de planificació de rutes a través de malles on el robot només pot ocupar posicions discretes. Es poden modelar aquestes situacions com a grafs on els nodes corresponen a les posicions del graell i les arestes a les rutes entre cel·les del graell adjacents. Presentem diversos algoritmes que es poden utilitzar per planificar camins entre un node inicial i un node final, incloent la cerca en amplada o l'algorisme grassfire, l'algorisme de Dijkstra i el procediment A*
3. Espai de Configuracions
   Presentació del concepte d'espai de configuració, que és una eina matemàtica que utilitzem per pensar en el conjunt de posicions que el nostre robot pot assolir. Després s¿estuadarà la noció d'obstacles a l'espai de configuració. Aquesta formulació permet pensar en problemes de planificació de camins en termes de construcció de trajectòries per a un punt a través de l'espai de configuració. També es descriuran alguns enfocaments que es poden utilitzar per discretitzar l'espai de configuració continu en grafs perquè puguem aplicar eines basades en grafs per resoldre els nostres problemes de planificació de moviment.
4. Mètodes de Planificació Basats en Mostreig
   Es presentarà el concepte de tècniques de planificació de camins basades en mostreig. Això implica fer mostreig de punts de manera aleatòria a l'espai de configuració i, després, crear arestes sense col·lisió entre punts de mostreig veïns per formar un graf que capturi l'estructura de l'espai de configuració del robot. Es presentaran els mètodes de Probabilistic Road Maps i Randomly Exploring Rapid Trees (RRTs) i la seva aplicació a problemes de planificació de moviment.
5. Mètodes de Camps de Potencial Artificial
   Un nou enfocament per a la planificació de moviment consisteix en la construcció de camps de potencial artificial que estan dissenyats per atraure el robot a la configuració desitjada de la meta i allunyar-lo dels obstacles a l'espai de configuració. El moviment del robot es pot guiar considerant el gradient d'aquesta funció de potencial. S'il·lustraran aquestes tècniques en el context d'un espai de configuració bidimensional simple.
6. Planificació de moviments
   Obstacles a l'espai de configuració, grafs i arbres, i cerca de grafs A*.
   Planificació de moviments en una graella de l'espai de configuració discretitzat, planificadors basats en mostreig aleatori, camps potencials virtuals i optimització no lineal.
7. Control de robots
   Dinàmica d'error lineal de primer i segon ordre, estabilitat d'un sistema de control de retroalimentació, i control de moviment de robots quan la sortida del controlador comanda les velocitats articulars.
   Control de moviment de robots quan la sortida del controlador comanda les torsions articulars, control de força i control híbrid de moviment-força.
8. Robots mòbils amb rodes
   Models cinemàtics de robots mòbils amb rodes omnidireccionals i no holonòmics.
   Controlabilitat, planificació de moviments i control de retroalimentació de robots mòbils amb rodes no holonòmics; odometria per a robots mòbils amb rodes; i manipulació mòbil.
9. Dinàmica de cadenes obertes
   Formulació lagrangiana de la dinàmica, forces centrípetes i de Coriolis, matriu de massa del robot, dinàmica d'un cos rígid, i dinàmica inversa de Newton-Euler per a un robot de cadena oberta.
   Dinàmica directa d'una cadena oberta, dinàmica de l'espai de tasques, dinàmica restringida, i efectes pràctics a causa dels engranatges i la fricció.
10. Generació de trajectòries
    Trajectòries punt a punt en línia recta i trajectòries polinòmiques que passen per punts viatgers.
    Moviments òptims en el temps al llarg d'una trajectòria especificada sota les dinàmiques del robot i límits d'actuadors.
11. Control de manipuladors
    Estratègies de control de moviment local vs. centralitzat.
    Control independent de "joints".
    Acció anticipada de torque computada.
    Anàlisi de la estabilitat de Lyapunov dels controls MIMO.
    Linearització de retroalimentació.
    Control de l'espai operatiu.
    Estratègies de control de força indirecta vs. directa.
    Control d'impedància.
    Control de força directa.
    Controladors en cascada.

Activitats

Activitat Acte avaluatiu

Metodologia docent

Mètode d'avaluació

Bibliografia

Bàsica:

• Robotics, vision and control : fundamental algorithms in MATLAB - Corke, Peter I, Springer, 2017. ISBN: 9783319544120
  https://discovery.upc.edu/discovery/fulldisplay?docid=alma991004155909706711&context=L&vid=34CSUC_UPC:VU1&lang=ca
• Introduction to autonomous mobile robots - Siegwart, Roland; Nourbakhsh, Illah Reza; Scaramuzza, Davide, MIT Press, 2011. ISBN: 9780262015356
  
• Springer handbook of robotics - Siciliano, Bruno; Khatib, Oussama, Springer International Publishing, 2016. ISBN: 9783319325521
  
• Introduction to AI robotics - Murphy, R.R, The MIT Press, 2019. ISBN: 9780262348157
  

Capacitats prèvies