Meccanica dei Robot Sottomarini

Programma del corso di Meccanica dei robot sottomarini - 9 CFU
Corso di Laurea Magistrale LM-33 Ingegneria meccanica per le risorse marine

Robot industriali e di servizio

Caratteristiche dei robot industriali e loro classificazione; definizioni RIA e ISO. Esempi di robot industriali e di servizio delle principali aziende costruttrici: Unimation 1954, ASEA IRB 1975, IBM SCARA 1978, PUMA, Cincinnati Milacron T3 (1974), polso della General Motors, COMAU SMART NX2 e similari, KUKA KR 210 KR C2 ED05, FANUC Robotics F-200iB R-30iB, ABB 340 FlexPicker Delta a 4 gradi di libertà, Intuitive da Vinci Surgical System.

Robot sottomarini

Caratteristiche dei robot sottomarini e loro classificazione. Sistemi manned e unmanned: submarines, submersibles, atmospheric diving suits; applicazioni militari, di ricerca e turistiche dei sottomarini; record di profondità per categoria. Distinzione fondamentale tra ROV e AUV. Modalità operative: free swimming, bottom crawling, structurally reliant. Gliders e veicoli ibridi. Architettura generale di un ROV e di un AUV: attuatori, sensori e controllo. Esempi: batiscafo Trieste, Pisces V, Royal Navy ROV 1950, Hercules, Argus, Pluto Plus. Drifters lagrangiani: strumentazione di bordo, attuazione e controllo, principali applicazioni e problematiche. Sistemi di navigazione inerziale.

L'ambiente marino

Problematiche dell'ambiente marino. Caratteristiche della colonna d'acqua; acustica e sonar; proprietà ottiche. Proprietà della colonna: termoclino, metalimnion, picnoclino, aloclino, chemoclino, lutoclino, oceanic mixed layer. Altre proprietà e grandezze di interesse: temperatura, salinità, densità, conducibilità, mixed layer depth, ossigeno disciolto, percentuale di saturazione dell'ossigeno, apparent oxygen utilization, silicati, fosfati, nitrati. Leggi e principi di base: tensione superficiale, bagnabilità, pressione all'interno di una goccia, innalzamento di livello nei capillari, principio di Pascal, legge di Stevino, principio di Archimede. Correnti marine e maree. Animali, alghe e piante marine.

Progettazione e costruzione di un ROV

Attività correlate alla costruzione pratica di un ROV marino. Struttura del veicolo e telaio; uso di strumenti CAD e progettazione meccanica. Propulsione e galleggiamento; scelta dei materiali. Generalità sul sistema di controllo, software e hardware, schede di controllo e codici. Sistema di attuazione, motori e potenza. Generalità sui drifters e sui bracci che equipaggiano il ROV. Sicurezza, logistica e missione; principali applicazioni. Dimostratore tecnologico e gemello digitale; acquisizione dell'assetto per via sperimentale, architettura e catena di misura; esempio di impiego di una unità IMU.

Rotazioni e rappresentazione dell'assetto

Introduzione alle rotazioni in SO(3). Matrici di assetto elementari. Metodi di parametrizzazione delle matrici di assetto; parametrizzazioni di Eulero e di Cardano, con esempi ed esercizi. Relazione tra la velocità angolare di un corpo e la matrice di assetto.

Matrici di trasformazione in coordinate omogenee e parametri di Denavit-Hartenberg

Introduzione alle matrici di trasformazione in coordinate omogenee; proprietà delle matrici di spostamento in coordinate omogenee. Introduzione ai parametri di Denavit e Hartenberg per coppie rotoidali e prismatiche; calcolo della matrice di trasformazione in coordinate omogenee in funzione dei parametri di Denavit e Hartenberg; rappresentazione di un robot RRR.

Analisi cinematica del primo ordine e controllo

Architettura generale di un robot: controllo del singolo asse e controllo dell'intero robot. Problema cinematico inverso dei robot seriali con metodi numerici, Newton-Raphson, e con metodi analitici alla Pieper. Introduzione alla dualità cinetostatica; dualità cinetostatica in E(3) e in SE(3); matrice di cedevolezza. Calcolo dello Jacobiano geometrico nel caso generale e introduzione alla screw theory, twist e wrench, con le sue applicazioni in robotica. Calcolo dello Jacobiano nella parametrizzazione di Denavit e Hartenberg. Metodi di controllo per l'inseguimento delle traiettorie in E(3) e in SE(3).

Dinamica dei robot e dei sistemi multibody

Problema dinamico diretto e simulazione dinamica di sistemi multibody nello spazio. Introduzione alla dinamica del corpo rigido nello spazio mediante i parametri di Eulero. Formula generale per il procedimento di integrazione passo-passo delle equazioni della dinamica dei sistemi vincolati nello spazio. Metodi per la deduzione dell'equazione del moto basati sul principio dei lavori virtuali in dinamica e sui principi variazionali: equazioni di Lagrange; applicazione dell'equazione di Lagrange per la deduzione dell'equazione generale del moto del manipolatore in condizioni dinamiche. Problema dinamico inverso: equilibrio statico di un manipolatore mediante il metodo ricorsivo; dinamica dei robot seriali mediante metodi ricorsivi. Notazioni SNAME, robotica e multibody e loro differenze.

Strumenti software ed esercitazioni al calcolatore

Caratteristiche del software Wolfram Mathematica e sua applicazione in robotica, con vantaggi e svantaggi; toolbox di MatLab e toolbox di Peter Corke.
Esercitazione: matrici di assetto in Wolfram Mathematica.
Esercitazione: matrici di trasformazione in coordinate omogenee in Wolfram Mathematica.
Esercitazione: scrittura di un codice Mathematica per la rappresentazione di un robot RRR.
Esercitazione sull'acquisizione sperimentale dell'assetto mediante unità IMU.

Prerequisiti
Corso di Meccanica dei robot sottomarini - 9 CFU
Corso di Laurea Magistrale LM-33 Ingegneria meccanica per le risorse marine

Meccanica applicata alle macchine

Coppie cinematiche e gradi di libertà, catene cinematiche, analisi cinematica e dinamica dei meccanismi, attrito e rendimento, trasmissioni e riduttori.

Analisi matematica

Calcolo differenziale e integrale in una e più variabili, funzioni implicite, equazioni differenziali ordinarie e loro integrazione numerica.

Geometria, algebra lineare e calcolo matriciale

Calcolo vettoriale e matriciale, matrici ortogonali e rotazioni, autovalori e autovettori, sistemi lineari, rappresentazione di trasformazioni geometriche.

Meccanica razionale
Cinematica dei sistemi rigidi e moti relativi, geometria delle masse e tensore di inerzia, equazioni cardinali della dinamica, equazioni di Lagrange e principio dei lavori virtuali.

Fisica generale e meccanica dei fluidi

Meccanica del punto e del corpo rigido, statica dei fluidi e spinta idrostatica, resistenza al moto in un fluido, propagazione delle onde acustiche e ottiche, elementi di elettromagnetismo utili per attuatori e sensori.

Elementi di chimica e scienza dei materiali

Proprietà dei materiali metallici e polimerici, comportamento in acqua di mare, corrosione e protezione delle superfici, criteri di scelta dei materiali per ambienti aggressivi.

Disegno tecnico industriale e CAD
Rappresentazione di componenti e complessivi, tolleranze e accoppiamenti, modellazione tridimensionale di strutture e telai.

Elementi di programmazione e calcolo numerico

Capacità di scrivere e modificare programmi in un qualsiasi linguaggio (ad esempio MatLab, Python, C o Fortran): variabili, vettori e matrici, cicli e istruzioni condizionali, funzioni, lettura e scrittura di dati, tracciamento di diagrammi. Metodi numerici per la soluzione di sistemi di equazioni non lineari e per l'integrazione passo-passo; familiarità con un ambiente di manipolazione algebrica.

Elementi di elettronica, sensori e controllo

Nozioni di base su schede di controllo, acquisizione dati, sensori inerziali e attuatori elettrici, utili per l'architettura di bordo di un veicolo sottomarino.

Conoscenza della lingua inglese

Lettura della letteratura tecnica e scientifica e della documentazione dei codici di calcolo e dei toolbox impiegati nel corso.

Nicola Pio Belfiore, Augusto Di Benedetto, Ettore Pennestrì
Fondamenti di meccanica applicata alle macchine
Terza edizione | 2024 | Casa Editrice Ambrosiana. Distribuzione esclusiva Zanichelli

Dispense aggiuntive distribuite dal docente

Lezioni con videoproiezione, document camera e tradizionali alla lavagna con streaming e videoregistrazione aggiuntiva

La Frequenza al corso è Fortemente consigliata

Esame tradizionale con prova scritta e colloquio orale ed eventuale discussione su esercitazioni, PC LAB e progetti