Politechnika
Warszawska

Katalog
ECTS

Nazwa przedmiotu:

Wstęp do robotyki

Koordynator przedmiotu:

Wojciech Szynkiewicz

Status przedmiotu:

Obowiązkowy

Poziom kształcenia:

Studia II stopnia

Program:

Automatyka i Robotyka

Grupa przedmiotów:

Przedmioty techniczne - podstawowe

Kod przedmiotu:

WR

Semestr nominalny:

1 / rok ak. 2019/2020

Liczba punktów ECTS:

5

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

Udział w wykładach: 15 x 2 godz. = 30 godz. Udział w laboratoriach: 15 x 2 godz. = 30 godz. Praca własna: 60 godz. Udział w konsultacjach: 5 godz. Łączny nakład pracy studenta: 125 godz., co odpowiada 5 ECTS

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

5

Język prowadzenia zajęć:

polski

Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:

2,5

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład30h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium30h
• Projekt0h
• Lekcje komputerowe0h

Wymagania wstępne:

Brak

Limit liczby studentów:

60

Cel przedmiotu:

Celem przedmiotu jest przegląd podstawowych zagadnień z pogranicza robotyki i sztucznej inteligencji. Omawiane są elementy składowe robotów - efektory, czujniki, układ lokomocji, układ sterowania komputerowego. Przedstawiane są zagadnienia kinematyki robotów mobilnych i manipulatorów. Rozważany jest - kluczowy dla praktycznych zastosowań robotów mobilnych - problem nawigacji, w tym zadania samo-lokalizacji robota, planowania ścieżek ruchu i tworzenia map otoczenia. Omawiane są czujniki wykorzystywane do zbierania informacji o otoczeniu. Prezentowana jest także problematyka uczenia się robotów jako przykład uczenia maszynowego oraz wprowadzenie do systemów wielorobotowych/wieloagentowych. Ćwiczenia laboratoryjne mają na celu zapoznanie z praktycznymi problemami konstruowania, planowania ruchu i sterowania robotów. Są one także przykładem tworzenia oprogramowania dla układów wbudowanych. Wykonywane ćwiczenia polegają na zaprojektowaniu i zbudowaniu z klocków robota, opracowaniu algorytmu sterowania oraz jego implementacji programowej w środowisku BrickOS będącym systemem operacyjnym dla mikrosterownika RCX.

Treści kształcenia:

Podstawowe pojęcia z dziedziny robotyki: krótka historia robotyki, działy robotyki, definicje robota i elementy składowe systemu robotycznego: efektory, czujniki, układ lokomocji, układ sterowania komputerowego. Rodzaje robotów i ich charakterystyka oraz zastosowania: roboty mobilne (pojazdy autonomiczne, maszyny kroczące), roboty humanoidalne, roboty manipulacyjne, roboty usługowe, roboty specjalne, itp. Budowa i programowanie robotów modułowych - zestawy Lego Mindstorms: budowa i funkcje mikrosterownika RCX, architektura i cechy systemu operacyjnego BrickOS. Specyfika tworzenia oprogramowania dla układów wbudowanych na przykładzie mikrosterownika RCX: programowanie robotów w środowisku BrickOS, kompilator skrośny język C - kod RCX, komunikacja sieciowa przez łącze podczerwone. Opis położenia i orientacji: podstawowe pojęcia matematyczne, wybrane reprezentacje położenia i orientacji, macierz przekształcenia jednorodnego. Wprowadzenie w podstawowe zagadnienia kinematyki: struktury kinematyczne manipulatorów robotów, kinematyka manipulatorów - proste i odwrotne zadanie kinematyki. Podstawowe rodzaje baz jezdnych (układów lokomocji) robotów mobilnych i ich charakterystyka. Roboty kołowe - rodzaje kół. Napędy kołowe: różnicowy, synchroniczny, wielokierunkowy, Ackermana. Maszyny kroczące. Wprowadzenie, rodzaje maszyn kroczących, wzorce biologiczne. Kinematyka robotów mobilnych: równania ruchu prostych robotów kołowych, pojęcia mobilności, sterowności i manewrowalności robotów kołowych, ograniczenia ruchu - więzy holonomiczne i nieholonomiczne, opis i klasyfikacja prostych robotów trójkołowych. Czujniki stosowane w robotach i przetwarzanie informacji z czujników: klasyfikacja czujników, typy czujników: odometryczne (enkodery optyczne, rezolwery), dotykowe, zbliżeniowe, odległości, kierunku, kamery wizyjne. Interpretacja i wykorzystanie danych z czujników pomiarowych. Zagadnienie autonomicznej nawigacji robota mobilnego: samo-lokalizacja, planowanie ścieżki, tworzenie mapy środowiska. Sformułowanie problemu i stosowane rozwiązania. Przegląd i porównanie metod i algorytmów sterowania robotów: sterowanie reaktywne, behawioralne, bazujące na modelu, metody hybrydowe. Uczenie się robotów/agentów: cele i rodzaje (sposoby) uczenia się, metody i algorytmy uczenia się. Systemy wielorobotowe/wieloagentowe: cele tworzenia, problemy i typowe zadania. Systemy wielorobotowe jako przykład systemu wieloagentowego. Podział systemów wielorobotowych ze względu na: strukturę organizacji, sposoby komunikacji oraz stopień współpracy.

Metody oceny:

egzamin, ocena prowadzacego laboratorium, udział w zawodach robotów, sprawozdanie z laboratorium.

Egzamin:

tak

Literatura:

1. Szynkiewicz W.: Rozszerzony konspekt wykładu: Wstęp do Robotyki. 2. Arkin R.: Behavior-Based Robotics (Intelligent Robotics and Autonomous Agents), MIT Press, 1998. 3. J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng: Navigating Mobile Robots: Sensors and Techniques A. K. Peters, Ltd., Wellesley, MA (1996). "Where am I? Sensors and Methods for Robot Positioning" - raport z materiałem zbliżonym do książki. 4. Craig J.: Wprowadzenie do robotyki, WNT, Warszawa 1995. 5. Dudek G., Jenkin M.: Computational Principles of Mobile Robotics , Cambridge University Press, 2000. 6. Kozłowski K., Dutkiewicz P., Wróblewski W.: Modelowanie i sterowanie robotów , PWN, Warszawa 2003. 7. Russell S., Norvig P.: Artificial Intelligence: A Modern Approach , Prentice Hall, 2nd edition, 2002. 8. Siegwart R., Nourbakhsh I. R. Introduction to Autonomous Mobile Robots, The MIT Press, 2004. 10. Spong M.W., Vidyasagar M., Dynamika i sterowanie robotów, WNT, Warszawa 1997. 11. Tchoń K., Mazur A., Dulęba I., Hossa R., Muszyński R.: Manipulatory i roboty mobilne, Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa 2000. 12. Zielińska T.: Maszyny kroczące, PWN, Warszawa 2003.

Witryna www przedmiotu:

Uwagi:

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Charakterystyka WR_W01

Znajomość podstawowych rodzajów robotów ich charakterystyk oraz zastosowań, w szczególności robotów mobilnych i ich mechanizmów lokomocji.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W02, K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG, III.P7S_WG.o

Charakterystyka WR_W02

Znajomość podstawowych elementów składowych robota: efektorów, receptorów i układu sterowania.
Weryfikacja: egzamin, ćwiczenie laboratoryjne
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W02, K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG, III.P7S_WG.o

Charakterystyka WR_W03

Znajomość podstawowych baz jezdnych kołowych robotów mobilnych oraz ich własności ruchowych, w tym więzów ruchu.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W04, K_W05, K_W06, K_W02
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG, III.P7S_WG.o

Charakterystyka WR_W04

Znajomość podstawowych zagadnień sterowania ruchem kołowych robotów mobilnych.
Weryfikacja: egzamin ćwiczenie laboratoryjne
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W02, K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG, III.P7S_WG.o

Charakterystyka WR_W05

Znajomość problematyki autonomicznej nawigacji robota mobilnego: lokalizacji, budowy mapy, planowania ścieżek ruchu, wykrywania i unikania kolizji.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W02, K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG, III.P7S_WG.o

Charakterystyka WR_W06

Znajomość systemów wielorobotowych oraz kryteriów ich klasyfikacji i przykładowych zastosowań.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W02, K_W04, K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_WG, III.P7S_WG.o

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka WR_U01

Umiejętność zdefiniowania więzów ruchu oraz rozwiązania prostego i odwrotnego zadania kinematyki dla prostych kołowych robotów mobilnych.
Weryfikacja: egzamin, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U11, K_U12, K_U14, K_U18, K_U01, K_U07, K_U08, K_U09
Powiązane charakterystyki obszarowe: III.P7S_UW.2.o, III.P7S_UW.3.o, III.P7S_UW.4.o, I.P7S_UW, III.P7S_UW.1.o, I.P7S_UK, I.P7S_UO

Charakterystyka WR_U02

Umiejętność dobrania właściwej metody rozwiązania zadania, które ma wykonać robot.
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U09, K_U11, K_U12, K_U14, K_U18, K_U01, K_U07, K_U08
Powiązane charakterystyki obszarowe: III.P7S_UW.2.o, III.P7S_UW.3.o, III.P7S_UW.4.o, I.P7S_UW, III.P7S_UW.1.o, I.P7S_UK, I.P7S_UO

Charakterystyka WR_U03

Umiejętność zaprojektowania i zbudowania z dostępnych elementów (klocków) prostego robota mobilnego.
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U18, K_U08, K_U09, K_U11, K_U12, K_U14, K_U01, K_U07
Powiązane charakterystyki obszarowe: III.P7S_UW.4.o, III.P7S_UW.2.o, III.P7S_UW.3.o, I.P7S_UW, III.P7S_UW.1.o, I.P7S_UK, I.P7S_UO

Charakterystyka WR_U04

Umiejętność dobrania właściwych czujników do realizacji zadania starowania robotem.
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U18, K_U01, K_U07, K_U08, K_U09, K_U11, K_U12, K_U14
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_UW, I.P7S_UK, I.P7S_UO, III.P7S_UW.1.o, III.P7S_UW.2.o, III.P7S_UW.3.o, III.P7S_UW.4.o

Charakterystyka WR_U05

Umiejętność opracowania algorytmu sterowania oraz napisania oprogramowania dla sterownika pokładowego robota.
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U18, K_U01, K_U07, K_U08, K_U09, K_U11, K_U12
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_UW, I.P7S_UO, III.P7S_UW.1.o, III.P7S_UW.2.o, III.P7S_UW.3.o, III.P7S_UW.4.o, I.P7S_UK

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Charakterystyka WR_K01

Umiejętność pracy w zespole
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_K01, K_K02
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P7S_KO, I.P7S_KK, I.P7S_KR