354-0501/02 – Mechatronika (MECHT)

Garantující katedraKatedra robotikyKredity6
Garant předmětuprof. Dr. Ing. Vladimír MostýnGarant verze předmětuprof. Dr. Ing. Vladimír Mostýn
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník1Semestrletní
Odkaz na webJazyk výukyčeština
Rok zavedení2008/2009Rok zrušení
Určeno pro fakultyFSUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
MOS50 prof. Dr. Ing. Vladimír Mostýn
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 3+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 16+4

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Cílem předmětu je zvládnutí výpočetních postupů v oblasti kinematiky a dynamiky sériových kinematických struktur průmyslových robotů jako základních parametrů pro syntézu řídicího systému, založeného na principu tzv. momentového řízení pohonů (Computed Torque Control). V předmětu posluchači konstrukčního oboru získají potřebné znalosti pro mechatronický přístup k návrhu robotů a manipulátorů.

Vyučovací metody

Přednášky
Cvičení (v učebně)
Projekt

Anotace

V předmětu se posluchači seznámí s metodikou mechatronického přístupu ke konstrukci průmyslových robotů a manipulátorů. Hlavní pozornost je věnována kinematické a dynamické analýze mechanismů průmyslových robotů a manipulátorů a matematickému modelování jednotlivých subsystémů stroje – mechanického, pohonného a řídícího, jejich rozhodujícím parametrům a možnostem matematického propojení jednotlivých subsystémů a modelování stroje jako celku. Jednotlivé subsystémy jsou modelovány s využitím dostupného programového vybavení v oblasti CAD (Pro/Engineer), modelování a simulací (Adams, Matlab).

Povinná literatura:

Mostýn, V. - Skařupa, J. Teorie průmyslových robotů. 1. vydání, Košice: Edice vědecké a odborné literatury – Strojní fakulta TU v Košicích, 2001, 150 stran; ISBN 80-88922-35-6 http://robot.vsb.cz/files/resources/teorie-prumyslovych-robotu.pdf

Doporučená literatura:

Brát, V. Maticové metody v analýze a syntéze prostorových vázaných mechanických systémů. Praha:ACADEMIA, 1981 Frolov,K.V.- Voroběv,E.I. Mechanika promyšlennych robotov, Kinematika i dinamika. Moskva, 1988 Mostýn, V. Modelování a analýza konstrukcí robotů II. 1.vyd. Ostrava: skripta VŠB TUO, 2002. 111 stran; ISBN 80-248-0022-5

Způsob průběžné kontroly znalostí během semestru

Řešení kontrolních úloh, zpracování samostatného projektu.

E-learning

Další požadavky na studenta

Základní znalosti kinematiky a dynamiky soustav tuhých těles.

Minimální znalostní požadavky

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Týden Náplň přednášek a cvičení 1. Metodika mechatronického přístupu ke konstruování strojů, vazby mezi subsystémy - mechanickým, řídicím a pohonným. Průmyslové roboty a manipulátory jako představitelé mechatronických systémů. Cvičení: Představení možností simulace mechatronických systémů metodou kosimulace v systému MSC.Adams a Matlab/Simulink. 2. Mechanický subsystém průmyslových robotů, kinematika prostorových mechanismů robotů, použití maticových metod v kinematice průmyslových robotů, homogenní souřadnice, Denavit – Hartenbergův princip rozmístění a orientace lokálních souřadných systémů, sestavení transformačních matic polohy, řešení přímé úlohy kinematiky pro polohu koncového bodu. Cvičení: Rozmístění a orientace lokálních souřadných systémů, sestavení homogenních transformačních matic mechanismu manipulátoru se třemi stupni volnosti, příklady řešení přímé úlohy kinematiky (MathCad) 3. Rekurentní výpočet jednotkových vektorů na osách lokálních souř. systémů (Rodrigův vztah), diferenciální vyjádření transformačních rovnic, diferenciální operátory a jejich využití, řešení přímé úlohy kinematiky pro rychlost koncového bodu manipulátoru. Cvičení: Výpočet rychlosti koncového bodu manipulátoru se třemi stupni volnosti(MathCad). 4. Numerické aproximační metody řešení inversní úlohy kinematiky, Newtonova aproximační metoda, Jakobiho matice a její použití v kinematice průmyslových robotů. Využití Jakobiho matice pro řešení inverzní úlohy kinematiky, vlastnosti metody. Cvičení: Výpočet Jakobiho matice soustavy v dané poloze mechanismu, řešení inverzní úlohy pro polohu (MathCad). 5. Numerické aproximační metody řešení inversní úlohy kinematiky, použití Taylorova rozvoje transformační matice při řešení inverzní úlohy kinematiky, vlastnosti metody. Cvičení: Řešení inverzní úlohy kinematiky metodou Taylorova rozvoje transformační matice (Mathcad). 6. Numerické optimalizační metody řešení inverzní úlohy kinematiky, chyba polohování robotu jako objektivní funkce optimalizace, heuristické metody řešení inverzní úlohy - metoda cyklického decimování chyby polohování (CCD) Cvičení: Řešení inverzní kinematické úlohy mechanismu v prostředí Pro/Engineer Pro/Mechanica Motion 7. Numerické optimalizační metody řešení inverzní úlohy, metody založené na gradientu objektivní funkce, upravená Newtonova metoda, Hessova matice soustavy, metoda Broyden-Fletcher-Shano Cvičení: Řešení inverzní kinematické úlohy mechanismu v prostředí Pro/Engineer Pro/Mechanica Motion 8. Metody řešení inverzní úlohy kinematiky vázané na kinematickou strukturu mechanismu - vektorová metoda. Cvičení:Řešení inverzní úlohy kinematiky pro mechanismus manipulátoru se třemi stupni volnosti vektorovou metodou. 9. Plánování trajektorie pohybových jednotek, interpolace na úrovni kloubů polynomem 1. až 3. stupně, shoda s fyzikálním modelem, výpočet rychlostí a zrychlení článků a jejich těžišť rekurentními vztahy (Newton-Euler) Cvičení: Výpočet rychlostí a zrychlení težišť článků manipulátoru se třemi stupni volnosti. 10. Dynamika mechanismů průmyslových robotů, pojem zobecněná síla, matice momentů setrvačnosti článků v ortogonálních a homogenních souřadnicích. Newton - Eulerova metoda výpočtu reakcí a zobecněných sil. Cvičení: Výpočet reakcí a zobecněných sil článků manipulátoru se třemi stupni volnosti. 11. Sestavení Lagrangeovy pohybové rovnice v maticovém tvaru, výpočet kinetické a potenciální energie pohyblivých článků stroje v maticovém tvaru. Výpočet zobecněných sil. Přímá a inverzní úloha dynamiky. Cvičení: Výpočet kinetické a potenciální energie článků manipulátoru se třemi stupni volnosti, výpočet zobecněných sil na základě Lagrangeovy pohybové rovnice v maticovém tvaru (MathCad). 12. Výpočet zobecněných sil s použitím Lagrangeovy pohybové rovnice, alternativní metoda sestavení Lagrangeovy pohybové rovnice metodou symbolických úprav maticových vztahů. Cvičení:Výpočet zobecněných sil článků manipulátoru se třemi stupni volnosti metodou alternativního sestavení Lagrangeovy pohybové rovnice, vliv vnitřních rozvodů a převodů na zobecnené síly (Mathcad) 13. Polohové a rychlostní servosystémy robotů, algoritmus optimálního sledování trajektorie, syntéza momentového řízení (Computed Torque Control). Cvičení: Algoritmus momentového řízení manipulátoru se třemi stupni volnosti (Matlab). 14. Komplexní mechatronický model robotu, vliv parametrů jednotlivých subsystémů - mechanického, řídicího a pohonného na chování celého systému, možnosti simulace a dostupné simulační programy. Cvičení: Mechatronický model robotu (Matlab/Simulink, MSC.Adams) Seznam otázek 1. Kinematika prostorových mechanismů, přímá úloha kinematiky, transformace souřadnic, Denavit - Hartenbergův princip 2. Diferenciální vyjádření kinematických rovnic, aplikace diferenciálních operátorů 3. Inverzní úloha kinematiky na základě Taylorova rozvoje transformační matice 4. Jakobiho matice a její aplikace 5. Inverzní úloha kinematiky na základě Newtonovy aproximační metody 6. Optimalizační metody inverzní transformace, princip metody heuristické 7. Optimalizační metody inverzní transformace, princip metody gradientní 8. Plánování trajektorie pohybových jednotek, interpolace na úrovni kloubů 9. Newton-Eulerova metoda, výpočet úhlové a translační rychlosti lokálního souřadného systému 10. Newton-Eulerova metoda, výpočet úhlového a translačního zrychlení lokálního souřadného systému 11. Newton-Eulerova metoda, výpočet translační rychlosti a translačního zrychlení těžiště článků 12. Newton - Eulerova metoda výpočtu reakcí a zobecněných sil, rovnováha sil působících na článek 13. Výpočet kinetické energie článků 14. Výpočet potenciální energie článků 15. Aplikace Lagrangeovy pohybové rovnice, přímá a inverzní úloha dynamiky 16. Mechatronický přístup k navrhování robotických systémů

Podmínky absolvování předmětu

Kombinovaná forma (platnost od: 2011/2012 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 35  15
        Zkouška Zkouška 65  16
Rozsah povinné účasti:

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramOborSpec.FormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2017/2018 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2017/2018 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2016/2017 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2016/2017 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2015/2016 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2015/2016 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2014/2015 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2014/2015 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2013/2014 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2013/2014 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2012/2013 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2012/2013 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2011/2012 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2011/2012 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2010/2011 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2010/2011 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2009/2010 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2009/2010 (N2301) Strojní inženýrství (2301T013) Robotika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku