Modelování a simulace II (FSI-RKD)

Akademický rok 2022/2023
Garant: doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Studenti se seznámí s moderními přístupy k řešení problémů kinematiky a dynamiky mechanismů. Předmět je orientován směrem k řízení reálných strojů a jejich simulačních modelů. Důraz je kladen na využití počítačů. Teoretické poznatky studenti aplikují při řešení konkrétního problému v rámci semestrálního projektu.
Výstupy studia a kompetence:
Studenti budou po absolvování předmětu schopni:
- sestavit a řešit přímý (analytický) a inverzní (analytický a numerický) kinematický model libovolného otevřeného kinematického řetězce
- posoudit vhodnost použití konkrétní metody v oblasti modelování kinematiky
- sestavit a řešit analytický dynamický model jednodušších mechanických soustav
- orientovat se v problematice numerického modelování komplexních mechatronických systémů
Prerekvizity:
Vektorová algebra. Maticová algebra. Základy kinematiky a dynamiky. Metoda uvolňování a Lagrangeovy rovnice. Programování v prostředí Matlab/Simulink.
Obsah předmětu (anotace):

Předmět se zabývá modelováním kinematiky a dynamiky řízených mechatronických systémů. Rozvíjí znalosti získané v předchozím studiu Mechaniky, především směrem k numerickému řešení problémů na počítači a simulačnímu modelování. Mechanismy jsou chápány jakou soustavy tuhých těles propojených vazbami.
Cvičení probíhají na počítači s využitím programu Matlab.
Přímý i inverzní kinematický model jsou řešeny analytickými i numerickými metodami. Numerickým metodám je věnován prostor také jako obecným nástrojům pro řešení nelineárních rovnic a optimalizačních úloh. Tvorba dynamického modelu je prováděna metodou uvolňování, pomocí Lagrangeových rovnic a automaticky (Matlab/Simulink Multibody). Uvedeny jsou způsoby a možnosti modelování elektrických, regulační a jiných submodelů v interakci s modelem mechanismu. 
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:

Hodnocení předmětu probíhá na základě standardní bodové škály 0-100b. Studenti mohou získat až 30b za zpracování a obhajobu semestrálního projektu a 70b za zápočtový test, který se skládá z písemného testu, úloh zpracovaných na PC a ústní rozpravy. Při hodnocení zpracovaných úloh a projektů se přihlíží ke splnění funkčních požadavků i k úrovni zpracování.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Účast na cvičení je povinná. Kontrola výuky se provádí na cvičení.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška

1. Úvod do problematiky kinematiky tuhých těles, přímý kinematický model
2. Způsoby reprezentace polohy a orientace tělesa v prostoru, transformace, inverzní kinematický model - analytické metody
3. Inverzní kinematický model - numerický přístup
4. Optimalizační metody - gradientní sestup
5. Quaterniony
6. Metody plánování trajektorie pro kinematické mechanismy
7. D-H parametry
8. Úvod do problematiky dynamiky tuhých těles, přímá a inverzní úloha
9. Modelování v prostředí Matlab/Simulink Multibody
10. Kinematika a dynamika kolových vozidel
11. Linearizace
12. Konzultace semestrálních projektů
13. Rezerva přednášejícího


 
    Cvičení s počítačovou podporou

1. Dopředná kinematika RR manipulátoru
2. Rotace a transformace
3. Inverzní kinematika (analytické a numerické metody)
4. Optimalizační úlohy
5. Řešení soustav nelineárních rovnic
6. Plánování trajektorie
7. Robotic toolbox
8. Lagrangeovy rovnice II. druhu
9. Základní úlohy kinematiky a dynamiky v Matlab/Simulink Multibody
10. Stavový model a diskretizace
11-12. Práce na semestráním projektu
13. Klasifikovaný zápočet
Literatura - základní:
1. Spong, M. W.; Hutchinson, S. & Vidyasagar, M. Robot Modeling and Control Wiley, 2005
2. Sciavicco, L.; Siciliano, B. & Sciavicco, B. Modelling and Control of Robot Manipulators Springer-Verlag New York, Inc., 2000
3. Murray, R. M.; Sastry, S. S. & Zexiang, L. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation CRC Press, Inc., 1994
4. Corke,P.I.: A Robotics Toolbox for Matlab, IEEE Robotics and Automation Magazine, pp.24–32, 1996
Literatura - doporučená:
1. Grepl, R. Kinematika a dynamika mechatronických systémů CERM, Akademické nakladatelství, 2007
2. Grepl, R. Modelování mechatronických systémů v Matlab/SimMechanics BEN - technická literatura, 2007
3. Valášek M. a kol.: Mechatronika, Vydavatelství ČVUT Praha, 1995
4. Kratochvíl, C., Slavík, J.: Mechanika těles-dynamika, PC-DIR, skriptum VUT Brno, 1997
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- kl 5 Povinný 1 1 Z
N-MET-P prezenční studium --- bez specializace -- kl 5 Povinný 2 1 Z