1、PAGE PAGE - 7 -本科生課程大綱課程名稱機器人技術(shù)基礎(chǔ)Fundamentals of Robotics Technology課程代碼082303201255課程屬性專業(yè)知識課時/學分40/2課程性質(zhì)選修實踐學時16責任教師 課外學時0課程屬性：公共基礎(chǔ)/通識教育/學科基礎(chǔ)/專業(yè)知識/工作技能，課程性質(zhì)：必修、選修課程介紹1.課程描述： 現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，為科學研究和探索工作開辟了新的可能性，機器人技術(shù)的進步和應用是本世紀自動控制最有說服力的成就，是當代最高意義上的自動化。本課程將深入淺出地闡述機器人的工作過程和各組成部分的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、基本理論知識和設(shè)計方法。課程總體分為四

2、大部分：一是基礎(chǔ)知識部分，注重介紹機器人各組成部分的關(guān)鍵技術(shù)和近年來國內(nèi)外研究的最新成果和最新研究方向，發(fā)展歷程和目前國內(nèi)外機器人在各領(lǐng)域內(nèi)的應用現(xiàn)狀，開闊學生的視野，培養(yǎng)學生在機器人研究領(lǐng)域的濃厚興趣。二是基礎(chǔ)理論部分，以機器人運動學、動力學和軌跡規(guī)劃為主要課程內(nèi)容，學習機器人的基本運動分析方法和控制手段。三是實際案例部分，通過介紹和分析幾種機器人設(shè)計與開發(fā)的實例，使學生系統(tǒng)了解機器人各組成部分的實際構(gòu)成、動作原理和設(shè)計方法。四是綜合實驗部分，通過六足仿生機器人實物開展機器人實驗環(huán)節(jié)，提高學生對仿生機器人的理解，提高自我學習能力、使用能力和動手實踐能力。課程主要內(nèi)容包括：機器人導論；機器人的

3、機構(gòu)與傳動；機器人運動學；機器人靜力分析；機器人動力學；機器人感知系統(tǒng)；機器人控制基礎(chǔ)；機器人軌跡規(guī)劃；仿生機器人設(shè)計實例；機器人綜合實驗等內(nèi)容。2.設(shè)計思路：正如中國工程院院長宋健院士在國際自動控制聯(lián)合大會上的發(fā)言，機器人技術(shù)是現(xiàn)代科學技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機械、控制、電子、傳感器、計算機、人工智能、知識庫系統(tǒng)及認知科學等眾多學科領(lǐng)域。了解和學習機器人技術(shù)的一般原理，掌握基本的機器人工程實踐方法以及機器人基礎(chǔ)理論和技術(shù)應用，符合自動化專業(yè)學生應用型人才培養(yǎng)的目標和實踐。學生可以從基礎(chǔ)知識、實踐能力和素質(zhì)培養(yǎng)方面得以協(xié)調(diào)發(fā)展，在學習了自動控制原理、現(xiàn)代控制理論等專業(yè)課程的基礎(chǔ)上，需要

4、設(shè)計開設(shè)一門前瞻性、綜合性、實踐性較強的課程列入教學體系中。使學生在深入學習控制理論、自動化相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，學習針對復雜系統(tǒng)進行設(shè)計、驗證、分析的方法，提高解決專業(yè)問題的能力、提高設(shè)計效率和質(zhì)量。作為自動化專業(yè)的主要課程之一，依照該規(guī)范，以機器人技術(shù)基礎(chǔ)課本章節(jié)順序為基礎(chǔ)，本課程的內(nèi)容編排順序為：（1）機器人導論；（2）機器人的機構(gòu)與傳動；（3）機器人運動學；（4）機器人靜力分析與動力學；（5）機器人感知系統(tǒng)與控制；（6）機器人軌跡規(guī)劃；（7）仿生機器人設(shè)計實例；（8）機器人綜合實驗等內(nèi)容等。3. 課程與其他課程的關(guān)系：修讀本課程的學生應具備理工科的數(shù)理基礎(chǔ)，對控制系統(tǒng)有初步的了解和認識。先

5、修課程：電機與拖動基礎(chǔ)、C+程序設(shè)計二、課程目標通過本課程的學習，學生將對以下知識點有進一步的了解和認識：（1）學生將了解機器人的知識體系、構(gòu)成、基本性能要素，了解機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，開闊視野。了解研究仿生與服務(wù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)問題。（2）學生將掌握機器人總體組成與各組成部分的結(jié)構(gòu)原理，熟悉機器人手臂機構(gòu)的組成和簡單分析，了解機器人機械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，了解機器人常見的傳動機構(gòu)，了解移動機器人的機構(gòu)和控制方法，了解常見的機器人驅(qū)動器與電源。（3）學生將掌握位姿描述與齊次變換；桿系描述與坐標系；齊次坐標在機器人分析中的應用、齊次變換方法，掌握機器人的位姿分析，機器人運動學的基本知識，機器人的

6、運動學方程，運動學的正向與逆向解，機器人的微分運動與速度，雅可比矩陣；掌握機器人靜力分析方法，機器人的力雅可比，機器人動力學基本原理；機器人動力學方程建立方法，了解拉格朗日與牛頓歐拉方程的建立方法。（4）學生將了解常見的機器人內(nèi)部傳感器，機器人外部傳感器，機器人視覺的基本構(gòu)成，機器人力覺控制的基本方法。機器人手臂的基本控制方法。（5）學生將了解機器人控制和運動規(guī)劃的基本方法，工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)構(gòu)成，機器人的示教與再現(xiàn)。了解機器人路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的一般方法，掌握基本的插補方式，軌跡控制方法，掌握直線插補和圓弧插補的基本算法，掌握關(guān)節(jié)空間插補的基本方法。能夠利用三次多項式插值方法解決簡單的關(guān)節(jié)

7、軌跡規(guī)劃問題。（6）學生將掌握仿生與服務(wù)機器人的基本組成與控制技術(shù)基礎(chǔ)，了解仿生機器人在多行業(yè)中的應用。通過實例學習仿生機器人的設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計流程。通過分析實際案例了解機器人運動學、動力學和軌跡規(guī)劃等基礎(chǔ)方法在實際設(shè)計工作中的應用。（7）通過綜合實驗部分學習，學生將掌握以下內(nèi)容：1) 按照裝配圖完成仿生機器人的組裝，結(jié)構(gòu)分解和掌握安裝調(diào)試的方法；2）熟悉使用提供的上位機軟件，完成機器人基礎(chǔ)運動方式的調(diào)試和實現(xiàn)；3）能夠利用傳感器完成綜合運動規(guī)劃和環(huán)境適應性運動設(shè)計，并實現(xiàn)。三、學習要求 1、基本學習要求：課前，復習數(shù)學的相關(guān)基礎(chǔ)知識。每節(jié)課前預習教材或PPT內(nèi)容。授課過程中，按照教師

8、給定的例題進行練習，完成每章節(jié)后的知識點問題或練習題。在指定的答疑時間段與教師或助教積極互動。課后，獨立完成作業(yè)。獨立完成綜合性課程設(shè)計項目，提交實驗報告。2、進一步學習指導：深入學習相關(guān)數(shù)學知識，掌握機器人運動學、靜力分析、動力學的基本知識，查閱機器人技術(shù)手冊、論文等參考內(nèi)容，對所學知識進行復習鞏固，并在實際案例中得到印證，達到深入理解機器人技術(shù)基礎(chǔ)知識和了解應用方法的目的。深入學習課本和教師提供PPT課件的例題、模型建立的方法、坐標系的設(shè)定方法、運動學方程的構(gòu)建方法和分析方法，理解靜力分析、動力學方程的構(gòu)建、關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃等基本研究方法，具備簡單機器人系統(tǒng)從建模、方程構(gòu)建、分析和調(diào)試的能力。

9、通過實際動手環(huán)節(jié)提高認識和獨立解決問題的能力。四、教學進度序號專題或主題計劃課時主要內(nèi)容概述課堂練習第一章機器人導論3介紹機器人的知識體系、構(gòu)成、基本性能要素，介紹機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)，開闊視野。介紹研究仿生與服務(wù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)問題參考教材內(nèi)容完成課后練習題第二章機器人的機構(gòu)與傳動3講解機器人總體組成與各組成部分的結(jié)構(gòu)原理；介紹機器人手臂機構(gòu)的組成和簡單分析，機器人機械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識，學習機器人常見的傳動機構(gòu)，移動機器人的機構(gòu)和控制方法，常見的機器人驅(qū)動器與電源。熟悉典型的機械手結(jié)構(gòu)，舉例說明其運動空間和可移動的范圍。機器人驅(qū)動器的主要有哪些？其主要功能是什么。機器人關(guān)節(jié)的主要構(gòu)成，說明

10、其工作原理。機器人的自由度，工作空間。常用的機器人性能指標有哪些。舉例說明機器人的移動機構(gòu)有哪些？其可適應的環(huán)境有哪些特點。第三章機器人運動學6掌握位姿描述與齊次變換；桿系描述與坐標系；齊次坐標在機器人分析中的應用、齊次變換方法，掌握機器人的位姿分析，機器人運動學的基本知識，機器人的運動學方程，運動學的正向與逆向解，機器人的微分運動與速度，雅可比矩陣。掌握什么是機器人的位姿。能夠簡要說明機器人姿態(tài)的描述方法。掌握動系、靜系的運算方法，其主要描述的信息。掌握使用齊次坐標系描述3維空間中連桿(手部)的位姿信息。掌握聯(lián)合變換的描述方法。掌握機器人運動學D-H法。能夠仿照例題，建立簡單機器人手臂的運動

11、學方程。掌握機器人雅可比矩陣的建立方法。第四章機器人靜力分析與動力學6機器人靜力學和動力學概述。掌握機器人靜力分析方法，機器人的力雅可比，機器人動力學基本原理；機器人動力學方程建立方法，了解拉格朗日與牛頓歐拉方程的建立方法。掌握機器人的速度雅可比矩陣與力雅可比。掌握機器人靜力學、動力學、運動學的關(guān)系。理解拉格朗日運動方程式。仿照例題求解簡單的平面關(guān)節(jié)型機器人動力學問題。第五章機器人感知系統(tǒng)與控制2介紹常見的機器人內(nèi)部傳感器，機器人外部傳感器，機器人視覺的基本構(gòu)成，機器人力覺控制的基本方法。講解機器人手臂的基本控制方法。描述常見的內(nèi)部傳感器，機器人外部傳感器。描述基本使用方法。第六章機器人軌跡規(guī)

12、劃2機器人控制和運動規(guī)劃的基本方法，工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)構(gòu)成，機器人的示教與再現(xiàn)。講解機器人路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃的一般方法，掌握基本的插補方式，軌跡控制方法，掌握直線插補和圓弧插補的基本算法，掌握關(guān)節(jié)空間插補的基本方法。能夠利用三次多項式插值方法解決簡單的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃問題掌握機器人軌跡插值方法，機器人關(guān)節(jié)空間插補。軌跡規(guī)劃的方法并說明其特點。仿照例題關(guān)節(jié)運動按照三次多項式插值方式規(guī)劃，試確定運動軌跡，給出關(guān)節(jié)角度。第七章仿生機器人設(shè)計實例2掌握仿生與服務(wù)機器人的基本組成與控制技術(shù)基礎(chǔ)，了解仿生機器人在多行業(yè)中的應用。通過實例學習仿生機器人的設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計流程。通過分析實際案例了解機器人

13、運動學、動力學和軌跡規(guī)劃等基礎(chǔ)方法在實際設(shè)計工作中的應用描述仿生機器人的設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計流程。第八章機器人綜合實驗16綜合實驗部分：1) 按照裝配圖完成仿生機器人的組裝，結(jié)構(gòu)分解和掌握安裝調(diào)試的方法；2）熟悉使用提供的上位機軟件，完成機器人基礎(chǔ)運動方式的調(diào)試和實現(xiàn)；3）能夠利用傳感器完成綜合運動規(guī)劃和環(huán)境適應性運動設(shè)計，并實現(xiàn)按照裝配手冊完成機器人本體部分裝配，按照操作文檔完成控制系統(tǒng)裝配，完成上位機系統(tǒng)的安裝和使用。完成基本運動步態(tài)的實現(xiàn)。五、參考教材與主要參考書選用教材機器人技術(shù)基礎(chǔ)，宋偉剛，冶金工業(yè)出版社，2015.7(第二版)主要參考書(1) 機器人技術(shù)基礎(chǔ)，劉極峰，高等教育出

14、版社，2010.7(第二版) (2) 機器人學基礎(chǔ)，蔡自興，機械工業(yè)出版社，2013年(3) 機器人智能控制工程,王耀南, 科學出版社,2004年6月(4) 機器人控制研究,丁學恭, 浙江大學出版社,2006年9月(5) 機器人技術(shù)手冊，宗光華等，科學出版社，2007年第1版六、成績評定（一）考核方式 A ：A.閉卷考試 B.開卷考試 C.論文 D.考查 E.其他（二）成績綜合評分體系： 成績綜合評分體系比例%1.課下作業(yè)、課堂討論及平常表現(xiàn)10%2.實驗報告20%3.期末考試成績70%總計100%（三）評分標準：1.實驗報告的評分標準實驗報告的評分標準得分嚴格按照實驗報告要求并及時完成，基本

15、概念清晰，解決問題的方案正確、合理，能提出不同的解決問題方案。90-100分很好的按照實驗報告要求并及時完成，基本概念清晰，解決問題的方案正確、合理。80-90分基本按照實驗報告要求并及時完成，基本概念基本清晰，解決問題的方案基本正確、基本合理。70-80分不能按照實驗報告要求，未及時完成，基本概念不清晰，解決問題的方案基本不正確、基本不合理。40-60分不能按照實驗報告要求，未及時完成，基本概念不清晰，不能制定正確和合理解決問題的方案。0-30分2.課堂練習、平常表現(xiàn)評分標準課堂討論、平常表現(xiàn)評分標準得分資料的查閱、知識熟練運用，獨立完成課堂練習、內(nèi)容正確，能使用與教師給出例題不同的方法解決練習問題，能夠闡明自己的觀點和想法，通過查閱資料解決問題。90-100分資料的查閱、知識熟練運用，獨立完成課堂練習、內(nèi)容正確，能參考例題完成課堂練習、能夠闡明自己的觀點和想法，通過查閱資料解決問題。80-90分基本做到資料的查閱、知識的運用，能參考例題完成課堂練習、能闡明自己的觀點和想法，能與其他其他同學合作、交流，共同解決問題。70-80分做到