《人形機(jī)器人原理與實踐》教學(xué)大綱課程代碼課程名稱人形機(jī)器人原理與實踐英文名稱PrinciplesandPracticeofHumanoidRobots課程類別專業(yè)領(lǐng)域課課程性質(zhì)必修/選修學(xué)時總學(xué)時：32理論課學(xué)時：32上機(jī)學(xué)時：0實驗學(xué)時：0實踐學(xué)時：0學(xué)分2開課學(xué)期第4學(xué)期開課單位自動化科學(xué)與工程學(xué)院適用專業(yè)機(jī)器人工程、智能科學(xué)與技術(shù)、自動化、Python/C++程序設(shè)計、人工智能授課語言中文先修課程微積分、積分變換、復(fù)變函數(shù)、大學(xué)物理、電路、模擬電子技術(shù)畢業(yè)要求（專業(yè)培養(yǎng)能力）本課程對學(xué)生達(dá)到如下畢業(yè)要求有如下貢獻(xiàn)：2.3(問題分析)：能認(rèn)識到人形機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計涉及機(jī)械、控制、情感計算等多學(xué)科交叉，能通過文獻(xiàn)尋求針對運(yùn)動規(guī)劃、情感交互等復(fù)雜工程問題的解決方案。3.1(設(shè)計/開發(fā)解決方案)：能夠設(shè)計滿足特定交互需求（如醫(yī)療護(hù)理、陪伴）的人形機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)及情感計算模型。3.2(設(shè)計/開發(fā)解決方案)：能夠運(yùn)用多模態(tài)融合、運(yùn)動控制等知識提出多種設(shè)計方案，并體現(xiàn)出在人機(jī)共融與情感交互方面的創(chuàng)新意識。5.1(使用現(xiàn)代工具)：能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)姆抡孳浖ㄈ鏡OS、Gazebo）、深度學(xué)習(xí)框架對人形機(jī)器人的運(yùn)動與交互功能進(jìn)行分析、計算與開發(fā)。6.1(溝通)：能夠就人形機(jī)器人領(lǐng)域的前沿技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計方案與同行及公眾進(jìn)行有效溝通，撰寫設(shè)計文檔與技術(shù)報告。課程培養(yǎng)學(xué)生的能力（教學(xué)目標(biāo)）完成課程后，學(xué)生將具備以下能力：（人形機(jī)器人理論基礎(chǔ)）掌握人形機(jī)器人的空間向量運(yùn)算、位姿變換數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，理解液壓/氣壓/電驅(qū)動等驅(qū)動方式及視覺/觸覺等傳感器原理，建立完整的系統(tǒng)認(rèn)知。【2.3】【3.1】（情感交互技術(shù)能力）掌握語音、面部表情及生理信號的情感特征提取方法，理解情感計算模型（如OCC模型）及多模態(tài)情感表達(dá)技術(shù)，具備開發(fā)具備初步“情商”的機(jī)器人系統(tǒng)的能力?！?.2】【5.1】（系統(tǒng)設(shè)計與工程實踐）掌握人形機(jī)器人的硬件系統(tǒng)設(shè)計（關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動/升降機(jī)構(gòu)）、操作系統(tǒng)（ROS）搭建及人機(jī)交互界面設(shè)計方法，了解醫(yī)療護(hù)理等落地場景?！?.1】【5.3】（運(yùn)動規(guī)劃與控制能力）理解雙冗余度機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃、全身運(yùn)動控制等核心算法，能夠分析并解決人形機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的運(yùn)動控制問題。【2.3】【5.1】課程簡介《人形機(jī)器人原理與實踐》是機(jī)器人工程及人工智能專業(yè)的進(jìn)階課程。本課程系統(tǒng)梳理了人形機(jī)器人的核心理論與技術(shù)應(yīng)用，全書共10章。課程內(nèi)容涵蓋從基礎(chǔ)理論（發(fā)展背景、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、驅(qū)動與感知）到核心技術(shù)（情感特征提取、情感計算模型、多模態(tài)情感表達(dá)），再到工程實踐（硬件系統(tǒng)設(shè)計、操作系統(tǒng)、人機(jī)交互設(shè)計及運(yùn)動規(guī)劃）。課程特色在于強(qiáng)調(diào)“情感交互”與“工程落地”的結(jié)合，通過醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人等案例，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計具有運(yùn)動能力與情感交互能力的新一代人形機(jī)器人的綜合素質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配（一）緒論與人形機(jī)器人基礎(chǔ)學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：人形機(jī)器人的背景、意義及國內(nèi)外發(fā)展歷史（WABOT,Atlas,BHR等）。人形機(jī)器人的行業(yè)技術(shù)挑戰(zhàn)（執(zhí)行器、感知、交互）。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：空間向量運(yùn)算、齊次坐標(biāo)變換、旋轉(zhuǎn)矩陣與歐拉角、四元數(shù)。驅(qū)動方式（液壓、氣壓、電驅(qū)動）與傳感器分類（視覺、力覺、聽覺）。教學(xué)要求：了解人形機(jī)器人的發(fā)展脈絡(luò)與前沿挑戰(zhàn)；熟練掌握位姿描述的數(shù)學(xué)方法（特別是齊次變換矩陣）；掌握不同驅(qū)動方式的優(yōu)缺點及傳感器選型原則。重點：齊次坐標(biāo)變換、旋轉(zhuǎn)矩陣、伺服驅(qū)動器原理。難點：空間位姿變換的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與物理意義對應(yīng)。（二）情感特征提取與處理學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：語音情感特征提取：MFCC、LPC、基頻、能量等特征。面部表情特征提?。簬缀翁卣鞣āabor小波變換、光流法。生理信號情感特征：EEG（腦電）、ECG（心電）、GSR（皮膚電）信號分析。特征降維：PCA（主成分分析）、LDA（線性判別分析）。教學(xué)要求：理解多模態(tài)情感信號的產(chǎn)生機(jī)理；掌握語音和圖像中關(guān)鍵情感特征的提取算法；了解生理信號在情感識別中的應(yīng)用。重點：MFCC提取流程、面部特征點定位、PCA降維算法。難點：生理信號的噪聲處理與特征映射。（三）情感計算與表達(dá)基礎(chǔ)學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：情感建模：離散情感模型（Ekman）、維度模型（PAD）、認(rèn)知評價模型（OCC）。多模態(tài)情感融合分析：特征級融合、決策級融合策略。情感生成與表達(dá)：情感語音合成、面部表情合成（FACS）、肢體語言生成。模糊氛圍場建模：基于模糊層次分析法的人機(jī)交互氛圍建模。教學(xué)要求：理解主流情感計算模型及其適用場景；掌握多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合方法；了解機(jī)器人如何通過語音和動作“表達(dá)”情感。重點：OCC情感模型、多模態(tài)融合策略、情感語音合成原理。難點：多模態(tài)數(shù)據(jù)融合中的時間同步與異構(gòu)數(shù)據(jù)處理。（四）人形機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：硬件設(shè)計流程：構(gòu)型構(gòu)建、自由度配置。動力源與傳動：減速器選擇（諧波、RV）、伺服驅(qū)動器選型。典型機(jī)構(gòu)設(shè)計：頭部轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)設(shè)計原理與控制。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計：仿生關(guān)節(jié)設(shè)計、頭部/雙臂/腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計、外殼與皮膚設(shè)計。教學(xué)要求：掌握人形機(jī)器人自由度配置原則；能夠進(jìn)行核心零部件（電機(jī)、減速器）的選型計算；理解仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點。重點：自由度分配、關(guān)節(jié)模組設(shè)計、減速器選型。難點：緊湊空間下的高爆發(fā)力關(guān)節(jié)設(shè)計與散熱處理。（五）操作系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：嵌入式系統(tǒng)與底層驅(qū)動：硬件架構(gòu)、底層電路設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)搭建。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）：ROS架構(gòu)、節(jié)點通信、SLAM與導(dǎo)航功能包應(yīng)用。人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計：語音/動作/腦機(jī)交互方式。交互設(shè)計方法：以用戶為中心的設(shè)計、原型法、設(shè)計模式。教學(xué)要求：熟悉嵌入式控制系統(tǒng)的組成；掌握ROS的基本操作與常用功能包的使用；能夠設(shè)計符合人機(jī)工程學(xué)的交互流程。重點：ROS通信機(jī)制、SLAM導(dǎo)航實現(xiàn)、交互腳本設(shè)計。難點：實時操作系統(tǒng)（RTOS）與ROS的協(xié)同、復(fù)雜交互邏輯的實現(xiàn)。（六）人形機(jī)器人硬件系學(xué)時：4學(xué)時主要內(nèi)容：硬件設(shè)計總論：人形機(jī)器人硬件系統(tǒng)的分層架構(gòu)（機(jī)械、驅(qū)動、感知、控制），硬件設(shè)計流程（構(gòu)型規(guī)劃->部件選型->系統(tǒng)集成）。核心驅(qū)動元件選型：動力源：直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電動推桿的特性與選型計算。傳動機(jī)構(gòu)：諧波減速器、RV減速器、行星齒輪減速器的原理與適用場景（如手臂與腿部關(guān)節(jié)的差異）。典型運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計：轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)：頭部二自由度（Pan-Tilt）機(jī)構(gòu)設(shè)計、腕部/踝部轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)：絲杠螺母式、剪叉式、鏈輪式升降機(jī)構(gòu)原理及其在機(jī)器人腰部/底盤中的應(yīng)用。工程案例：分析醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人的硬件選型邏輯（靜音要求、負(fù)載能力）。教學(xué)要求：掌握機(jī)器人核心零部件的選型方法；理解不同傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點；能夠設(shè)計簡單的機(jī)器人關(guān)節(jié)模組。重點：減速器與電機(jī)的匹配選型、關(guān)節(jié)模組的集成設(shè)計。難點：緊湊空間下的高功率密度關(guān)節(jié)設(shè)計、升降機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性控制。（七）人形機(jī)器人操作系統(tǒng)學(xué)時：4學(xué)時（理論2+實驗2）主要內(nèi)容：嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)：嵌入式硬件架構(gòu)（ARM/FPGA）、底層電路設(shè)計（電源管理、信號處理）、硬件驅(qū)動開發(fā)流程及API編程接口。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）架構(gòu)：ROS的文件系統(tǒng)級、計算圖級（節(jié)點、話題、服務(wù)、動作）及開源社區(qū)級概念；常用功能包（Navigation,MoveIt!）介紹。驅(qū)動系統(tǒng)搭建實戰(zhàn)：底層驅(qū)動與上層控制的通信協(xié)議（串口/CAN/EtherCAT）。案例分析：醫(yī)療護(hù)士助理機(jī)器人的藥箱電控鎖與LED燈驅(qū)動控制實現(xiàn)（服務(wù)請求與響應(yīng)流程）。系統(tǒng)集成：從底層電機(jī)驅(qū)動到上層ROS節(jié)點的完整控制鏈路搭建。教學(xué)要求：理解嵌入式系統(tǒng)在機(jī)器人底層的控制作用；掌握ROS的基本通信機(jī)制（Topic/Service）；能夠編寫簡單的ROS節(jié)點實現(xiàn)對底層硬件（如電機(jī)、LED、傳感器）的控制。重點：ROS節(jié)點通信機(jī)制、底層驅(qū)動協(xié)議解析、Service服務(wù)模式的應(yīng)用。難點：實時操作系統(tǒng)（RTOS）與非實時系統(tǒng)（Linux/ROS）的數(shù)據(jù)交互與同步。（八）人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：交互方式概論：語音交互：語音識別（ASR）的時變性與非平穩(wěn)性處理、自然語言處理（NLP）流程。動作交互：手勢識別、肢體跟隨、觸覺感知交互。腦機(jī)交互（BCI）：腦電信號（EEG）控制機(jī)器人的基本原理與前沿應(yīng)用。交互系統(tǒng)設(shè)計方法：以用戶為中心的設(shè)計（UCD）流程、用戶畫像構(gòu)建、交互腳本設(shè)計。設(shè)計工具與評估：原型設(shè)計與A/B測試方法?？捎眯詼y試（UsabilityTesting）與用戶體驗反饋循環(huán)。人機(jī)交互設(shè)計指南與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)要求：了解多種人機(jī)交互模態(tài)的技術(shù)原理；掌握以用戶為中心的交互設(shè)計流程；能夠設(shè)計符合各種場景（如陪護(hù)、導(dǎo)覽）的人形機(jī)器人交互邏輯。重點：語音交互中的語義理解難點、多模態(tài)交互（語音+動作）的協(xié)同設(shè)計。難點：非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的自然交互意圖理解、腦機(jī)接口信號的噪聲處理。（九）人形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)時：3學(xué)主要內(nèi)容：仿生結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與自由度配置：人體骨骼與肌肉系統(tǒng)分析（不動/微動/活動關(guān)節(jié)）。全身自由度（DOF）分配策略：頭部（12DOF，含情感表達(dá)微表情）、雙臂（22DOF，冗余自由度設(shè)計）、腰部（1DOF）及下肢設(shè)計的取舍。關(guān)節(jié)驅(qū)動選型與設(shè)計：大力矩關(guān)節(jié)（肩、腰、頸）與小力矩關(guān)節(jié)（面部五官、手指）的電機(jī)選型差異（伺服舵機(jī)vs行星減速電機(jī)vs直線推桿）。特殊傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計：眼睛：基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的眼球聯(lián)動（左右/上下）與眼瞼獨(dú)立開閉設(shè)計。*嘴巴：步進(jìn)電機(jī)+齒輪同步帶傳動的大力矩張合機(jī)構(gòu)設(shè)計。頸部：基于電動推桿與陀螺儀反饋的點頭/俯仰閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外觀與皮膚設(shè)計：硬質(zhì)外殼（支撐與保護(hù)）與軟性硅膠皮膚（情感表現(xiàn)）的結(jié)合設(shè)計。皮膚驅(qū)動點布局（眉毛、頰?。┡c機(jī)械結(jié)構(gòu)的粘連工藝。教學(xué)要求：理解人形機(jī)器人“形神兼?zhèn)洹钡臋C(jī)械設(shè)計難點；掌握利用連桿機(jī)構(gòu)（如平行四邊形）簡化驅(qū)動數(shù)量的方法；了解硅膠皮膚在情感機(jī)器人中的應(yīng)用工藝。重點：頭部微表情機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計（眼、眉、嘴的聯(lián)動）、高集成度下的電機(jī)選型。難點：緊湊空間內(nèi)的多自由度干涉處理、仿生皮膚的非線性形變控制。（十）控制系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)動規(guī)劃學(xué)時：3學(xué)時主要內(nèi)容：控制系統(tǒng)分層架構(gòu)：硬件驅(qū)動層（MCU）：基于STM32的底層驅(qū)動設(shè)計，PID閉環(huán)控制算法在步進(jìn)電機(jī)與電動推桿中的實現(xiàn)（定時器中斷、PWM生成）9999。操作系統(tǒng)層（Linux/ROS）：ROS節(jié)點通信機(jī)制設(shè)計，圖像處理、語音交互、運(yùn)動規(guī)劃節(jié)點的解耦與集成10。多模態(tài)交互系統(tǒng)實現(xiàn)：基于Android平板的人機(jī)交互界面（UI）設(shè)計與Socket通信。交互邏輯流：人臉識別（OpenCV）$\rightarrow$頭部追蹤；語音喚醒（科大訊飛接口）$\rightarrow$語義理解$\rightarrow$情感動作響應(yīng)12121212。運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)：冗余度機(jī)械臂的正逆運(yùn)動學(xué)建模。雅可比矩陣（Jacobian）在速度層與力矩層的應(yīng)用13。雙臂協(xié)同運(yùn)動規(guī)劃（核心算法）：二次規(guī)劃（QP）框架：將任務(wù)目標(biāo)（最小化關(guān)節(jié)速度）與約束條件（關(guān)節(jié)極限、避障）轉(zhuǎn)化為QP問題求解14141414。相互避碰策略：基于線段最短距離法的雙臂避障模型，構(gòu)建一般安全閾值與緊急安全閾值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解器：利用LVI-PDNN（線性變分不等式-原始對偶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）在線求解運(yùn)動規(guī)劃問題。教學(xué)要求：掌握從底層PID到上層ROS的完整控制鏈路；深刻理解冗余自由度機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)求解難點；掌握基于優(yōu)化（QP）的避障運(yùn)動規(guī)劃算法原理。重點：ROS節(jié)點與MCU的通信協(xié)議、雙臂協(xié)同中的自身避障算法（Self-collisionavoidance）、QP問題的構(gòu)建。難點：雅可比矩陣的偽逆求解、動態(tài)環(huán)境下的實時避障約束構(gòu)建、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解器的收斂性理解。實驗教學(xué)（包括上機(jī)學(xué)時、實驗學(xué)時、實踐學(xué)時）另外開設(shè)了“人形機(jī)器人”課程設(shè)計。教學(xué)方法課程教學(xué)以課堂教學(xué)、課外作業(yè)、綜合討論為主，結(jié)合書中的工程案例（如醫(yī)療護(hù)士助理機(jī)器人）進(jìn)行分析，部分學(xué)生可參與授課教師關(guān)于人形機(jī)器方向的科研項目及學(xué)科競賽?？己朔绞奖菊n程注重過程考核，成績比例為：平時作業(yè)和課堂表現(xiàn)：30%，期末考試（或課程設(shè)計大作業(yè)）：70％平時作業(yè)和課堂表現(xiàn)：通過課后作業(yè)（含算法推導(dǎo)與ROS仿真練習(xí)）、課堂提問等體現(xiàn)能力達(dá)成情況：70%；課堂表現(xiàn)：30%。期末考核：人形機(jī)器人的基本概念、發(fā)展歷史與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（位姿變換）：約20%；【2.3】情感特征提?。ㄕZ音/視覺/生理）與情感計算模型分析：約20%；【3.1】【3.2】人形機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動原理及傳感器應(yīng)用：約20%；【5.1】機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）架構(gòu)與人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計：約20%；【5.3】人形機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃算法、系統(tǒng)集成與工程倫理分析：約20%；【3.3】【10.1】教材及參考書現(xiàn)用教材：張智軍,丁成,林俊杰,羅亞梅編著.《人形機(jī)器人原理與實踐》.機(jī)械工業(yè)出版社,2026.主要參考資料：相關(guān)（美）羅薩琳德·皮卡德(RosalindW.Picard).《情感計算》(AffectiveComputing).北京理工大學(xué)出版社,2005.（日）梶田秀司(ShuujiKajita)等著;管貽生譯.《仿人機(jī)器人》(IntroductiontoHumanoidRobots).清華大學(xué)出版社,2007.肖南峰.《仿人機(jī)器人》.科學(xué)出版社,2008.PeterCorke.Robotics,VisionandControl:FundamentalAlgorithmsinMATLAB.Springer,2011.ROS官方文檔及IEEETransactiononAffectiveComputing等期刊文獻(xiàn).制定人及制定時間張智軍。2026年1月

“RoboticSystem”SyllabusCourseCodeCourseTitleRoboticSystemCourseCategoryDisciplinaryBasicCourseCourseNatureSpecializedCourseClassHours48Credits3Semester6InstituteSchoolofAutomationScienceandEngineeringProgramOrientedAutomation,IntelligentScienceandTechnologyTeachingLanguageChinesePrerequisitesCalculus,ComplexFunctionsandIntegralTransforms,CollegePhysics,Circuits,AnalogueElectronicsStudentOutcomes(SpecialTrainingAbility)2.3.Recognizethattherearemanyoptionsforsolvingcomplexengineeringproblems,andyoucanfindpossiblesolutionsthroughtheliterature.3.1.Abilitytodesignsystems,units(components)orautomatedproductionprocessesthatmeetthespecificneedsandfunctionsofautomatedcomplexengineering.3.2.Abilitytouseavarietyofknowledgetoproposeavarietyofsolutionstosolvecomplexengineeringproblems,comparemultipledesignoptions,andproposesolutionsthatreflectinnovationawareness.3.3.Beabletoconsidersocial,health,safety,legal,culturalandenvironmentalfactorsinthedesignprocess.5.1.Abilitytoanalyze,calculate,designanddevelopautomationproductsforcomplexengineeringproblemsrelatedtoautomationusingappropriateelectronicinstrumentation,informationresources,andmodernengineeringtools.5.3.Abilitytodeveloporselectmoderntoolsthatmeetspecificneeds,simulateandsimulateautomationengineeringproblems,andbeabletoanalyzetheirlimitations.10.1.Abilitytocommunicateeffectivelywithcomplexengineering,newtechnologies,newproducts,peersandthepublic,writerequirementsanalysis,designdocumentation,feasibilityandtechnicalreports,publishpresentations,andlistentoandrespondtothepublicthroughdiscussionswithteammembersopinion.TeachingObjectives1.(SolidBasicKnowledge)Masteringsolidbasicknowledgeofnaturalscience,comprehensiveapplicationofforeignlanguageandmanagement,wide-coverageprofessionalknowledgeofautomation,includingcontroltheoryanditstechnology,electricalandelectronictechnology,computersoftware,hardwareandnetworktechnology,informationprocessingandsystemengineeringetc.Layingagoodfoundationforfurtherstudyingraduateschool.[2.3]][3.1]2.(AbilityofSolvingComplexEngineeringProblems)Anabilitytoindependentlyandinnovativelyapplytheprofessionalknowledgetosolvethepracticalengineeringproblemsrelatedtoautomation,includingmotioncontrol,processcontrol,automaticmanufacturingsystem,artificialintelligenceandrobotcontrol,automaticinstrumentandequipment,newsensor,informationprocessing,intelligentbuildings,complexnetworkandcomputerapplicationsystemetc.[3.2][5.1]4.(CognitionofEngineeringSystem)Masteringbasicskillsandpracticalmethodsofsystemdesign,integration,R&Dandengineeringapplicationrelatedtoautomation,understandingtheengineeringapplicationtechnologyrelatedtoautomation.[5.3]5.(ProfessionalAbilityofSocialImpactAssessment)Anabilitytocorrectlyviewandunderstandthepotentialimpactofthedevelopmentandapplicationofautomationscienceandtechnologyonpeople'sdailylife,socialandeconomicstructure.[3.3][10.1]CourseDescriptionThiscourseisacomprehensivecourseforautomationmajorinuniversity.Theaimistohelptheundergraduatestudentstomastertheknowledgeinautomationortherelatedtounderstandthebasicstructurecharacteristicsoftherobotandstatusdescription,thekinematicsandinversekinematicsoftherobot,velocitykinematics,dynamicsandcontrolofRobotics.Throughthiscourse,thestudentscanmasterthemethodsofcoordinatetransform,controlofindustrialrobotkinematics,theinversekinematicsandspeedkinematicsanalysis,andunderstandingsomeproblemsinthedesignoftherobot.TeachingContentandClassHoursDistributionI.Introduction 3lecturesThebasicconceptanddevelopmentprocessofrobots;Theterminologyanddefinitionofroboticsanditsrelationshiptootherdisciplines;Classificationofrobots,characteristics,basicstructureandmultimediadisplayofvariousrobotapplications.Teachingrequirements:masteraimsandtasksofcourses,understandingtheuseofrobots,understandingrobothistory;Masteringtermsanddefinitionsofroboticsanditsrelationshipwithotherdisciplines;Masteringtheclassificationofrobots,basicstructuresandthecharacteristicsofmultimediadisplay.Keypoints:Basicconceptofrobotdevelopment;Difficulties:Termsanddefinitionsofroboticsanditsrelationshipwithotherdisciplines.II.RepresentingPositionandOrientation3lectures(1)Descriptionofthetwo-dimensionalposeoftherobot;(2)Descriptionofthethree-dimensionalposeoftherobot;Teachingrequirement:Masteringtherepresentationoftherobot'sspatialpositionandorientationandestablishacoordinatesystemandindicatetherelativepose,andwritetheloopequationofthepose.Key:Thepositionandorientationrepresentationoftherobot;Difficulties:Createacoordinatesystembasedontheposeoftherobotandperformcoordinatetransformation.III.TimeandMotion3lectures(1)Trajectories;(2)TimeVaryingCoordinateFrames;Teachingrequirement:Masteringtheposeproblemoftherobotchangingwithtime,createaseriesofposesthattherobotshouldfollow,thatis,thetrajectory,andunderstandthetimederivativeoftheorthogonalrotationmatrixKey:Createaseriesofposesthattherobotwillfollow,iethetrajectory,Difficulties:Inverseproblemofpose.IV.MobileRobotVehicles3lectures(1)Themobilityoftherobot;(2)Groundmobiletrolleyrobots;(3)Four-rotorflyingrobot.Teachingrequirement:Understandhowthepositionoftherobotplatformisafunctionoftheinputcontrolsignalovertimeandthebasicconceptsofrobotmobility,configurationspace,andtaskspace.Key:Mobilityoftherobotplatform.Difficulties:Flyingrobotplatform.V.Navigation3lectures(1)Reactivenavigationoftherobot;(2)Map-BasedPlanning.Teachingrequirements:Masteringtherobot'sreactivenavigationmethodandmap-basedpathplanning.Throughtherobot'snavigationtechnology,therobotcanreachtheoptimalrecordofthetarget.Key:Reactivenavigationmethodforrobots..Difficulties:map-basedpathplanning.VI.Localization3lectures(1)Thetrajectoryestimationoftherobot;(2)Usethemaptodeterminethepositionoftherobot;(3)CreatingaMap;(4)Positioninganddrawing;(5)Monte-CarloLocalization.Teachingrequirement:Masteringtwomethodsofrobotpositionestimation:throughtrackcalculationsandbyobservingfeaturesknownonthemap.Key:Positionestimationoftherobot.Difficulties:MonteCarloestimatesandparticulatefilters.VII.RobotArmKinematics3lectures(1)Thepositivekinematicsofthemanipulator;(2)Inversekinematicsofthemanipulator;(3)Theproblemofthetrajectoryoftherobotarm;(4)DeterminetheD-Hparameters;Teachingrequirements:Masteringthekinematicsoftheroboticarm,mastertheknowledgeoftheforwardkinematicsandinversekinematicsofthemanipulator,andhowtodeterminetheD-Hparametersofthemanipulator.Key:Positivekinematicsandinversekinematicsofthemanipulator.Difficulties:DeterminetheD-Hparameterproblemoftherobotarm.VIII.VelocityRelationships3lectures(1)ManipulatorJacobian;(2)Resolved-RateMotionControl;(3)ForceRelationships.(4)InverseKinematics:aGeneralNumericalApproach.Teachingrequirement:BeingfamiliarwiththeJacquesmatrixanditsapplicationinrobots,andtocontrolthemotionoftherobot'sdecompositionrate.Key:Jacquesmatrixoftherobot.Difficulties:Controlofthedecompositionrateoftherobot.IX.DynamicsandControl3lectures(1)Thecoupleddynamicequationofthemanipulator;(2)Thejointdrivesystemoftherobot;(3)Forwardkinematicsoftherobot;(4)ManipulatorJointControl.Teachingrequirements:Understandinghowtomodeltheforcesandmomentsactingonthevariouslinksoftheseriesmanipulator,familiarwiththeequationsofmotionofthemanipulatorortheinversedynamicequations.Key:Theequationofmotionofthemanipulator.Difficulties:Jointcontrolproblemswiththerobotarm.X.LightandColor3lectures(1)Lightisacontinuousspectrum;(2)Theresponseofthespectrumtotheeyeiscalledcolor.Teachingrequirement:Understandingthatlightisamixtureofelectromagneticwavesofvariousfrequencies.Itisacontinuousspectrum,andthespectrumcausesthereactionoftheeye.Weinterpretitascolor.Key:Thespectralrepresentationoflight.Difficulties:Tristimulusvaluescanbelinearlyconvertedtoaccountforthedifferencesinthecombinationsofprimarycolors.XI.ImageFormation3lectures(1)PerspectiveTransform.(2)Cameracalibrationdeterminestheintrinsicandextrinsicparametersoftheworldcoordinatesystem;(3)Non-PerspectiveImagingModels.(4)UnifiedImaging.Teachingrequirement:Masteringheformationofimagesincomputervisionandreplacethemwithpixelarraysthatmakeupdigitalimagesforprocessing.Key:Pixelarrayofdigitalimages.Difficultpoints:theunifiedimagingprocessoffluoroscopicimages.XII.ImageProcessing3lectures(1)Howtoobtainanimage;(2)performingaunitaryoperationontheimage;(3)Performbinaryoperationsontheimage;(4)Performspatialoperationsontheimage;(5)MathematicalMorphology.(6)Howtochangetheshapeandsizeoftheimage.Teachingrequirement:Masteringhowtoacquireimagesandperformunaryoperations,binaryoperationsandspatialoperationsonimages,familiarwithdigitalmorphologyinnonlinearoperations,andbeabletochangetheshapeandsizeofimages.Keypoints:Unaryoperations,binaryoperations,andspatialoperationsonimages.Difficulties:Altertheshapeandsizeoftheimage.XIII.ImageFeatureExtraction3lectures(1)RegionFeatures.(2)LineFeatures.(3)PointFeatures.Teachingrequirement:Masteringthefeatureextractionmethodofimages.Key:Extractionofregionalfeaturesandlinearfeaturesofimages.Difficulties:Thepointfeaturesoftheimage.XIV.UsingMultipleImages3lectures(1)FeatureCorrespondence.(2)GeometryofMultipleViews.(3)Stereoscopicvisionformedbytwoimagestakenfromdifferentperspectives;(4)Estimatetheposechangeofthecamerabyimagepoints.Teachingrequirement:Masteringtheimageprocessingmethodsofmultiplegraphics,andfamiliarwiththestereovisionmethodformedbymultipleimages.Key:Themethodofestimatingthebasicmatrixfromimagedata.Difficulties:Thehomographymatrixisthelinearmappingofimagepointsbetweenimages.XV.Vision-BasedControl3lectures(1)Position-BasedVisualServoing(2)Image-BasedVisualServoing.(3)UsingOtherImageFeatures.Teachingrequirement:Masteringthebasicknowledgeofvision-basedrobotcontrol.Key:Vision-basedrobotcontroltechnology.Difficulties:position-basedvisualservoingandimage-basedvisualservoing.XVI.AdvancedVisualServoing3lectures(1)XY/Z-PartitionedIBVS.(2)IBVSUsingPolarCoordinates.(3)IBVSforaSphericalCamera.Teachingrequirement:Masteringtheadvancedvisualservotechnologyandapplications.Key:Advancedvisualservoing.Difficul