《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱

第頁《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》課程教學(xué)大綱課程名稱：機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

課程類別：專業(yè)選修課適用專業(yè)：電子信息工程

考核方式：考查

總學(xué)時(shí)、學(xué)分：24學(xué)時(shí)1.5學(xué)分

一、課程性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)機(jī)器人技術(shù)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，機(jī)器人技術(shù)是控制理論與控制工程學(xué)、電子信息工程學(xué)、人工智能、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程等多學(xué)科的綜合，是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)課程，電子信息工程專業(yè)的學(xué)生可以通過本課程的學(xué)習(xí)，對(duì)已學(xué)的如傳感器、自動(dòng)控制、力學(xué)等課程具備感性認(rèn)識(shí)，并學(xué)會(huì)如何將理論與實(shí)踐結(jié)合，用理論為工程服務(wù)。同時(shí)，掌握機(jī)器人的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本控制方式及基本研究方法，為應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。該課程主要包括空間描述和變換、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、操作臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、速度和靜力、操作臂動(dòng)力學(xué)以及操作臂控制等六塊基本內(nèi)容。是一門服務(wù)工程實(shí)踐的應(yīng)用課程，具體課程教學(xué)目標(biāo)為：課程教學(xué)目標(biāo)1：熟練掌握坐標(biāo)系變換算法、姿態(tài)描述方法、連桿參數(shù)與DH參數(shù)計(jì)算、關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間描述方法與轉(zhuǎn)換關(guān)系、操作臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的代數(shù)法與幾何法、連桿的速度傳遞雅可比矩陣與力傳遞雅可比矩陣求解、牛頓-歐拉迭代動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)，會(huì)計(jì)算非冗余操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，會(huì)建立操作臂動(dòng)力學(xué)方程。課程教學(xué)目標(biāo)2：深刻理解不同姿態(tài)描述方法間的變換關(guān)系與優(yōu)缺點(diǎn)，DH參數(shù)的物理意義，根據(jù)任務(wù)要求獨(dú)立完成DH參數(shù)設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)完成運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解計(jì)算，根據(jù)建立的動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的力與運(yùn)動(dòng)控制。課程教學(xué)目標(biāo)3：了解驅(qū)動(dòng)器空間與關(guān)節(jié)空間的關(guān)系，冗余操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解計(jì)算方法，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)奇異性并通過仿真研究避免方法，了解拉格朗日法動(dòng)力學(xué)方程建模并實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間的路徑規(guī)劃。課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)的矩陣關(guān)系教學(xué)目標(biāo)畢業(yè)要求

12345678教學(xué)目標(biāo)1

HLHHLL教學(xué)目標(biāo)2LMMLHHML教學(xué)目標(biāo)3

HHHHHM二、課程教學(xué)要求本門課程的目的是要求學(xué)生通過教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，了解機(jī)器人發(fā)展的最新技術(shù)與現(xiàn)狀，初步掌握機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)，基本理論和基本方法，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用的能力。首先簡要介紹機(jī)器人系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域以及目前的研究熱點(diǎn)，從空間描述與變換、操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、操作臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、速度和靜力、操作臂動(dòng)力學(xué)、操作臂軌跡規(guī)劃以及操作臂控制幾個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行教學(xué)。然后從工程角度出發(fā)，針對(duì)具體任務(wù)進(jìn)行操作臂設(shè)計(jì)，具體涉及連桿連接描述方法與連桿設(shè)計(jì)、連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)選擇、笛卡爾空間與關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)換、操作臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，操作臂動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)確定、動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)以及任務(wù)軌跡規(guī)劃與控制算法設(shè)計(jì)與仿真。最后介紹位置控制與力控制最新研究進(jìn)展與研究方向。三、先修課程高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)、自動(dòng)控制原理。四、課程教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：空間位置、姿態(tài)與坐標(biāo)系變換求解；DH參數(shù)計(jì)算；關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間轉(zhuǎn)換；雅可比矩陣求解；牛頓-歐拉方程推導(dǎo)。教學(xué)難點(diǎn)：機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解；機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)；機(jī)械臂位置控制與力控制。五、課程教學(xué)方法與教學(xué)手段課堂教學(xué)為主，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)為輔。六、課程教學(xué)內(nèi)容第一章緒論（2學(xué)時(shí)）1.

教學(xué)內(nèi)容（1）

機(jī)器人發(fā)展與現(xiàn)狀；（2）

操作臂的機(jī)構(gòu)與控制；（3）

課程主要符號(hào)說明。2.

重、難點(diǎn)提示第二章

空間描述和變換（4學(xué)時(shí)）1.

教學(xué)內(nèi)容（1）

空間描述與映射關(guān)系；（2）

空間變換算法與變換方程；（3）

姿態(tài)的表示方式與轉(zhuǎn)換。2.

重、難點(diǎn)提示（1）

重點(diǎn)是坐標(biāo)系變換矩陣推導(dǎo)、平移與旋轉(zhuǎn)變換算子、變換算法與方程；（2）

難點(diǎn)是姿態(tài)的表示方法與不同表示方法之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。第三章操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)（6學(xué)時(shí)）1.

教學(xué)內(nèi)容（1）

連桿與連桿連接的描述；（2）

連桿坐標(biāo)系中連桿參數(shù)的意義；（3）

操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)；（4）

關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間。2.

重、難點(diǎn)提示（1）

重點(diǎn)是連桿與連桿連接的描述與參數(shù)的意義；（2）

難點(diǎn)是操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。第四章

速度和靜力（6學(xué)時(shí)）1.

教學(xué)內(nèi)容（1）

剛體的線速度和角速度；（2）

機(jī)器人連桿的運(yùn)動(dòng)與連桿間速度傳遞；（3）

雅可比矩陣與奇異性；（4）

作用在操作臂上的靜力。2.

重、難點(diǎn)提示（1）

重點(diǎn)是剛體的線速度與角速度在不同坐標(biāo)系下的描述方法與計(jì)算，連桿間速度傳遞計(jì)算方法與矩陣描述；（2）

難點(diǎn)是速度域雅可比矩陣與力域雅可比矩陣推導(dǎo)，操作臂靜力計(jì)算。第五章操作臂動(dòng)力學(xué)與控制（6學(xué)時(shí)）1.

教學(xué)內(nèi)容（1）

剛體的加速度與質(zhì)量分布

；（2）

牛頓-歐拉法與拉格朗日法建立動(dòng)力學(xué)方程；（3）

路徑規(guī)劃與操作臂線性控制。2.

重、難點(diǎn)提示（1）

重點(diǎn)是牛頓-歐拉法建立動(dòng)力學(xué)方程；（2）

難點(diǎn)是路徑規(guī)劃與操作臂控制器設(shè)計(jì)與仿真。七、學(xué)時(shí)分配章目教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)理論教學(xué)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)一緒論20二空間描述和變換40三操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)60四速度和靜力60五操作臂動(dòng)力學(xué)與控制60總計(jì)

240八、課程考核方式1.考核方式：開卷；筆試2.成績構(gòu)成期末成績+平時(shí)成績九、選用教材和參考書目[1]

《機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》，朱世強(qiáng)、王宣銀編著，浙江大學(xué)出版社，2001年；[2]

《工業(yè)機(jī)器人》，韓建海主編，華中科技大學(xué)出版社，2009年；[3]

《工業(yè)機(jī)器人》（第二版），吳振彪、王正家主編，華中科技大學(xué)出版社，2006年；[4]

《機(jī)器