《機器人及運動控制系統(tǒng)》課程教學(xué)大綱

《機器人及運動控制系統(tǒng)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱機器人及運動控制系統(tǒng)RobotandMotionControlSystem課程編碼CTL110621020開課院部控制科學(xué)與工程學(xué)院課程團隊機器人及運動控制系統(tǒng)教學(xué)團隊學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時34講授28實驗6上機0實踐0課外學(xué)時32適用專業(yè)自動化授課語言中文先修課程自動控制原理、自動控制原理實驗、過程控制儀表與裝置、過程控制儀表與裝置實驗課程簡介（限選）機器人及運動控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的一門綜合性、多學(xué)科交叉的專業(yè)限選課，具有一定的理論性和較強的工程實踐性。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能綜合運用自動控制理論等知識去分析工業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)，掌握進行運動控制系統(tǒng)設(shè)計和分析的基本方法，著重培養(yǎng)學(xué)生對機器人運動控制系統(tǒng)的分析能力和解決工程實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生終身獲取和追蹤前沿知識的能力。（對應(yīng)畢業(yè)要求：1.3、3.3、12.2）Robotandmotioncontrolsystemisacomprehensiveandmulti-disciplinecrossedprofessionalcourse,hascertaintheoreticalandstrongengineeringpracticality.Throughthelearningofthiscourse,studentscananalyzethemotioncontrolsystemoftheindustrialrobots.Thiscoursefocusesoncultivatingstudents'abilityontheanalysisoftherobotmotioncontrolsystemandtheabilitytosolvepracticalengineeringproblems,atthesametimedevelopingtheabilitytoacquireandtrackfrontierknowledge.(Correspondingtograduationrequirements:1.3、3.3、12.2)負責人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務(wù)自選1M1目標1．掌握機器人及運動控制系統(tǒng)自身的基本原理、組成要素、特點以及適用范圍，掌握機器人運動學(xué)和軌跡/路徑規(guī)劃原理，并能將上述知識用于機器人及運動控制系統(tǒng)的分析。是1.31.32M2目標2：能夠主動查閱文獻、參考資料，掌握機器人運動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)的工作原理和最新發(fā)展趨勢，遇到問題時能夠跟教師和同學(xué)進行溝通與交流，尋求解決方案。是12.212.23M3目標3：在設(shè)計/開發(fā)機器人運動控制問題時，以執(zhí)行機構(gòu)為基礎(chǔ)，研究機器人的正逆運動學(xué)和微分運動，進行控制方案的設(shè)計，以達到所要求的高速、高精度的要求，并在設(shè)計中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。是3.33.3三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1第一章緒論本章重點：機器人及運動控制系統(tǒng)構(gòu)成；本章難點：機器人及運動控制系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)參數(shù)。M1////21.1機器人的基本概念及發(fā)展歷史機器人定義、國內(nèi)外發(fā)展歷程、發(fā)展方向。M10.5講授0.5查閱資料31.2機器人的系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù)機器人的組成部分、組成系統(tǒng)、基本構(gòu)件、技術(shù)參數(shù)。M11講授1作業(yè)/自學(xué)41.3運動控制的基本概念及發(fā)展歷史運動控制系統(tǒng)的定義、組成、分類、控制系統(tǒng)性能要求M10.5講授/討論0.5查閱資料/自學(xué)5第二章機器人的運動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)本章重點：工業(yè)機器人的運動形式和移動機器人的移動機構(gòu)；本章難點：機器人的執(zhí)行機構(gòu)M2////62.1常見的運動機構(gòu)直線運動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)、減速運動機構(gòu)M20.5講授/討論0.5自學(xué)72.2工業(yè)機器人常見的運動形式直接坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、求坐標型機器人等M20.5講授0.5作業(yè)82.3移動機器人常見的移動機構(gòu)車輪式移動機構(gòu)、履帶式移動機構(gòu)、足式移動機構(gòu)M20.5講授0.5作業(yè)/自學(xué)92.4機器人執(zhí)行機構(gòu)液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動M20.5講授0.5作業(yè)10第三章機器人的感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)本章重點：機器人的感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)功能及組成、控制方式；本章難點：機器人的控制方式M2////113.1機器人的外部傳感器機器人的反射弧、視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺M20.5講授0.5作業(yè)123.2機器人的內(nèi)部傳感器位置、速度、加速度傳感器M20.5講授/討論0.5作業(yè)133.3機器人控制系統(tǒng)功能與組成機器人控制系統(tǒng)的特點、分類和組成M20.5講授0.5作業(yè)143.4機器人控制系統(tǒng)的控制方式點到點控制方式、連續(xù)軌跡控制方式、速度控制方式、力矩控制方式和智能控制方式M20.5講授0.5作業(yè)153.5倒立擺的控制系統(tǒng)舉例：倒立擺的控制系統(tǒng)M21講授/討論1作業(yè)/自學(xué)163.6實驗一：倒立擺控制認識實驗倒立擺控制認識實驗M22實驗2撰寫實驗報告17第四章機器人運動學(xué)本章重點：機器人坐標變換、運動學(xué)模型的建立；本章難點：正向運動方程和逆向運動方程的求解M3////184.1機器人位置與姿態(tài)的描述位置描述、姿態(tài)描述、位姿描述、機械手的位姿描述M32講授2作業(yè)194.2坐標變換坐標平移、坐標旋轉(zhuǎn)、復(fù)合變換、齊次坐標變換M32講授2作業(yè)204.3機器人正向運動學(xué)正向運動方程的變換矩陣、求解M32講授/討論2作業(yè)214.4機器人逆向運動學(xué)逆向運動問題的多解性與可解性、方程的求解M32講授/討論2作業(yè)22第五章微分運動和速度本章重點：微分運動、雅克比矩陣的建立；本章難點：坐標系的微分運動、雅克比矩陣的計算M3////235.1雅可比矩陣微分運動、速度、雅可比矩陣的關(guān)系M31講授1作業(yè)245.2坐標系的微分運動微分旋轉(zhuǎn)、微分平移、坐標系微分變換的求解M32講授2作業(yè)255.3機器人和機器人手坐標系的微分運動建立關(guān)節(jié)運動和手運動之間的聯(lián)系M32講授/討論2作業(yè)265.4雅可比矩陣的計算雅可比矩陣的計算和求逆M32講授/討論2作業(yè)275.5實驗二：倒立擺控制實驗倒立擺控制認識實驗2實驗2撰寫實驗報告28第六章工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃本章重點：工業(yè)機器人相關(guān)的軌跡規(guī)劃；本章難點：關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃M1////296.1關(guān)節(jié)空間描述與直角空間描述關(guān)節(jié)空間描述與直接坐標空間描述、軌跡規(guī)劃基本原理M10.5講授0.5作業(yè)306.2關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃三次多項式軌跡規(guī)劃、五次多項式軌跡規(guī)劃、拋物線過渡的線性段、具有中間點及用拋物線過渡的線性段、高次多項式運動軌跡M10.5講授0.5作業(yè)/自學(xué)316.3直角坐標空間的軌跡規(guī)劃平滑的線性變換、一個平移和兩個旋轉(zhuǎn)、一個平移和一個繞q軸的旋轉(zhuǎn)的變化方法。M11講授/討論1作業(yè)/自學(xué)32第七章運動控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用實例本章重點：運動控制系統(tǒng)總體的設(shè)計方案、部件選擇；本章難點：運動控制系統(tǒng)總體的設(shè)計方案M3////337.1運動控制系統(tǒng)的總體性能要求和設(shè)計任務(wù)一般原則、基本任務(wù)、設(shè)計階段的劃分等M30.5講授0.5作業(yè)/自學(xué)347.2運動控制系統(tǒng)部件的選擇運動控制系統(tǒng)部件的選擇M30.5講授0.5查閱資料357.3應(yīng)用舉例倒立擺、焊接機器人、小車等M31講授/討論1討論367.4實驗三：人形機器人控制實驗人形機器人控制實驗M32實驗2撰寫實驗報告四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1平時表現(xiàn)1.完成布置的各項作業(yè)。2.參加課堂活動，如隨堂測試、課堂討論等。3.完成參閱資料任務(wù)，撰寫報告。35%2實驗1.本課程共3個實驗，6學(xué)時。2.成績采用百分制，根據(jù)實驗完成情況評分。3.考核學(xué)生對機器人運動控制的理解、對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計的能力。15%3期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.針對正逆運動學(xué)、微分運動、雅可比矩陣等方面考查學(xué)生對機器人運動學(xué)的分析和設(shè)計能力。50%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時表現(xiàn)50%A-能夠熟練掌握機器人及運動控制系統(tǒng)的特點以及適用范圍，掌握機器人軌跡/路徑規(guī)劃原理，并能將上述知識用于機器人路徑規(guī)劃。B-能夠掌握機器人及運動控制系統(tǒng)自身的特點以及適用范圍，掌握機器人軌跡/路徑規(guī)劃原理，并能夠進行機器人路徑規(guī)劃。C-能夠掌握機器人及運動控制系統(tǒng)自身的特點以及適用范圍，理解機器人軌跡/路徑規(guī)劃原理。D-不能掌握機器人及運動控制系統(tǒng)的特點以及適用范圍、軌跡/路徑規(guī)劃原理。2M1期末考試50%按照試卷評分標準3M2平時表現(xiàn)50%A-能夠熟練掌握圖書館文獻查閱系統(tǒng)，能夠主動查閱文獻、參考資料，掌握機器人運動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)的工作原理和最新發(fā)展趨勢，遇到問題時能夠跟教師和同學(xué)進行溝通與交流，尋求解決方案。B-能夠掌握機器人運動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)的工作原理和最新發(fā)展趨勢。能夠在遇到問題時通過溝通和交流，尋求解決方案。C-能夠掌握機器人運動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)的工作原理。D-不能掌握機器人運動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)的工作原理和前沿發(fā)展狀況。遇到問題時，不尋求解決方案。4M2期末考試50%按照試卷評分標準5M3期末考試50%按照試卷評分標準6M3平時表現(xiàn)30%A-能夠掌握機器人正逆運動學(xué)、微分運動和雅可比矩陣的計算，并能夠結(jié)合各方面知識進行控制方案的設(shè)計，控制問題描述準確，語言簡練，設(shè)計最優(yōu)控制方案，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識。B-掌握機器人正逆運動學(xué)、微分運動和雅可比矩陣的計算，能夠結(jié)合各方面知識進行最優(yōu)控制方案的設(shè)計。C-掌握機器人正逆運動學(xué)、微分運動和雅可比矩陣的計算，并能夠設(shè)計控制方案。D-不能掌握機器人正逆運動學(xué)、微分運動和雅可比矩陣的計算不能設(shè)計控制方案。7M3實驗20%根據(jù)實驗完成情況評分評分等級說明：[A,B,C,D,E]=[90-100,80-89,70-79,60-69,0-59];[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59];[A,B,C]=[90-100,75-89,60-74,0-59];[M,N]=[80-100,0-79]六、教材與參考資料序號教學(xué)參考資料明細1圖書|機器人學(xué)導(dǎo)論——分析、控制及應(yīng)