機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐 課程標(biāo)準(zhǔn)-教學(xué)大綱

機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐課程標(biāo)準(zhǔn)課程名稱：機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐英文名稱：ControlTechnologyandPracticeofRobot總學(xué)時數(shù)：理論12學(xué)時，實(shí)踐20學(xué)時學(xué)分：開課學(xué)期：第三學(xué)年秋季學(xué)期年月一、課程目標(biāo)本課程是面向全校各專業(yè)本科學(xué)生的一門開放選修課程。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生理解機(jī)器人設(shè)計和制作相關(guān)的基本理論知識，掌握機(jī)器人控制所需的電路和程序設(shè)計知識，能夠根據(jù)需求自主設(shè)計和制作小型機(jī)器人，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)崗位任職奠定所需的理論基礎(chǔ)和技能基礎(chǔ)。二、課程設(shè)計（一）思路理念機(jī)器人相關(guān)知識實(shí)踐性強(qiáng)，有較廣闊的工程背景。課程以提高學(xué)生的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)為目標(biāo)，著眼于打牢學(xué)生的智能控制方面的信息素養(yǎng)和工程素養(yǎng)，以任務(wù)為牽引，緊密結(jié)合機(jī)器人硬件、軟件及控制理論，引導(dǎo)學(xué)生自主完成機(jī)器人設(shè)計與制作，在傳承知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生“學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會思考、學(xué)會實(shí)踐、學(xué)會創(chuàng)新”。（二）內(nèi)容設(shè)計機(jī)器人技術(shù)涵蓋了多學(xué)科領(lǐng)域知識，在有限課時內(nèi)盡可能使學(xué)生掌握機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐的主體內(nèi)容。課程教學(xué)包括理論講授和實(shí)物制作，其中理論12學(xué)時，實(shí)踐20學(xué)時。課程理論部分按照機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐的基礎(chǔ)知識和具體應(yīng)用分為五個專題展開，包括：機(jī)器人緒論、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)器人中的電路設(shè)計、機(jī)器人中的傳感器。課程實(shí)驗部分包含光電巡線輪式小車的設(shè)計與制作和仿人競速機(jī)器人的設(shè)計與制作。通過兩種不同類型的機(jī)器人的設(shè)計與制作過程，提高學(xué)生創(chuàng)新力、理論聯(lián)系實(shí)踐能力，鞏固相關(guān)知識。（三）方式方法針對課程涵蓋知識面廣、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，深入開展研討式和任務(wù)驅(qū)動式等教學(xué)方法，堅持以學(xué)生為主體、教員為主導(dǎo)，從應(yīng)用需求出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、學(xué)習(xí)新知識解決問題的過程，不斷激發(fā)學(xué)生的潛能提高，提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)手段上，采用“多媒體為主、板書予以補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合”的方式，強(qiáng)化課堂教學(xué)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。加強(qiáng)課外指導(dǎo)，依托學(xué)生科技創(chuàng)新活動，利用各種實(shí)踐平臺，鼓勵學(xué)生開展機(jī)器人相關(guān)創(chuàng)新項目研究，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)興趣。三、內(nèi)容及實(shí)施要求序號模塊主要內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)重難點(diǎn)內(nèi)容目標(biāo)要求方法手段理論學(xué)時實(shí)踐學(xué)時備注1機(jī)器人緒論（1）理解機(jī)器人的主要組成和各部分功能；（2）理解機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)；（3）理解機(jī)器人的應(yīng)用。重點(diǎn)：機(jī)器人的主要組成；機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。難點(diǎn)：機(jī)器人各部件主要功能。通過本模塊的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的興趣，具備簡化分析復(fù)雜問題的能力。1.通過實(shí)物展示、演示和講解，引出機(jī)器人的組成及各部分的功能；2.講解機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。202結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計（1）理解機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)；（2）掌握常用機(jī)械臂和行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)；（3）掌握solidwork軟件繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)知識。重點(diǎn)：機(jī)器人的常用機(jī)械臂及行走機(jī)構(gòu)。難點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本參數(shù)；常用行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法。通過本模塊的學(xué)習(xí)使學(xué)生基本學(xué)會機(jī)械設(shè)計軟件的使用，能夠自主設(shè)計機(jī)器人的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂等常用結(jié)構(gòu)，有效提升實(shí)踐動手能力。1.采用探究式教學(xué)，通過研究幾種不同機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對新知識的發(fā)現(xiàn)和研究能力；2.講解常用機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；3.教學(xué)過程中，適時采用多媒體手段和電子電路仿真軟件輔助教學(xué)。203控制系統(tǒng)（1）理解機(jī)器人底層硬件相關(guān)的控制原理；（2）掌握機(jī)器人路徑規(guī)劃、多機(jī)器人協(xié)作、足式機(jī)器人步態(tài)控制等上層控制方法；（3）掌握幾種基本的機(jī)器人處理控制器；（4）了解機(jī)器人控制的MATLAB仿真相關(guān)內(nèi)容及操作步驟。重點(diǎn)：掌握機(jī)器人底層控制相關(guān)方法，機(jī)器人處理器。難點(diǎn)：機(jī)器人仿真的基本方法。通過本模塊的學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠設(shè)計出合適的機(jī)器人底層控制算法，并學(xué)會據(jù)實(shí)際需要選用相應(yīng)的上層控制理論，同時提高對已有知識進(jìn)行高度概括與綜合并探究新知識的能力。1.采用問題驅(qū)動式，引入機(jī)器人底層控制方法；2.講解機(jī)器人的上層控制方法；3.采用歸納、對比，同時實(shí)物展示，講解機(jī)器人常用的處理控制器；24電路設(shè)計（1）理解機(jī)器人電源系統(tǒng)；（2）理解機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)；（3）掌握機(jī)器人常見電路；（4）掌握機(jī)器人中的串口通信。重點(diǎn)：掌握機(jī)器人中的電源系統(tǒng)，驅(qū)動器系統(tǒng)。難點(diǎn)：機(jī)器人驅(qū)動器的種類和用法，機(jī)器人中的常見電路用法。通過本模塊學(xué)習(xí)使學(xué)生學(xué)會機(jī)器人中各種硬件模塊的功能和基本使用，學(xué)會串口通信原理，能夠正確使用相關(guān)常見電路，形成理解和設(shè)計電路的工程素養(yǎng)。1.采用探究式教學(xué)，引入機(jī)器人不同的供電方式；2.采用問題式方法引導(dǎo)學(xué)生掌握驅(qū)動系統(tǒng)、常見電路的設(shè)計205傳感器（1）理解傳感器的概念和參數(shù)；（2）掌握測距傳感器、灰度傳感器、顏色傳感器相關(guān)原理及基本使用；（3）掌握視覺傳感器、慣性測量傳感器的應(yīng)用場合和基本使用方法。重點(diǎn)：傳感器的概念和種類；難點(diǎn)：各類傳感器的原理及使用方法。通過本模塊學(xué)習(xí)使學(xué)生學(xué)會模擬和數(shù)字傳感器的基本使用；能夠根據(jù)功能選用合適的傳感器，進(jìn)一步增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。1.采用問題驅(qū)動，引入傳感器的概念和參數(shù)；2.以應(yīng)用為牽引，引導(dǎo)學(xué)生理解各類傳感器的原理，掌握使用方法。406智能小車的設(shè)計與制作（1）理解STM32單片機(jī)開發(fā)板的基本原理及使用方法；（2）掌握STM32單片機(jī)I/O口的基本使用；I/O口控制舵機(jī)、電機(jī)、傳感器的基本方法；（3）掌握光電巡線小車的設(shè)計及制作。（4）掌握相關(guān)控制軟件的編寫。重點(diǎn)：掌握STM32單片機(jī)開發(fā)板的基本使用，掌握電機(jī)、舵機(jī)、傳感器的控制方法。難點(diǎn)：掌握光電巡線小車的設(shè)計方法。通過本模塊學(xué)習(xí)使學(xué)生學(xué)會STM32單片機(jī)的基本使用方法，能夠運(yùn)用I/O控制傳感設(shè)備及驅(qū)動設(shè)備，能夠獨(dú)立設(shè)計并制作完成光電輪式巡線小車，培養(yǎng)工程素養(yǎng)和信息素養(yǎng)。1.采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計光電巡線輪式小車；2.通過實(shí)踐掌握舵機(jī)、電機(jī)、傳感器的控制方法。0107仿人競速機(jī)器人的設(shè)計與制作（1）理解仿人競速機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)原理；（2）掌握多關(guān)節(jié)機(jī)器人自由度選擇、驅(qū)動方式確定、材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；（3）掌握仿人機(jī)器人系統(tǒng)硬件組成、軟件程序設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃方法；（4）掌握仿人機(jī)器人基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的組裝、主體的組裝方法；（5）理解并掌握系統(tǒng)硬件調(diào)試、系統(tǒng)軟件調(diào)試、機(jī)器人行走調(diào)試方法。（6）掌握步態(tài)控制算法的編寫。重點(diǎn)：掌握仿人競速機(jī)器人的設(shè)計方法。難點(diǎn)：掌握仿人機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃和控制方法；掌握步態(tài)穩(wěn)定性分析方法、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性的組裝方法。通過本模塊的學(xué)習(xí),使學(xué)生學(xué)會仿人競速機(jī)器人的設(shè)計及制作方法，能夠制作完成仿人競速機(jī)器人，提升學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試能力，同時進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新能力。1.采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計仿人競速機(jī)器人；2.通過實(shí)踐掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計、步態(tài)規(guī)劃、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。010小計1220四、考核評價采用形成性考核的考核方式，包括平時成績和實(shí)踐成績兩部分。平時成績占總成績的20％，包括平時作業(yè)和課堂表現(xiàn)，實(shí)踐成績占總成績的80％，包括兩個作品制作成績及相關(guān)研制報告撰寫成績兩部分，其中每個作品及研制報告占40%。五、教學(xué)條件（一）基本教材賈永興、許鳳慧、楊宇等，機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐，機(jī)械工業(yè)出版社，2022.（二）教學(xué)資源參考教材[1]陳萬米.機(jī)器人控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.[2]劉金坤.機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與MATLAB仿