《機(jī)器人建模技術(shù)》教學(xué)大綱

《機(jī)器人建模技術(shù)》教學(xué)大綱課程編號(hào)：13230433英文名稱：ModelingTechnologyofRobotSystem學(xué)分：2.0學(xué)時(shí)：總學(xué)時(shí)40學(xué)時(shí)，其中理論24學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、自動(dòng)控制原理、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程類別：專業(yè)拓展選修課授課對(duì)象：機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生教學(xué)單位：機(jī)械與電氣工程學(xué)院修讀學(xué)期：第6學(xué)期一、課程描述和目標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)建模技術(shù)是面向機(jī)器人工程專業(yè)的一門拓展選修課，本課程結(jié)合高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、自動(dòng)控制原理、機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科背景知識(shí)理解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的建立及性能指標(biāo)的分析方法，了解不同類型機(jī)器人的模型特性、建模方法、控制器設(shè)計(jì)及仿真平臺(tái)與環(huán)境。課程目標(biāo)1：通過對(duì)機(jī)器人的模型特性、建模方法、控制器設(shè)計(jì)等相關(guān)基本理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠完成機(jī)器人的系統(tǒng)模型、控制器等單元模塊的設(shè)計(jì)。課程目標(biāo)2：通過機(jī)器人仿真平臺(tái)與實(shí)踐的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠安全地開展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)并正確地采集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。課程目標(biāo)3：通過對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，學(xué)生能夠辯證吸收?qǐng)F(tuán)隊(duì)其他隊(duì)成員的意見和建議，組織、協(xié)調(diào)和指揮團(tuán)隊(duì)開展工作，通過不斷學(xué)習(xí)提高自身對(duì)未來機(jī)器人發(fā)展的判斷能力，適應(yīng)機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。二、課程目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)權(quán)重3.2能夠針對(duì)特定需求，完成感知、控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行等單元模塊的設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)1H4.3能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建軟硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，安全地開展實(shí)驗(yàn)并正確地采集、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；課程目標(biāo)2M9.3能夠辯證吸收?qǐng)F(tuán)隊(duì)其他隊(duì)成員的意見和建議，組織、協(xié)調(diào)和指揮團(tuán)隊(duì)開展工作。課程目標(biāo)3H（注：要求課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)支撐）三、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1、理論教學(xué)內(nèi)容序號(hào)教學(xué)內(nèi)容基本要求及重、難點(diǎn)（含德育要求）學(xué)時(shí)教學(xué)方式對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)緒論機(jī)器人建模技術(shù)及其發(fā)展情況、機(jī)器人仿真方法?；疽螅毫私鈾C(jī)器人建模技術(shù)及其發(fā)展情況，理解機(jī)器人仿真方法。重點(diǎn)難點(diǎn)：機(jī)器人仿真方法德育要求：愛國情懷、國家成就2集中講授1MATLAB基礎(chǔ)MATLAB基本操作、MATLAB基本運(yùn)算與函數(shù)、MATLAB繪圖、MATLAB程序設(shè)計(jì)?；疽螅豪斫釳ATLAB基本操作、基本運(yùn)算，掌握MATLAB繪圖，掌握MATLAB程序設(shè)計(jì)常用語句。重點(diǎn)難點(diǎn)：MATLAB繪圖，掌握MATLAB程序設(shè)計(jì)德育要求：工匠精神2集中講授、課堂演示1、2MATLAB數(shù)據(jù)分析與處理數(shù)據(jù)差值與擬合、數(shù)值微積分、常微分方程的求解?；疽螅豪斫鈹?shù)據(jù)差值與擬合的原理、了解數(shù)值微積分的原理，掌握常微分方程的求解。重點(diǎn)難點(diǎn)：數(shù)據(jù)差值與擬合，常微分方程的求解德育要求：星星之火可以燎原4集中講授、課堂演示1、2機(jī)器人數(shù)學(xué)建模機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模、MATLAB機(jī)器人工具箱建模與仿真?；疽螅赫莆諜C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)、理解機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模、應(yīng)用MATLAB機(jī)器人工具箱建模與仿真德育要求：安全意識(shí)。6集中講授、課堂演示1、2機(jī)器人PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械仿真模型、單關(guān)節(jié)機(jī)器人電氣仿真模型；PID控制器設(shè)計(jì)；MATLAB工具箱對(duì)單關(guān)節(jié)器人系統(tǒng)仿真?；疽螅豪斫鈫侮P(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械仿真模型、理解單關(guān)節(jié)機(jī)器人電氣仿真模型；掌握PID控制器設(shè)計(jì)；應(yīng)用MATLAB工具箱對(duì)單關(guān)節(jié)器人系統(tǒng)仿真。重點(diǎn)難點(diǎn)：PID控制器設(shè)計(jì)。德育要求：理論與實(shí)踐的辯證統(tǒng)一6集中講授1、3正逆運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)控制、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)、MATLAB機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的仿真?；疽螅豪斫鈾C(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)控制、理解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、理解機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)、應(yīng)用MATLAB機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的仿真。重點(diǎn)難點(diǎn)：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。德育教育：學(xué)習(xí)科學(xué)家雅可比的敬業(yè)精神4集中講授、課堂演示1、3合計(jì)242、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求學(xué)時(shí)類型對(duì)應(yīng)課程目標(biāo)1MATLAB基礎(chǔ)MATLAB基本操作、MATLAB基本運(yùn)算與函數(shù)、MATLAB繪圖、MATLAB程序設(shè)計(jì)。要求：必修2驗(yàn)證12MATLAB數(shù)據(jù)分析與處理結(jié)合實(shí)驗(yàn)1，利用MATLAB常用函數(shù)語句對(duì)機(jī)器人建模仿真過程中應(yīng)用到的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值與擬合、數(shù)值微積分、常微分方程的求解。要求：必修4驗(yàn)證1、23機(jī)器人數(shù)學(xué)建模結(jié)合實(shí)驗(yàn)2，利用MATLAB機(jī)器人工具箱和常用函數(shù)語句對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行仿真。要求：必修4驗(yàn)證1、34機(jī)器人PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)2和3，利用MATLAB機(jī)器人工具箱和常用函數(shù)語句對(duì)單關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)械仿真模型、單關(guān)節(jié)機(jī)器人電氣仿真模型、PID控制器進(jìn)行仿真。要求：必修4驗(yàn)證1、35拓展實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)1-4，利用MATLAB機(jī)器人工具箱和常用函數(shù)語句對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的仿真。要求：選修2綜合1、3合計(jì)16注：實(shí)驗(yàn)要求包括必修、選修；實(shí)驗(yàn)類型包括演示、驗(yàn)證、綜合、設(shè)計(jì)等。四、課程教學(xué)方法以課程目標(biāo)為導(dǎo)向，以MATLAB軟件為載體，與章節(jié)具體理論知識(shí)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)相匹配，課內(nèi)采用虛擬仿真與理論知識(shí)相結(jié)合的教學(xué)方式，課后要求學(xué)生利用仿真軟件和在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站資源對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行拓展或者舉一反三，采取教、學(xué)、做一體化的方法。理論學(xué)習(xí)：以集中講授為主，課堂演示為輔；實(shí)驗(yàn)教學(xué)：以集中指導(dǎo)為主，個(gè)別答疑為輔；課外學(xué)習(xí)方法：以課前預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)在線課程資源和課后作業(yè)為主，其他文獻(xiàn)資源學(xué)習(xí)為輔。五、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)和課程考核（一）考核方式及具體要求1.課程成績(jī)構(gòu)成與要求課程考核注重形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，考核內(nèi)容主要由平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、課程論文組成，均按百分制計(jì)分，其中平時(shí)作業(yè)成績(jī)占20%、實(shí)驗(yàn)成績(jī)占40%、課程論文成績(jī)占40%。2.課程目標(biāo)達(dá)成考核與評(píng)價(jià)序號(hào)教學(xué)環(huán)節(jié)課程目標(biāo)1（分值）課程目標(biāo)2（分值）課程目標(biāo)3（分值）合計(jì)1平時(shí)作業(yè)10100202實(shí)驗(yàn)成績(jī)20020403課程論文0100104綜合項(xiàng)目演示1002030課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)分值402040100（二）考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.平時(shí)成績(jī)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分值觀測(cè)點(diǎn)90-100分70-89分60-69分0-59分作業(yè)按時(shí)完成，90%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握到位。能夠利用MATLAB工具箱和常用函數(shù)語句較好的完成仿真任務(wù)。按時(shí)完成，70%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握較到位。利用MATLAB工具箱和常用函數(shù)語句能夠完成仿真任務(wù)。延時(shí)完成，60%以上的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握基本到位。利用MATLAB工具箱和常用函數(shù)語句基本能夠完成仿真任務(wù)。不交和補(bǔ)交，50%以下的作業(yè)內(nèi)容齊全，基本知識(shí)點(diǎn)理解、掌握有偏差。利用MATLAB工具箱和常用函數(shù)語句不能完成仿真任務(wù)。2.實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)成績(jī)能根據(jù)機(jī)器人建模實(shí)驗(yàn)要求自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，搭建系統(tǒng)并安全實(shí)驗(yàn)，有自己的設(shè)計(jì)理念。實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整，方案解析和結(jié)果分析有理有據(jù)。能根據(jù)機(jī)器人建模實(shí)驗(yàn)要求搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并安全實(shí)驗(yàn)，有一定的設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整，方案解析和結(jié)果分析基本到位。能根據(jù)機(jī)器人建模實(shí)驗(yàn)要求搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并安全實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新意識(shí)較差。實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本完整，方案解析和結(jié)果分析不準(zhǔn)確。不參與實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)過程存在安全隱患，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不交或內(nèi)容不完整，無方案解析、結(jié)果分析等內(nèi)容。課程論文格式規(guī)范，內(nèi)容主題明確。參考文獻(xiàn)格式符合文獻(xiàn)引用標(biāo)準(zhǔn)；能恰當(dāng)運(yùn)用自己的語言組織素材，對(duì)機(jī)器人建模相關(guān)論點(diǎn)能夠正確解析。格式基本規(guī)范，主題較為明確。參考文獻(xiàn)較為符合文獻(xiàn)引用格式；正文主題大部分運(yùn)用自己的語言組織素材，對(duì)機(jī)器人建模相關(guān)論點(diǎn)能夠解析。格式略規(guī)范，主題基本明確。參考文獻(xiàn)基本符合文獻(xiàn)引用標(biāo)準(zhǔn)；正文有部分摘抄，論點(diǎn)分析較清晰。格式不規(guī)范，論文結(jié)構(gòu)不完整，論點(diǎn)分析不清晰，參考文獻(xiàn)格式不完全符合引文標(biāo)準(zhǔn)。3.綜合項(xiàng)目演示考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)綜合項(xiàng)目演示能綜合應(yīng)用機(jī)器人建模理論知識(shí)和MATLAB實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并演示具有實(shí)際應(yīng)用背景的機(jī)器人模型，并能夠?qū)C(jī)器人模型進(jìn)行軌跡跟蹤、軌跡規(guī)劃等功能的演示。能綜合應(yīng)用機(jī)器人建模理論知識(shí)和MATLAB實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，基本能夠演示具有實(shí)際應(yīng)用背景的機(jī)器人模型，可以對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行軌跡跟蹤、軌跡規(guī)劃等功能進(jìn)行部分演示。基本能綜合應(yīng)用機(jī)器人建模理論知識(shí)和MATLAB實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以演示具有實(shí)際應(yīng)用背景的機(jī)器人模型。不能綜合應(yīng)用機(jī)器人建模理論知識(shí)和MATLAB實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不能對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行建立和演示。六、教材與參考書（一）推薦教材1．《MATLAB基礎(chǔ)與機(jī)器人學(xué)應(yīng)用》，石青，王化平，吳陽著，北京理工大學(xué)出版社，2020年6月版。2．《用MATLAB玩轉(zhuǎn)機(jī)器人》，戴鳳智，張鴻濤，康奇家著，化學(xué)工業(yè)出版社，2017年3月版。（二）參考資料1．《機(jī)器人建模與控制仿真（