《機器人控制系統(tǒng)仿真》教學(xué)大綱

《機器人控制系統(tǒng)仿真》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22150061課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時（理論24學(xué)時，實驗8學(xué)時）先修課程：機器人工程學(xué)、機器人驅(qū)動與運動控制、自動控制原理A等后續(xù)課程：機器人控制理論、智能機器人適用專業(yè)：機器人工程專業(yè)開課單位：智能工程學(xué)院一、課程說明《機器人控制系統(tǒng)仿真》是機器人工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課。本課程主要是學(xué)習(xí)機器人控制系統(tǒng)仿真的原理、方法和特點，以及仿真軟件MATLAB（含Simulink）的典型建模方法。本課程注重MATLAB仿真軟件的基本使用操作，強調(diào)使用數(shù)學(xué)建模的方法將機器人控制系統(tǒng)模型化，培養(yǎng)學(xué)生使用仿真建模的方法去解決生產(chǎn)實際中的問題能力。二、課程目標通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標：課程目標1：掌握仿真軟件MATLAB的基本操作方法，掌握機器人控制系統(tǒng)的一般分析方法。課程目標2：能夠?qū)τ谳^復(fù)雜的機器人控制系統(tǒng)建立其數(shù)學(xué)模型，并能夠設(shè)計PID控制器優(yōu)化其控制性能；培養(yǎng)學(xué)生不怕困難，勇于迎接挑戰(zhàn)的科學(xué)精神。課程目標3：能夠熟練使用MATLAB仿真軟件，同時能夠?qū)τ诤唵蔚臋C器人控制系統(tǒng)建立其數(shù)學(xué)模型，并進行仿真分析，求解。課程思政：夾縫求生，中國機器人的艱難發(fā)展歷程和最新突破三、課程目標與畢業(yè)要求《機器人控制系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)目標對機器人工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識:具有從事機器人工程領(lǐng)域所需的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并能夠綜合應(yīng)用這些知識解決機器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題。1．1掌握機器人工程領(lǐng)域所需數(shù)學(xué)、自然科學(xué)知識，具備理解和表述復(fù)雜工程的計算和分析能力。課程目標1：掌握仿真軟件MATLAB的基本操作方法，掌握機器人控制系統(tǒng)的一般分析方法。M2.問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，針對機器人工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，通過查閱文獻資料進行識別、表達和研究分析，掌握對象特性，以獲得有效結(jié)論。2．2應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理等方法和專業(yè)知識，能夠?qū)C器人工程類復(fù)雜問題進行建模。課程目標2：能夠?qū)τ谳^復(fù)雜的機器人控制系統(tǒng)建立其數(shù)學(xué)模型，并能夠設(shè)計PID控制器優(yōu)化其控制性能；培養(yǎng)學(xué)生不怕困難，勇于迎接挑戰(zhàn)的科學(xué)精神。M5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對機器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。5．2能夠運用MATLAB、Proteus、PLC、ROS等工具對機器人領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進行設(shè)計、開發(fā)和仿真分析，并理解其局限性。課程目標3：能夠熟練使用MATLAB仿真軟件，同時能夠?qū)τ诤唵蔚臋C器人控制系統(tǒng)建立其數(shù)學(xué)模型，并進行仿真分析，求解。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.MATLAB應(yīng)用基礎(chǔ)1.1機器人控制系統(tǒng)簡介1.2MATLAB簡介1.3MATLAB基本使用方法思政1：從北理工華匯雙足機器人看中國科技崛起思政2：“木牛流馬”—古人的機器人雛形教學(xué)要求：了解機器人控制系統(tǒng)發(fā)展；認識機器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；熟悉MATLAB的操作界面，并了解其常用的工具箱；掌握在MATLAB中數(shù)值運算、符號運算、控制語句以及繪圖功能。重點：常用的控制語句、數(shù)值運算、符號運算。難點：能夠選取合適的控制方式；掌握常用的控制語句以及繪圖功能。621、32.基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)建模與仿真2.1Simulink模塊庫2.2Simulink基本操作2.3Simulink建模與仿真教學(xué)要求：理解掌握Simulink的窗口功能；掌握控制系統(tǒng)模型的建立及仿真。重點：常用的模塊使用方法、控制系統(tǒng)的建模與仿真。難點：控制系統(tǒng)的建模與仿真。621、23.建立SCARA機器人動力學(xué)數(shù)學(xué)模型并實現(xiàn)仿真3.1分析機器人運動學(xué)3.2分析機器人動力學(xué)3.3規(guī)劃機器人運動軌跡思政3：分析問題，解決問題，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，加強職業(yè)道德和職業(yè)規(guī)范教育教學(xué)要求：運用機器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識和SCARA機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行運動學(xué)分析并實現(xiàn)仿真；利用動力學(xué)方程推導(dǎo)SCARA機器人的動力學(xué)方程并實現(xiàn)仿真；掌握機器人運動軌跡的規(guī)劃。重點：掌握數(shù)學(xué)模型的建立方法、實現(xiàn)matlab仿真。難點：仿真SCARA機器人運動學(xué)；仿真SCARA機器人動力學(xué)；規(guī)劃機器人運動軌跡。821、2、34.建立機器人控制系統(tǒng)模型4.1設(shè)計運動軌跡4.2建立動力學(xué)模型4.3建立完整的控制系統(tǒng)模型思政4：帶領(lǐng)學(xué)生逐步思考分析問題，引導(dǎo)學(xué)生不畏困難、精益求精的工匠精神，樹立科技強國的責(zé)任感和使命感教學(xué)要求：設(shè)計SCARA機器人整套控制仿真方案，包括軌跡的設(shè)計、電機模型的建立、PID控制模型的建立、動力學(xué)模型的建立以及腕部解耦模型的建立。重點：建立電機模型，建立PID控制模型。難點：通過第三章利用Simulink建立的各個模塊模型，建立完整的SCARA機器人的控制系統(tǒng)模型。421、2、3合計2482.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.MATLAB的基本操作和基本運算實驗內(nèi)容：練習(xí)MATLAB的命令的基本操作。實驗要求：練習(xí)數(shù)值的基本運算操作、m文件的基本操作以及簡單的繪圖操作。21、32.Simulink仿真環(huán)境及模型的建立實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)如何用Simulink仿真工具建模。實驗要求：在Simulink仿真環(huán)境中建立模型22、33.控制系統(tǒng)的時域、頻域分析法實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)MATLAB/Simulink在時域、頻域分析的實現(xiàn)。實驗要求：掌握控制系統(tǒng)的時域、頻域響應(yīng)及性能指標。22、34.機器人控制系統(tǒng)PID控制器設(shè)計實驗內(nèi)容：對機器人控制系統(tǒng)進行PID控制器設(shè)計實驗要求：設(shè)計PID控制器，并了解P、I、D三種控制作用對系統(tǒng)性能的影響22、3合計8五、教學(xué)方法及手段課程教學(xué)以課堂講授為主，結(jié)合實驗、作業(yè)、慕課、學(xué)習(xí)通資源，配合多媒體課件等完成堂授課內(nèi)容。采用E-mail、QQ、微信等交流工具，加強和學(xué)生之間的交流和溝通。本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、MATLAB仿真軟件的演示、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。在學(xué)生基本掌握仿真軟件MATLAB的基礎(chǔ)之上，具有對機器人控制系統(tǒng)進行仿真的能力。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過任務(wù)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生對仿真軟件MATLAB的基本操作能力及相應(yīng)的分析能力。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。六、課程資源1.推薦教材：（1）張聚著.《基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真及應(yīng)用》（第二版）[M].北京:電子工業(yè)出版社.2018。2.參考書：（1）劉金琨著.《機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與MATLAB仿真》[M].北京:清華大學(xué)出版社.2008.6.（2）徐保國等編著.《MATLAB/Simulink實用教程》[M].北京:清華大學(xué)出版社.2017.10.（3）李獻等編著.《MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真》[M].北京:清華大學(xué)出版社.2017.8.3.期刊：（1）向文韜,陳緒兵,戴耀南.利用MATLAB與ADAMS對6R機器人控制系統(tǒng)仿真.機床與液壓[J].2020,48(23):19-22.（2）彭建盛,李興,秦志強,等.智能機器人仿真系統(tǒng)設(shè)計.計算機仿真[J].2013,30(05):358-361.（3）胡峰,駱德淵,雷霆,等.基于Simulink/SimMechanics的三自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)仿真.自動化與儀器儀表[J].2012,(05):221-223.（4）孫增圻.機器人系統(tǒng)仿真及應(yīng)用.系統(tǒng)仿真學(xué)報[J].1995,(03):23-29.（5）DuYongZhong,PingXueLiang,ChenLuGang,XuWeiBin.MotionControlofWeldingRobotBasedonADAMSandACR-9000[J].AdvancedMaterialsResearch.2012(542)4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）/?s_tid=gn_logoMathWorks官網(wǎng)（2）/中國機器人網(wǎng).七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?42實驗20（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?105作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭?5期末考核60（1）期末考核以課程大作業(yè)的方式提交，大作業(yè)卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核學(xué)生運用MATALB軟件對機器人控制系統(tǒng)進行綜合分析的能力。（3）大作業(yè)題型為：綜合分析題√√√252510合計：100分394417八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、期末考試等方式對學(xué)生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┐笞鳂I(yè)和過程性考核成績組成。其中：期末大作業(yè)成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），大作業(yè)類型為綜合分析題；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)25積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。認真參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于80%。偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于70%。上課不認真，偶爾參與教學(xué)活動。上課不認真，不參與教學(xué)活動。作業(yè)25作業(yè)完整，思路清晰，準確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)2次以內(nèi)