《機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制》教學(xué)大綱

《機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22140121課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時：48學(xué)時（理論48學(xué)時）先修課程：大學(xué)物理、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)后續(xù)課程：機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)適用專業(yè)：機(jī)器人工程專業(yè)開課單位：智能工程學(xué)院一、課程說明《機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制》是機(jī)器人工程專業(yè)必修的一門專業(yè)必修課。本課程主要講授電動機(jī)的基本原理、調(diào)速方法、位置伺服控制理論以及在機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動中的應(yīng)用等。本課程注重基本理論知識的深入學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，為學(xué)習(xí)其他相關(guān)課程以及從事相關(guān)技術(shù)工作打下良好的理論基礎(chǔ)。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：掌握直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等常見電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理及常規(guī)使用方法。課程目標(biāo)2：理解交直流調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)、仿真建模方法和控制策略；熟悉多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動的基本控制理論，以及以電動機(jī)為驅(qū)動元件的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)、仿真、分析和設(shè)計方法。課程目標(biāo)3：熟悉運(yùn)動控制器及相關(guān)工具的使用方法；了解我國相關(guān)技術(shù)和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、理解相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識、工匠精神、愛國情懷和勞動熱情。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制》課程教學(xué)目標(biāo)對機(jī)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(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度1.工程知識1.3掌握信號處理、控制理論、機(jī)器人工程等專業(yè)理論知識，用于解決分析機(jī)器人工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)1：掌握直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等常見電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)組成、工作原理及常規(guī)使用方法。課程目標(biāo)2：理解交直流調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)、仿真建模方法和控制策略；熟悉多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動的基本控制理論，以及以電動機(jī)為驅(qū)動元件的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)、仿真、分析和設(shè)計方法。M3.設(shè)計/開發(fā)解決方案3.3能夠通過單元集成和優(yōu)化，進(jìn)行機(jī)械電子結(jié)構(gòu)、智能算法、系統(tǒng)集成等部件的應(yīng)用與設(shè)計。課程目標(biāo)2：理解交流直流調(diào)速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)、仿真建模方法和控制策略；熟悉多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動的基本控制理論，以及以電動機(jī)為驅(qū)動元件的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)、仿真、分析和設(shè)計方法。H5.使用現(xiàn)代工具5.1能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對復(fù)雜機(jī)械工程問題進(jìn)行測繪、分析與計算，并理解其局限性。課程目標(biāo)3：熟悉運(yùn)動控制器、驅(qū)動器及相關(guān)工具的使用方法；了解我國相關(guān)技術(shù)和行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、理解相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識、工匠精神、愛國情懷和勞動熱情。M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(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制系統(tǒng)概述1.1機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的主要組成、特點(diǎn)與基本性能指標(biāo)1.2機(jī)器人常見驅(qū)動類型、傳動機(jī)構(gòu)與發(fā)展趨勢1.3機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的機(jī)電傳動力學(xué)思政1：潛心服務(wù)國家高鐵，助力國之重器昆侖號研發(fā)——走進(jìn)我校電液伺服科研團(tuán)隊教學(xué)要求：熟悉機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)與基本性能指標(biāo)；熟悉機(jī)器人常見驅(qū)動類型與傳動機(jī)構(gòu)；掌握簡單的機(jī)電傳動力學(xué)。重點(diǎn)：機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)；機(jī)器人常見驅(qū)動類型與機(jī)構(gòu)、機(jī)電傳動力學(xué)。難點(diǎn)：機(jī)電傳動力學(xué)。42、32.直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)2.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理2.2直流電機(jī)的機(jī)械特性2.3直流電機(jī)的啟動、制動與調(diào)速方法2.4PWM原理與直流電機(jī)驅(qū)動技術(shù)2.5直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)要求、性能指標(biāo)與控制策略2.6以直流電機(jī)為執(zhí)行元件的單關(guān)節(jié)機(jī)器人驅(qū)動模型與控制2.7直流伺服電機(jī)在機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用思政2：中國電機(jī)工業(yè)發(fā)展史——百年回顧教學(xué)要求：了解直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、熟悉直流電機(jī)的工作原理；

掌握直流電機(jī)的機(jī)械特性、啟動、制動與調(diào)速方法；掌握PWM原理、熟悉直流電機(jī)驅(qū)動技術(shù)；理解直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與控制策略；熟悉以電動機(jī)為執(zhí)行元件的單關(guān)節(jié)機(jī)器人驅(qū)動模型與控制；熟悉直流伺服電機(jī)在機(jī)器人驅(qū)動與運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。重點(diǎn)：直流電機(jī)的機(jī)械特性、啟動、制動與調(diào)速方法；PWM原理與直流電機(jī)驅(qū)動技術(shù)；調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)與控制策略；以直流電機(jī)為執(zhí)行元件的單關(guān)節(jié)機(jī)器人驅(qū)動模型與控制。難點(diǎn)：直流電機(jī)的啟動、制動與調(diào)速；調(diào)速系統(tǒng)的控制策略；以直流電機(jī)為執(zhí)行元件的單關(guān)節(jié)機(jī)器人驅(qū)動模型與控制。161、23.交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)3.1交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與工作原理3.2交流異步電動機(jī)的等效電路分析3.3交流異步電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速方法3.4交流異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速方法、SPWM原理與應(yīng)用3.5通用變頻器的使用3.6交流伺服電機(jī)在機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用思政3：中國電機(jī)之父——鐘兆琳教學(xué)要求：掌握交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與工作原理；熟悉異步電機(jī)的等效電路；掌握交流異步電機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速方法；掌握交流異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速方法；掌握SPWM原理；熟悉通用變頻器、交流伺服電機(jī)的使用方法。重點(diǎn)：交流異步電機(jī)的工作原理、機(jī)械特性和調(diào)速方法；交流異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速方法；SPWM原理與應(yīng)用；通用變頻器及交流伺服電機(jī)的使用方法。難點(diǎn)：交流異步電機(jī)的工作原理、等效電路分析；交流異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速、SPWM原理。101、24.同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)4.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性4.2他控變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)4.3三相永磁無刷直流電動機(jī)及控制系統(tǒng)思政元素：超大功率永磁同步電機(jī)首次應(yīng)用教學(xué)要求：掌握同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性；熟悉他控同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成；掌握三相永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及控制系統(tǒng)組成。重點(diǎn)：同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性；三相永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及控制系統(tǒng)組成。難點(diǎn)：同步電機(jī)工作原理及運(yùn)行特性。61、25.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)5.1步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理5.2步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用思政4：團(tuán)隊精神與創(chuàng)新——中國機(jī)器人大賽參賽之路教學(xué)要求：掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理；掌握步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。重點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用。難點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的工作原理。41、26.機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制6.1位置隨動系統(tǒng)6.2插補(bǔ)算法在機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用6.3多項(xiàng)式插值算法在機(jī)器人軌跡控制中的應(yīng)用思政5：華中9型新一代智能數(shù)控系統(tǒng)亮相教學(xué)要求：掌握位置隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；掌握插補(bǔ)算法在機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用；掌握項(xiàng)式插值算法在機(jī)器人軌跡控制中的應(yīng)用方法。重點(diǎn)：插補(bǔ)算法在機(jī)器人多軸協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用；多項(xiàng)式插值算法在機(jī)器人軌跡控制中的應(yīng)用。難點(diǎn)：多項(xiàng)式插值算法在機(jī)器人軌跡控制中的應(yīng)用。42、37.數(shù)字式運(yùn)動控制系統(tǒng)7.1數(shù)字式運(yùn)動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成7.2數(shù)字式測速與濾波方法7.3數(shù)字式PID原理與應(yīng)用7.4通用性運(yùn)動控制卡、運(yùn)動控制器的應(yīng)用思政6：浙大中控：為中國工業(yè)安裝優(yōu)良“心臟”教學(xué)要求：熟悉數(shù)字式運(yùn)動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成；掌握數(shù)字式測速方法與濾波方法；掌握數(shù)字式PID原理與應(yīng)用；熟悉通用性運(yùn)動控制卡、運(yùn)動控制器的應(yīng)用。重點(diǎn)：數(shù)字式測速方法與濾波、數(shù)字式PID原理與應(yīng)用。難點(diǎn)：數(shù)字式PID原理與應(yīng)用。42、3合計48五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，教學(xué)過程適當(dāng)引入啟發(fā)式和討論式教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、分析問題和解決問題的能力；教學(xué)過程中注重過程性考核，適當(dāng)設(shè)置開放性、探索性小組任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊合作意識；課程以“少而精”為原則，精選教學(xué)內(nèi)容，精講多練，同時提供靈活豐富的線上學(xué)習(xí)資源。六、課程資源1.推薦教材：（1）吳貴文.運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2022.2.參考書：（1）陳勝利.運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社.2022.（2）阮毅.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第5版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2021.（3）哈肯·基洛卡.工業(yè)運(yùn)動控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2018.（4）王斌銳.運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2020.（5）曾毅.運(yùn)動控制系統(tǒng)工程[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2015.3.期刊：（1）馮霞,劉萍.逆運(yùn)動學(xué)與誤差補(bǔ)償?shù)奶摂M人運(yùn)動控制研究[J].計算機(jī)仿真,2021,38(09):390-394.（2）崔建一,李福朋,雷賀龍等.PLC技術(shù)在輕工領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)動控制的特點(diǎn)與發(fā)展[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2021,57(08):185-186.DOI:10.16107/ki.mmte.2021.0674.（3）張?zhí)煊?彭憶強(qiáng),黃曉蓉等.腳輪式全向移動平臺的運(yùn)動控制設(shè)計與仿真[J].中國測試,2021,47(07):109-118+124.（4）時存,王瑩,車玉秋.自主移動機(jī)器人運(yùn)動控制與協(xié)調(diào)[J].決策探索(中),2020(12):57-58.（5）余暕浩.工業(yè)機(jī)器人智能運(yùn)動控制方法的分析與研究[J].中國設(shè)備工程,2020(22):25-26.（6）林宗德,陳文,林新英.基于三菱QD75的兩軸運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2020,16(04):71-74.DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2020.04.015.（7）樸圣艮.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制研究[J].農(nóng)家參謀,2019(24):155.（8）林森,于寧.雙軸轉(zhuǎn)臺運(yùn)動控制系統(tǒng)[J].中國科技信息,2018(24):91-92.（9）牟海榮.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動控制分析與研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2018(23):115-117.（10）楊生斌,劉振方,宋春旺等.直流與交流運(yùn)動控制系統(tǒng)對比研究——基于海洋石油鉆井工藝[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,2017,04(06):57-61.DOI:10.14103/j.issn.2095-8412.2017.06.014.（11）HongchulKim,YoungJuneShin;JungKim;Designandlocomotioncontrolofahydrauliclowerextremityexoskeletonformobilityaugmentation[J],BMCMusculoskeletalDisorders,2015(16).4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）裝備自動化工程設(shè)計與實(shí)踐./courses/course-v1:NPUX+20180702+sp/about.（2）電機(jī)與拖動./course/AYIT-1001794001.七、課程考核對課程目標(biāo)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(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表3。表3課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)8（1）根據(jù)課堂互動等各種課堂活動的參與情況進(jìn)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?32階段測驗(yàn)16（1）根據(jù)每次測驗(yàn)完成情況單獨(dú)評分，滿分100分；（2）每次測驗(yàn)單獨(dú)評分，取各次測驗(yàn)成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以測驗(yàn)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?72作業(yè)16（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分。（2）每次作業(yè)單獨(dú)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?！獭獭?72期末考核60（1）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）主要考核常見電機(jī)的工作原理、特性、調(diào)速方法以及運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制理論和在機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用。（3）考試題型為：單項(xiàng)選擇題、填空題、簡答題、判斷題、綜合計算題等?！獭獭?52510合計：100分424216八、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)、階段測驗(yàn)、作業(yè)、期末考試等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型為單項(xiàng)選擇題、填空題、判斷題、簡答題、綜合計算題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、階段測驗(yàn)、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(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表4。表4過程性考核方式評價標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)20積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，多次累計平