《機(jī)器人控制技術(shù)》教學(xué)大綱

《機(jī)器人控制技術(shù)》課程教學(xué)大綱課程編碼：AL042140課程性質(zhì)：任意選修課適用專業(yè)：自動(dòng)化學(xué)時(shí)學(xué)分：32學(xué)時(shí)2學(xué)分所需先修課：檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、控制電機(jī)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、電氣控制與PLC一、課程說(shuō)明課程簡(jiǎn)介本課程是自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)選修課，是從機(jī)器人的基本概念入手，主要學(xué)習(xí)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)組成及信息捕獲、機(jī)器人上、下層控制系統(tǒng)工作原理及功能結(jié)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析、機(jī)器人對(duì)路徑規(guī)劃的算法設(shè)計(jì)等。該課程先修課程為檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、控制電機(jī)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、電氣控制與PLC等課程，為本課程的學(xué)習(xí)提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。本課程的開(kāi)設(shè)，使自動(dòng)化專業(yè)的本科生較好地掌握有關(guān)機(jī)器人的基本原理、基本理論和基本技術(shù)，掌握機(jī)器人系統(tǒng)的基本分析與控制方法，了解當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人控制的研究、應(yīng)用狀況以及發(fā)展趨勢(shì)，初步具備機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生分析和解決工程問(wèn)題的能力，同時(shí)為后續(xù)相關(guān)課程打下基礎(chǔ)。2．教學(xué)目標(biāo)要求1）掌握機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成、工作原理及其控制方法知識(shí)；2）提高學(xué)生分析和解決控制問(wèn)題的能力；

3）梳理溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，共同完成機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)任務(wù)；4）具有控制工程實(shí)踐素質(zhì)。3．教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：1）機(jī)器人定義及基本結(jié)構(gòu)組成；2）機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求、特點(diǎn)及分類；3）機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和了解；4）機(jī)器人硬件控制電路的結(jié)構(gòu)及組成；5）機(jī)器人檢測(cè)裝置的分類及相應(yīng)工作原理；6）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分的工作原理及控制電路設(shè)計(jì)；7）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析與建模；8）機(jī)器人路徑規(guī)劃控制原理。難點(diǎn)：1）機(jī)器人整體架構(gòu)設(shè)計(jì)原理；2）機(jī)器人控制器PID參數(shù)設(shè)計(jì)；3）機(jī)器人硬件控制電路的合理設(shè)計(jì)；4）機(jī)器人檢測(cè)終端工作原理；5）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確控制；6）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型分析；7）機(jī)器人行走路徑規(guī)劃模型。4．學(xué)時(shí)分配表次序教學(xué)內(nèi)容理論課學(xué)時(shí)數(shù)實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)數(shù)第一部分概況2第二部分機(jī)器人的本體2第三部分機(jī)器人的信息獲取6第四部分機(jī)器人的底層控制4第五部分機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析6第六部分機(jī)器人的路徑規(guī)劃4第七部分機(jī)器人的上層控制4實(shí)驗(yàn)一對(duì)機(jī)器人的認(rèn)知和理解2實(shí)驗(yàn)二機(jī)器人控制基礎(chǔ)2小計(jì)284總計(jì)325．主要教法、學(xué)法本課程以課堂講授為主，結(jié)合視頻資料學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)編程操作為輔的方式開(kāi)展教學(xué)，著重對(duì)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際以及解決實(shí)際工程問(wèn)題等方面的培養(yǎng)。課堂講授中重點(diǎn)對(duì)基本概念、基本方法和解題思路進(jìn)行講解。采用啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；實(shí)踐教學(xué)利用實(shí)驗(yàn)中心的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行機(jī)器人的拆裝及程序設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握初步的優(yōu)化問(wèn)題的解決方法。引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐和自學(xué)獲取知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。6．考核方式及標(biāo)準(zhǔn)1）考核目的：考核學(xué)生對(duì)機(jī)器人控制技術(shù)基本概念及理論知識(shí)的理解和掌握程度，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)機(jī)器人控制技術(shù)的洞察力和敏銳力，提高邏輯思維能力。2）考核形式：考查3）主要考核內(nèi)容：機(jī)器人基本概念和結(jié)構(gòu)組成；機(jī)器人控制系統(tǒng)工作原理；機(jī)器人控制系統(tǒng)常用檢測(cè)終端設(shè)備；機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置工作原理及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的種類；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間描述及坐標(biāo)變換；機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。4）考核題型：課程論文5）成績(jī)?cè)u(píng)定：考試成績(jī)占總成績(jī)的60%，其他（包括考勤、實(shí)驗(yàn)等）成績(jī)占總成績(jī)的40%。二、各部分教學(xué)綱要第一部分概況（2學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)了解機(jī)器人基本概念及發(fā)展概況；了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)域分類；熟悉機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求及控制主要內(nèi)容。本部分重點(diǎn)機(jī)器人概念、分類；機(jī)器人控制系統(tǒng)工作原理及內(nèi)容。本部分難點(diǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)工作原理。教學(xué)內(nèi)容1.機(jī)器人的定義及發(fā)展歷史2.機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與分類3.機(jī)器人控制的基本要求第二部分機(jī)器人的本體（2學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)掌握機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)組成及相關(guān)參數(shù)含義與設(shè)置方法。本部分重點(diǎn)掌握機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件組成；了解機(jī)器人電源系統(tǒng)工作原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本部分難點(diǎn)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)組成及工作原理。教學(xué)內(nèi)容1.機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)2.機(jī)器人的硬件3.機(jī)器人的電源系統(tǒng)4.機(jī)器人機(jī)械制作實(shí)例第三部分機(jī)器人的信息獲?。?學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)了解機(jī)器人常用傳感器類型及工作原理；熟悉傳感器使用方法及使用領(lǐng)域，熟悉其參數(shù)及型號(hào)；掌握數(shù)字信號(hào)濾波目的及原理；熟悉機(jī)器人視覺(jué)功能的工作原理。本部分重點(diǎn)機(jī)器人常規(guī)使用傳感器工作原理及型號(hào)、參數(shù)；數(shù)字信號(hào)濾波方法；機(jī)器人視覺(jué)功能實(shí)現(xiàn)手段。本部分難點(diǎn)數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)、機(jī)器人視覺(jué)功能流程設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容1.機(jī)器人的傳感器2.機(jī)器人的信息處理3.機(jī)器視覺(jué)第四部分機(jī)器人的底層控制（4學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)了解機(jī)器人底層控制手段及實(shí)現(xiàn)方法；掌握常規(guī)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作原理及驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型；掌握運(yùn)動(dòng)控制PID參數(shù)的設(shè)計(jì)。本部分重點(diǎn)熟悉機(jī)器人驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)、參數(shù)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路設(shè)計(jì)。本部分難點(diǎn)底層驅(qū)動(dòng)PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容1.電動(dòng)機(jī)的選擇與慣量計(jì)算2.典型驅(qū)動(dòng)PWM3.運(yùn)動(dòng)控制與PID4.智能PID參數(shù)整定5.機(jī)器人底層控制設(shè)計(jì)實(shí)例第五部分機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析（6學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)掌握建立世界坐標(biāo)系和手爪坐標(biāo)系的建立原則和方法、坐標(biāo)系變換方法；掌握機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)及位置運(yùn)動(dòng)方程建立；掌握機(jī)器人動(dòng)力學(xué)知識(shí)及動(dòng)力學(xué)方程建立。本部分重點(diǎn)坐標(biāo)系變換及轉(zhuǎn)換方法、機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程。本部分難點(diǎn)機(jī)器人坐標(biāo)變換方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)方程求解。教學(xué)內(nèi)容1.輪式機(jī)器人的空間描述和坐標(biāo)變換2.運(yùn)動(dòng)學(xué)建模3.動(dòng)力學(xué)建模4.舞動(dòng)的機(jī)器臂——工業(yè)機(jī)器人5.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立6.六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析實(shí)例第六部分機(jī)器人路徑規(guī)劃（4學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)掌握機(jī)器人路徑規(guī)劃的概念、原理和實(shí)現(xiàn)方法；了解智能路徑規(guī)劃的算法設(shè)計(jì)思路。本部分重點(diǎn)機(jī)器人路徑規(guī)劃基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。本部分難點(diǎn)智能路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)流程。教學(xué)內(nèi)容1.機(jī)器人路徑規(guī)劃方法2.智能規(guī)劃3.機(jī)器人路徑規(guī)劃改進(jìn)與實(shí)例第七部分機(jī)器人的上層控制（4學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)掌握機(jī)器人上層主控器工作原理及功能架構(gòu)設(shè)計(jì)。本部分重點(diǎn)機(jī)器人上層控制器設(shè)計(jì)。本部分難點(diǎn)機(jī)器人上層控制開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容1.機(jī)器人操作系統(tǒng)概述2.ROS的應(yīng)用舉例實(shí)驗(yàn)一對(duì)機(jī)器人的認(rèn)知和理解（2學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)通過(guò)參觀或觀看視頻資料，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人有一定程度的認(rèn)知和理解；掌握機(jī)器人主要功能、應(yīng)用場(chǎng)景及具體分類；能夠描述各類機(jī)器人的基本工作原理及特點(diǎn)。本部分重點(diǎn)深入理解機(jī)器人的外觀、尺寸、工作原理、適用場(chǎng)合等基本信息，歸納總結(jié)各種機(jī)器人工作原理的異同。本部分難點(diǎn)機(jī)器人內(nèi)部控制機(jī)制及工作原理。教學(xué)內(nèi)容1.參觀和學(xué)習(xí)機(jī)器人的工作過(guò)程及原理；2.繪制機(jī)器人結(jié)構(gòu)及功能原理圖。實(shí)驗(yàn)二機(jī)器人控制基礎(chǔ)（2學(xué)時(shí)）教學(xué)目標(biāo)掌握機(jī)器人的控制手段及實(shí)現(xiàn)方法；掌握常規(guī)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作原理及驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型；掌握運(yùn)動(dòng)控制PID參數(shù)的設(shè)計(jì)。本部分重點(diǎn)掌握機(jī)器人驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)、參數(shù)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路設(shè)計(jì)。本部分難點(diǎn)底層驅(qū)動(dòng)PID控制器參數(shù)設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容1.利用有限狀態(tài)機(jī)方法，繪制機(jī)器人控制系統(tǒng)工作流程圖；2.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)各部件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)電路工作原理。三、教材及教學(xué)資源