机器人控制技术与实践 课程标准-教学大纲

机器人控制技术与实践课程标准课程名称：机器人控制技术与实践英文名称：ControlTechnologyandPracticeofRobot总学时数：理论12学时，实践20学时学分：开课学期：第三学年秋季学期年月一、课程目标本课程是面向全校各专业本科学生的一门开放选修课程。通过本课程的教学，使学生理解机器人设计和制作相关的基本理论知识，掌握机器人控制所需的电路和程序设计知识，能够根据需求自主设计和制作小型机器人，以培养学生自主学习能力、科学思维能力、工程应用能力和创新能力，为后续岗位任职奠定所需的理论基础和技能基础。二、课程设计（一）思路理念机器人相关知识实践性强，有较广阔的工程背景。课程以提高学生的应用能力、创新能力和综合素质为目标，着眼于打牢学生的智能控制方面的信息素养和工程素养，以任务为牵引，紧密结合机器人硬件、软件及控制理论，引导学生自主完成机器人设计与制作，在传承知识的基础上，培养学生“学会学习、学会思考、学会实践、学会创新”。（二）内容设计机器人技术涵盖了多学科领域知识，在有限课时内尽可能使学生掌握机器人控制技术与实践的主体内容。课程教学包括理论讲授和实物制作，其中理论12学时，实践20学时。课程理论部分按照机器人控制技术与实践的基础知识和具体应用分为五个专题展开，包括：机器人绪论、机器人的结构系统设计、机器人控制系统、机器人中的电路设计、机器人中的传感器。课程实验部分包含光电巡线轮式小车的设计与制作和仿人竞速机器人的设计与制作。通过两种不同类型的机器人的设计与制作过程，提高学生创新力、理论联系实践能力，巩固相关知识。（三）方式方法针对课程涵盖知识面广、实践性强的特点，深入开展研讨式和任务驱动式等教学方法，坚持以学生为主体、教员为主导，从应用需求出发，引导学生通过发现问题、分析问题、学习新知识解决问题的过程，不断激发学生的潜能提高，提高学生的动手实践能力和创新能力。在教学手段上，采用“多媒体为主、板书予以补充强调、理论与实践紧密结合”的方式，强化课堂教学与自主学习相结合，充分调动学生学习的积极性和主动性。加强课外指导，依托学生科技创新活动，利用各种实践平台，鼓励学生开展机器人相关创新项目研究，增强自主学习兴趣。三、内容及实施要求序号模块主要内容与标准重难点内容目标要求方法手段理论学时实践学时备注1机器人绪论（1）理解机器人的主要组成和各部分功能；（2）理解机器人的关键技术；（3）理解机器人的应用。重点：机器人的主要组成；机器人的关键技术。难点：机器人各部件主要功能。通过本模块的学习，培养学生学习机器人相关技术的兴趣，具备简化分析复杂问题的能力。1.通过实物展示、演示和讲解，引出机器人的组成及各部分的功能；2.讲解机器人的关键技术。202结构系统设计（1）理解机械结构设计的基本参数；（2）掌握常用机械臂和行走机构的设计基础；（3）掌握solidwork软件绘制机械结构图的基础知识。重点：机器人的常用机械臂及行走机构。难点：机械结构设计的基本参数；常用行走机构的设计方法。通过本模块的学习使学生基本学会机械设计软件的使用，能够自主设计机器人的主体机械结构、行走机构和机械臂等常用结构，有效提升实践动手能力。1.采用探究式教学，通过研究几种不同机器人的结构特点，培养学生对新知识的发现和研究能力；2.讲解常用机械结构的特点，引导学生掌握结构设计方法；3.教学过程中，适时采用多媒体手段和电子电路仿真软件辅助教学。203控制系统（1）理解机器人底层硬件相关的控制原理；（2）掌握机器人路径规划、多机器人协作、足式机器人步态控制等上层控制方法；（3）掌握几种基本的机器人处理控制器；（4）了解机器人控制的MATLAB仿真相关内容及操作步骤。重点：掌握机器人底层控制相关方法，机器人处理器。难点：机器人仿真的基本方法。通过本模块的学习使学生能够设计出合适的机器人底层控制算法，并学会据实际需要选用相应的上层控制理论，同时提高对已有知识进行高度概括与综合并探究新知识的能力。1.采用问题驱动式，引入机器人底层控制方法；2.讲解机器人的上层控制方法；3.采用归纳、对比，同时实物展示，讲解机器人常用的处理控制器；24电路设计（1）理解机器人电源系统；（2）理解机器人驱动系统；（3）掌握机器人常见电路；（4）掌握机器人中的串口通信。重点：掌握机器人中的电源系统，驱动器系统。难点：机器人驱动器的种类和用法，机器人中的常见电路用法。通过本模块学习使学生学会机器人中各种硬件模块的功能和基本使用，学会串口通信原理，能够正确使用相关常见电路，形成理解和设计电路的工程素养。1.采用探究式教学，引入机器人不同的供电方式；2.采用问题式方法引导学生掌握驱动系统、常见电路的设计205传感器（1）理解传感器的概念和参数；（2）掌握测距传感器、灰度传感器、颜色传感器相关原理及基本使用；（3）掌握视觉传感器、惯性测量传感器的应用场合和基本使用方法。重点：传感器的概念和种类；难点：各类传感器的原理及使用方法。通过本模块学习使学生学会模拟和数字传感器的基本使用；能够根据功能选用合适的传感器，进一步增强理论联系实际的能力。1.采用问题驱动，引入传感器的概念和参数；2.以应用为牵引，引导学生理解各类传感器的原理，掌握使用方法。406智能小车的设计与制作（1）理解STM32单片机开发板的基本原理及使用方法；（2）掌握STM32单片机I/O口的基本使用；I/O口控制舵机、电机、传感器的基本方法；（3）掌握光电巡线小车的设计及制作。（4）掌握相关控制软件的编写。重点：掌握STM32单片机开发板的基本使用，掌握电机、舵机、传感器的控制方法。难点：掌握光电巡线小车的设计方法。通过本模块学习使学生学会STM32单片机的基本使用方法，能够运用I/O控制传感设备及驱动设备，能够独立设计并制作完成光电轮式巡线小车，培养工程素养和信息素养。1.采用启发式教学，引导学生设计光电巡线轮式小车；2.通过实践掌握舵机、电机、传感器的控制方法。0107仿人竞速机器人的设计与制作（1）理解仿人竞速机器人的基本结构原理；（2）掌握多关节机器人自由度选择、驱动方式确定、材料选择与结构设计方法；（3）掌握仿人机器人系统硬件组成、软件程序设计、步态规划方法；（4）掌握仿人机器人基础结构件的组装、主体的组装方法；（5）理解并掌握系统硬件调试、系统软件调试、机器人行走调试方法。（6）掌握步态控制算法的编写。重点：掌握仿人竞速机器人的设计方法。难点：掌握仿人机器人结构设计、步态规划和控制方法；掌握步态稳定性分析方法、基础结构性的组装方法。通过本模块的学习,使学生学会仿人竞速机器人的设计及制作方法，能够制作完成仿人竞速机器人，提升学生系统设计、系统调试能力，同时进一步培养学生实践动手能力、创新能力。1.采用启发式教学，引导学生设计仿人竞速机器人；2.通过实践掌握结构设计、步态规划、稳定性、结构设计的方法。010小计1220四、考核评价采用形成性考核的考核方式，包括平时成绩和实践成绩两部分。平时成绩占总成绩的20％，包括平时作业和课堂表现，实践成绩占总成绩的80％，包括两个作品制作成绩及相关研制报告撰写成绩两部分，其中每个作品及研制报告占40%。五、教学条件（一）基本教材贾永兴、许凤慧、杨宇等，机器人控制技术与实践，机械工业出版社，2022.（二）教学资源参考教材[1]陈万米.机器人控制技术.北京：机械工业出版社，2017.[2]刘金坤.机器人控制系统的设计与MATLAB仿