《机器人建模技术》教学大纲

《机器人建模技术》教学大纲课程编号：13230433英文名称：ModelingTechnologyofRobotSystem学分：2.0学时：总学时40学时，其中理论24学时，实践16学时先修课程：高等数学、线性代数、自动控制原理、机器人技术基础课程类别：专业拓展选修课授课对象：机器人工程专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第6学期一、课程描述和目标机器人系统建模技术是面向机器人工程专业的一门拓展选修课，本课程结合高等数学、线性代数、自动控制原理、机器人技术及应用，培养学生综合运用多学科背景知识理解机器人运动模型的建立及性能指标的分析方法，了解不同类型机器人的模型特性、建模方法、控制器设计及仿真平台与环境。课程目标1：通过对机器人的模型特性、建模方法、控制器设计等相关基本理论的学习，学生能够完成机器人的系统模型、控制器等单元模块的设计。课程目标2：通过机器人仿真平台与实践的学习，学生能够安全地开展机器人实验并正确地采集、整理实验数据。课程目标3：通过对机器人系统的理论设计和仿真验证，学生能够辩证吸收团队其他队成员的意见和建议，组织、协调和指挥团队开展工作，通过不断学习提高自身对未来机器人发展的判断能力，适应机器人相关领域的发展。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重3.2能够针对特定需求，完成感知、控制、驱动、执行等单元模块的设计；课程目标1H4.3能够根据实验方案构建软硬件实验系统，安全地开展实验并正确地采集、整理实验数据；课程目标2M9.3能够辩证吸收团队其他队成员的意见和建议，组织、协调和指挥团队开展工作。课程目标3H（注：要求课程目标与毕业要求指标点应是一一对应支撑）三、教学内容、基本要求与学时分配1、理论教学内容序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标绪论机器人建模技术及其发展情况、机器人仿真方法。基本要求：了解机器人建模技术及其发展情况，理解机器人仿真方法。重点难点：机器人仿真方法德育要求：爱国情怀、国家成就2集中讲授1MATLAB基础MATLAB基本操作、MATLAB基本运算与函数、MATLAB绘图、MATLAB程序设计。基本要求：理解MATLAB基本操作、基本运算，掌握MATLAB绘图，掌握MATLAB程序设计常用语句。重点难点：MATLAB绘图，掌握MATLAB程序设计德育要求：工匠精神2集中讲授、课堂演示1、2MATLAB数据分析与处理数据差值与拟合、数值微积分、常微分方程的求解。基本要求：理解数据差值与拟合的原理、了解数值微积分的原理，掌握常微分方程的求解。重点难点：数据差值与拟合，常微分方程的求解德育要求：星星之火可以燎原4集中讲授、课堂演示1、2机器人数学建模机器人的运动轨迹的设计、机器人的机械结构数学建模、MATLAB机器人工具箱建模与仿真。基本要求：掌握机器人的运动轨迹的设计、理解机器人的机械结构数学建模、应用MATLAB机器人工具箱建模与仿真德育要求：安全意识。6集中讲授、课堂演示1、2机器人PID控制系统设计单关节机器人机械仿真模型、单关节机器人电气仿真模型；PID控制器设计；MATLAB工具箱对单关节器人系统仿真。基本要求：理解单关节机器人机械仿真模型、理解单关节机器人电气仿真模型；掌握PID控制器设计；应用MATLAB工具箱对单关节器人系统仿真。重点难点：PID控制器设计。德育要求：理论与实践的辩证统一6集中讲授1、3正逆运动控制机器人机器人的正运动学控制、机器人的运动轨迹规划、机器人的逆运动学基础、MATLAB机器人运动轨迹规划的仿真。基本要求：理解机器人的正运动学控制、理解机器人的运动轨迹规划、理解机器人的逆运动学基础、应用MATLAB机器人运动轨迹规划的仿真。重点难点：机器人运动轨迹规划。德育教育：学习科学家雅可比的敬业精神4集中讲授、课堂演示1、3合计242、实验教学内容序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1MATLAB基础MATLAB基本操作、MATLAB基本运算与函数、MATLAB绘图、MATLAB程序设计。要求：必修2验证12MATLAB数据分析与处理结合实验1，利用MATLAB常用函数语句对机器人建模仿真过程中应用到的数据进行差值与拟合、数值微积分、常微分方程的求解。要求：必修4验证1、23机器人数学建模结合实验2，利用MATLAB机器人工具箱和常用函数语句对机器人的运动轨迹的设计、机器人的机械结构数学建模进行仿真。要求：必修4验证1、34机器人PID控制系统设计结合实验2和3，利用MATLAB机器人工具箱和常用函数语句对单关节机器人机械仿真模型、单关节机器人电气仿真模型、PID控制器进行仿真。要求：必修4验证1、35拓展实验结合实验1-4，利用MATLAB机器人工具箱和常用函数语句对机器人的运动轨迹跟踪的仿真。要求：选修2综合1、3合计16注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括演示、验证、综合、设计等。四、课程教学方法以课程目标为导向，以MATLAB软件为载体，与章节具体理论知识点的实现相匹配，课内采用虚拟仿真与理论知识相结合的教学方式，课后要求学生利用仿真软件和在线学习网站资源对项目任务进行拓展或者举一反三，采取教、学、做一体化的方法。理论学习：以集中讲授为主，课堂演示为辅；实验教学：以集中指导为主，个别答疑为辅；课外学习方法：以课前预习、学习在线课程资源和课后作业为主，其他文献资源学习为辅。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由平时作业、实验成绩、课程论文组成，均按百分制计分，其中平时作业成绩占20%、实验成绩占40%、课程论文成绩占40%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1平时作业10100202实验成绩20020403课程论文0100104综合项目演示1002030课程目标对应分值402040100（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准分值观测点90-100分70-89分60-69分0-59分作业按时完成，90%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握到位。能够利用MATLAB工具箱和常用函数语句较好的完成仿真任务。按时完成，70%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握较到位。利用MATLAB工具箱和常用函数语句能够完成仿真任务。延时完成，60%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握基本到位。利用MATLAB工具箱和常用函数语句基本能够完成仿真任务。不交和补交，50%以下的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握有偏差。利用MATLAB工具箱和常用函数语句不能完成仿真任务。2.实验成绩考核与评价标准实验成绩能根据机器人建模实验要求自主设计实验方案，搭建系统并安全实验，有自己的设计理念。实验报告完整，方案解析和结果分析有理有据。能根据机器人建模实验要求搭建实验系统，并安全实验，有一定的设计思维和创新意识。实验报告完整，方案解析和结果分析基本到位。能根据机器人建模实验要求搭建实验系统，并安全实验，设计思维和创新意识较差。实验报告基本完整，方案解析和结果分析不准确。不参与实验或实验过程存在安全隐患，实验报告不交或内容不完整，无方案解析、结果分析等内容。课程论文格式规范，内容主题明确。参考文献格式符合文献引用标准；能恰当运用自己的语言组织素材，对机器人建模相关论点能够正确解析。格式基本规范，主题较为明确。参考文献较为符合文献引用格式；正文主题大部分运用自己的语言组织素材，对机器人建模相关论点能够解析。格式略规范，主题基本明确。参考文献基本符合文献引用标准；正文有部分摘抄，论点分析较清晰。格式不规范，论文结构不完整，论点分析不清晰，参考文献格式不完全符合引文标准。3.综合项目演示考核与评价标准综合项目演示能综合应用机器人建模理论知识和MATLAB实验内容，并演示具有实际应用背景的机器人模型，并能够对机器人模型进行轨迹跟踪、轨迹规划等功能的演示。能综合应用机器人建模理论知识和MATLAB实验内容，基本能够演示具有实际应用背景的机器人模型，可以对机器人模型进行轨迹跟踪、轨迹规划等功能进行部分演示。基本能综合应用机器人建模理论知识和MATLAB实验内容，可以演示具有实际应用背景的机器人模型。不能综合应用机器人建模理论知识和MATLAB实验内容，不能对机器人模型进行建立和演示。六、教材与参考书（一）推荐教材1．《MATLAB基础与机器人学应用》，石青，王化平，吴阳著，北京理工大学出版社，2020年6月版。2．《用MATLAB玩转机器人》，戴凤智，张鸿涛，康奇家著，化学工业出版社，2017年3月版。（二）参考资料1．《机器人建模与控制仿真（