《机器人控制技术》教学大纲

《机器人控制技术》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05156071课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：高等数学、线性代数、自动控制原理等后续课程：无适用专业：自动化专业开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明机器人控制技术是一门高度交叉的前沿学科，是一项综合性很强的新技术。本课程主要介绍机器人相关的控制技术。课程总体上为以理论为指导，以工程为背景，紧密结合实验，使学生掌握机器人的基本原理、结构、操作、编程等方法，达到融会贯通信息、电子、机械、传感、控制等技术的机电一体化人才培养目标。通过这门课的学习，使学生对机器人控制技术有一个全面、深入的认识，培养学生综合运用所学基础理论与专业知识进行创新设计的能力、严谨求实的科学精神。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：了解机器人的定义及发展，相关传感器及应用，机器人的应用领域和发展方向。掌握机器人的结构特点和分类，机器人的运动方程和正、逆运动学求解方法，机器人的基本控制原则和控制方法，机器人规划基本原理及轨迹规划方法。使学生具有机器人控制系统的建模、分析、设计和编程能力。课程目标2：从应用的角度开发机器人控制系统，将机器人控制的知识用于解决机器人系统的工程问题；用机器人建模的方法进行正向运动学和逆向运动学的分析，通过离线编程规划最优轨迹；能够针对具体问题提出有效的解决方案，提高开发机器人自动工作的能力；在机器人学科的交叉知识的讨论中培养创新意识，提高分析、发现、研究和解决问题的能力。课程目标3：跟踪机器人控制技术发展的科学前沿，使学生了解我国在机器人控制领域的现状和优势、与世界相关行业的差距，增强学生的民族自豪感和时代紧迫感，同时增强学生的法治观念、社会责任感和创新意识。三、课程目标与毕业要求《机器人控制技术》课程教学目标对自动化专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.4能够将自然科学、工程基础、专业知识和数学模型方法应用于自动控制领域复杂工程问题解决方案的比较与综合。课程目标1：了解机器人的定义及发展，相关传感器及应用，机器人的应用领域和发展方向。掌握机器人的结构特点和分类，机器人的运动方程和正、逆运动学求解方法，机器人的基本控制原则和控制方法，机器人规划基本原理及轨迹规划方法，机器人的编程环境和方法。使学生具有机器人控制系统的建模、分析、设计和编程能力。H4.研究4.2能够基于科学原理并采用科学方法对自动控制领域相关的复杂工程问题选择研究路线，设计实验方案。课程目标2：从应用的角度开发机器人系统，将机器人控制的知识用于解决机器人系统的工程问题；用机器人建模的方法进行正向运动学和逆向运动学的分析，通过离线编程规划最优轨迹；掌握各类传感器的原理，能够针对具体问题提出有效的解决方案，提高开发机器人自动工作的能力；在机器人学科的交叉知识的讨论中培养创新意识，提高分析、发现、研究和解决问题的能力。M5.使用现代工具5.2能够选择和使用恰当的现代仪器、系统仿真与设计软件、信息技术工具对自动控制领域复杂工程问题进行分析、计算和设计。课程目标2：从应用的角度开发机器人系统，将机器人控制的知识用于解决机器人系统的工程问题；用机器人建模的方法进行正向运动学和逆向运动学的分析，通过离线编程规划最优轨迹；掌握各类传感器的原理，能够针对具体问题提出有效的解决方案，提高开发机器人自动工作的能力；在机器人学科的交叉知识的讨论中培养创新意识，提高分析、发现、研究和解决问题的能力。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.概述1.1机器人的内涵1.2机器人的应用与发展1.3机器人学的研究展望1.4机器人学：建模、控制与视觉教学要求：了解操作臂、海陆空机器人和人机共融机器人的内涵；了解机器人的定义、应用和发展；了解机器人学的研究展望。重点:机器人的定义、应用和发展。难点:机器人的定义、应用和发展。21、32.机器人机构2.1运动副2.2串联机器人机构2.3并联机器人机构2.4机器人手爪2.5探测车悬架机构2.6多足步行机器人机构2.7RV减速器和谐波减速器教学要求：了解机器人手臂、手腕、手爪、步行机构、移动机器人机构和机器人关节减速器等组成机构；了解串联机构、并联机构、混联机构等基于低副机构的机器人操作臂的组成。重点：基于低副机构的机器人操作臂的组成。难点：基于低副机构的机器人操作臂的组成。21、33.位姿描述和齐次变换3.1刚体位姿描述3.2齐次坐标和齐次变换3.3运动算子3.4变换矩阵的运算3.5RPY角与欧拉角3.6旋转变换通式3.7位姿的综合3.8计算的复杂性教学要求：掌握位置矢量、旋转矩阵、坐标变换的表示方法；了解齐次坐标和齐次变换的基本概念、应用场景；了解变换矩阵相乘、求逆运算、刚体变换群；掌握RPY角、zyx欧拉角、zyz欧拉角的变换方式。重点:位置矢量、旋转矩阵、坐标变换的表示方法。难点:RPY角、zyx欧拉角、zyz欧拉角的变换方式。221、34.刚体速度和静力4.1线矢量4.2微分转动与转动速度4.3微分运动与运动旋量4.4刚体变换的线矢量表示4.5螺旋运动4.6力旋量4.7线矢量、旋量与螺旋教学要求：了解线矢量的数学概念、矢量积与反对称矩阵、线矢量的齐次坐标；了解微分转动与转动速度的计算方法；了解刚体变换的微分运动矢量与微分算子；熟悉空间速度与物体速度的异同；了解移动关节的矩阵指数和旋转关节的矩阵指数表示方法；了解运动旋量的螺旋坐标。重点:线矢量的数学概念、矢量积与反对称矩阵、线矢量的齐次坐标。难点:移动关节的矩阵指数和旋转关节的矩阵指数表示方法。41、35.操作臂运动学5.1连杆参数和连杆坐标系5.2连杆变换和运动学方程5.3PUMA560机器人运动学反解5.4指数积公式5.5运动学方程的自动生成5.6运动学反解的子问题5.7运动学的封闭解和解的存在性、唯一性5.8驱动空间、关节空间和操作空间教学要求:掌握连杆参数和连杆坐标系的描述方法；掌握以连杆参数和连杆坐标系为基础的运动学方程构建方法；了解采用指数积公式描述的运动学建模方法；了解运动学方程的自动生成和反解方法；了解运动学的封闭解和解的存在性、唯一性；了解驱动关节、关节空间和操作空间。重点:连杆参数和连杆坐标系的描述方法。难点:以连杆参数和连杆坐标系为基础的运动学方程构建方法。21、36.操作臂的雅可比矩阵6.1引例6.2速度雅可比矩阵6.3逆雅可比矩阵和奇异性6.4操作臂的灵巧性6.5力雅可比矩阵6.6冗余度机器人6.7刚度与柔度6.8误差标定与补偿教学要求:掌握速度雅克比矩阵的矢量积和微分变换构造方法；了解冗余、满自由度、欠自由度机器人概念；了解满自由度机器人运动学奇异问题、雅克比伪逆计算方法；了解灵巧性指标的定义；掌握力雅可比与速度雅克比的对偶关系；了解力旋量坐标的伴随变换；了解冗余度机器人、刚度与柔度、误差标定与补偿。重点:速度雅克比矩阵的矢量积和微分变换构造方法。难点:满自由度机器人运动学奇异问题、雅克比伪逆计算方法。21、37.操作臂动力学7.1操作臂动力学概述7.2质点系与单刚体动力学7.3拉格朗日动力学7.4操作臂的拉格朗日方程7.5拉格朗日方程的其他形式7.6连杆运动的传递7.7牛顿-欧拉递推动力学方程7.8基于指数积的牛顿-欧拉方法7.9关节空间和操作空间动力学7.10动力学性能指标教学要求：掌握单刚体的牛顿-欧拉动力学公式；了解牛顿-欧拉递推动力学方程建立方法；掌握拉格朗日动力学方程的建立方法；了解一般操作臂的拉格朗日动力学方程；了解牛顿-欧拉递推动力学方程和基于指数积的牛顿-欧拉方法；了解关节空间动力学方程和操作空间动力学方程，熟悉两种动力学方程之间的关系。重点:单刚体的牛顿-欧拉动力学公式。难点:拉格朗日动力学方程的建立方法。21、38.轨迹生成8.1轨迹规划的一般性问题8.2关节轨迹的插值8.3笛卡儿空间轨迹规划方法8.4利用四元数进行直线轨迹规划8.5轨迹的实时生成教学要求：了解在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法；掌握如何选取不同类型的关节插值函数；掌握笛卡尔空间下物体对象与作业的描述和直线运动规划；了解笛卡尔空间下轨迹坐标的实时生成原理；了解利用四元数进行直线轨迹规划和轨迹的实时生成。重点：如何选取不同类型的关节插值函数。难点：笛卡尔空间下物体对象与作业的描述和直线运动规划。241、2、39.操作臂的轨迹控制9.1操作臂的单关节传递函数及PD控制9.2二阶线性系统控制器的分解9.3操作臂的单关节控制规律分解9.4操作臂的非线性控制9.5操作臂的多关节控制9.6基于直角坐标的控制9.7李雅普诺夫稳定性分析教学要求：了解操作臂控制系统的组成；掌握操作臂的单关节传递函数及PD控制；掌握常见的动态控制方法；了解操作臂的李雅普诺夫稳定性分析。重点：操作臂的单关节传递函数及PD控制。难点：常见的动态控制方法。221、2、310.操作臂的力控制10.1概述10.2力-力矩传感器10.3约束运动与约束坐标系10.4力控制规律的分解10.5间接力控制10.6直接力控制教学要求：了解接触式操作下机器人运动控制存在的不足和约束；掌握力传感器的分类，了解力传感器的原理；了解约束运动与约束坐标系的概念；了解力控制规律以及在力控制情况下的物体和环境的简化模型、伺服规则简化模型、力控制系统描述；了解间接力控制的原理和分类，了解顺应控制算法和阻抗控制算法在机器人上实施的方法；了解直接力控制的原理和分类，了解力位混合控制算法在机器人上实施的方法。重点：顺应控制算法和阻抗控制算法在机器人上实施的方法、力位混合控制算法在机器人上实施的方法。难点：顺应控制算法和阻抗控制算法在机器人上实施的方法、力位混合控制算法在机器人上实施的方法。41、2、3合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.机器人空间位姿描述实验实验内容：了解如何用matlab描述位置、方位和位姿；理解用matlab两种不同的坐标变换，即平移坐标变换和旋转坐标变换。实验要求：能安装matlab和toolbox文件夹；理解位姿的表示方法，不同坐标之间的变换。222.六轴机械臂关节空间轨迹规划实验实验内容：理解关节空间轨迹规划的相关概念；能够使用MATLAB程序构建仿真模型。实验要求：掌握关节空间规划实验原理、三次多项式插值和五次多项式插值的原理和特点，并通过MATLAB搭建控制程序。223.六轴机械臂笛卡尔空间轨迹规划实验实验内容：理解笛卡尔空间轨迹规划的相关概念；能够使用MATLAB程序构建仿真模型。实验要求：掌握笛卡尔空间轨迹规划实验原理、空间直线插值和空间圆弧插值的原理和特点，并通过MATLAB搭建控制程序。224.六轴机械臂单关节PD算法控制实验实验内容：对单关节进行PD控制系统设计。实验要求：设计PD控制器，了解P、D控制作用对系统性能的影响，并通过MATLAB搭建控制程序。22合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学和案例教学等，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；结合实验、作业、慕课资源，配合多媒体课件等共同课完成堂授课内容。采用钉钉、学习通、QQ、微信等交流工具，加强和学生之间的交流和沟通。实验教学着重讲授如何用科学的手段来完成理论的验证；采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：（1）熊有伦等.《机器人学：建模、控制和视觉》[M].武汉:华中科技大学出版社.2021.2.参考书：（1）李宏胜.《机器人控制技术》[M].北京:机械工业出版社.2021.（2）陈万米.《机器人控制技术》[M].北京:机械工业出版社.2017.（3）宁祎.《工业机器人控制技术》[M].北京:机械工业出版社.2021.（4）蔡自兴，谢斌.《机器人学》[M].北京:清华大学出版社.2022.（5）蔡自兴.《机器人学基础》[M].北京:机械工业出版社.2021.3.期刊文章：（1）李晓旭,马兴录,王先鹏.移动机器人路径规划算法综述[J].计算机测量与控制,2022,30(07):9-19.（2）庄衡衡,丁飞,章华涛等.五自由度机器人运动控制与空间位姿仿真系统[J].中国测试,2021,47(11):14-20.（3）宫赤坤,吴浔炜,袁立鹏.基于阻抗和虚拟模型的四足机器人控制方法[J].系统仿真学报,2022,34(10):2152-2161.（4）谢小宝.工业机器人技术在自动化控制领域的实践应用分析[J].江西电力职业技术学院学报,2022,35(07):19-21.（5）WangH.OptimizationandDesignofCloud-Edge-EndCollaborationComputingforAutonomousRobotControlUsing5GandBeyond[J].北京理工大学学报:英文版,2022,31(5):454-463.4.网络资源：（1）中国机器人网./.（2）机器人之家./.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√442实验15（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分。（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√15作业15（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分。（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√663期末考核60（1）大作业分值100分，以该成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核机器人运动学和动力学分析、坐标系的标定、轨迹规划、关节线性控制和非线性控制等内容。（3）