《机器人基础与数字孪生系统》-褚明 教学大纲

《机器人基础与数字孪生系统》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称中文：机器人基础与数字孪生系统英文：FundamentalsofRoboticsandDigitalTwinSystem学分/学时2/32必修（）/选修（√）开课学期6课程类别专业课程适用专业机器人工程、机械工程、自动化先修课程高等数学、线性代数、机械原理、理论力学、自动控制原理二、课程目标本课程是面向机器人工程、机械工程和自动化专业的工科门类课程，主要学习与工业4.0体系密切相关的机器人与数字孪生系统。通过本课程的学习，实现以下目标：课程目标1：通过学习机器人机构、运动学、动力学、控制系统等基本理论和基础知识，使学生掌握机器人系统的计算、建模和仿真分析方法。课程目标2：通过掌握数字孪生系统的基本原理和工程设计方法，使学生具备工程思维，能够从项目应用的角度解决数学建模、参数选择、工程化表达等工程问题。课程目标3：通过应用现代设计与分析软件，掌握解决复杂工程问题预测、仿真、模拟和设计的科学方法，激发学生勇于求真和敢于创新的潜力与情怀。三、课程落实立德树人的举措1.时刻贯穿理论联系实际的学习思维，引导学生树立“科学为人”的正确价值观；2.穿插著名相关科学家的成长史和研究成果，熏陶学生对科学技术发展的人文情怀；3.注重学科交叉，展示科学与工程之间的密不可分性与相互促进性，促进学生形成科学发展观；4.尊重科学规律，讲解客观，帮助学生建立求真务实的学术思想；5.分组活动能同时培养学生的独立思维和协作互助精神，兼具独立人格和团队意识。四、教学内容及学时安排序号教学内容学时分配教学目标与要求对课程目标的支撑1第一章绪论1.1关于机器人学1.2典型机器人1.3数字孪生系统1.4数字孪生关键技术2了解机器人系统和数字孪生系统的相关概念及系统组成。课程目标1和22第二章机器人机构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移动机器人机构2.5机器人的自由度2.6驱动机构、传动机构与机器人减速器2.7关节空间、任务空间与驱动空间2熟悉组成各类机器人的基本机构，掌握自由度的概念，了解减速器类型及其特征，能区分各个相关空间的含义。课程目标13第三章机器人运动学3.1齐次变换3.2DH约定和MDH约定3.3正向运动学递归3.4逆向运动学递归3.5路径规划5熟悉齐次变换的含义，掌握DH建模方法，能以机械臂为例进行正、逆向运动学的推导计算，区分DH法和MDH法的差异，理解路径规划的内涵和用途。课程目标1和34第四章机器人动力学4.1分析力学体系下的拉格朗日方程4.2矢量力学体系下的牛顿-欧拉方程4.3凯恩方程4.4动力学参数辨识4.5机器人动力学的虚拟样机仿真6熟悉Lagrange方程的分析力学原理，并能完成简单系统的动力学模型推导。了解牛顿欧拉递推公式的基本步骤。理解Kane方程区别分析力学和矢量力学的内涵，能对少自由度系统进行建模。了解动力学参数辨识和虚拟样机仿真技术，能对简单系统进行建模和初步仿真，并会分析仿真结果。课程目标1和35第五章机器人系统的传感与控制5.1执行器与传感器5.2反馈与稳定性5.3机械臂的位置控制5.4操作臂的阻抗控制5.5动力学非线性补偿控制4掌握机器人伺服系统的组成和控制对象的数学模型，能够对位置伺服系统进行简单设计。其它一般了解。课程目标1和36第六章数字孪生系统架构及引擎6.1系统架构及技术体系6.2数字孪生引擎6.3可视化应用3熟悉建立数字孪生系统的架构和环境要素，了解引擎平台基本功能，掌握可视化技术的基本应用技能，熟练Unity操作步骤。课程目标2和37第七章人机共融的数字孪生系统7.1结构化环境建模7.2非结构化环境的视觉重建7.3人机安全交互关键技术4能区分结构化和非结构化环境，掌握三维重建技术，熟悉视觉建模方法，了解人机交互基本概念，理解安全监测技术和感知算法，熟悉人机协同构建方法课程目标2和38第八章数字孪生系统的故障诊断8.1基于特征生成模型的故障诊断方法8.2性能退化评估模型8.3融合工业云的数字孪生故障诊断系统3了解特征生成模型，理解故障诊断的意义和方法，认识生成式对抗网络，熟悉性能退化评估方法和数学模型，了解边缘计算和工业云技术，理解数字孪生故障诊断系统的开发框架课程目标2和39第九章数字孪生系统的生命周期管理9.1剩余寿命预测算法9.2不确定性度量模型9.3预测与监测管理3熟悉生命周期概念，了解产品剩余寿命预测算法，认识注意力网络，理解贝叶斯推理模型，能对不确定性及其度量模型进行解释，熟悉Unity和Python集成方法课程目标2和3五、教学方法1.课堂教学：教师课堂讲授为主，授课过程应能灵活运用板书和多媒体教学，加强师生互动，注重启发式教学，根据教学内容适时引入科研前沿案例，以科研反哺教学。选取代表性章节内容探索“双语教学”模式和教学效果，使学生感受国际化教学氛围。2.翻转课堂：根据教学内容以及学生学习情况，教师灵活提出多个知识主题，学生自主选择感兴趣的知识主题进行线下翻转课堂模拟教学。六、考核方式考核环节所占分值考核与评价细则对应课程目标作业20分平时作业一般为5次左右，涵盖课程所有内容，按照是否按时提交、完成质量等进行综合评定。每次作业评分参考标准为（按照10分计算）：按时完成作业并提交且作业正确率不低于60%，计6分（及格）；在此基础上，作业正确率满足70%、80%、90%和100%分别为7分、8分、9分、10分，有创新解题思路或解决方案的可另加1-2分，但每次作业得分不超过10分。课程目标1、2、3日常综合10分按照是否按时出勤、课堂回答问题、课堂研讨等日常教学环节进行综合评定。缺勤1次扣1分，课堂主动回答问题加1分，课堂积极研讨加1分，但总分不超过10分。课程目标1、2、3期中考试20分开放型知识主题，学生以大作业形式完成设计，由教师根据正确性和创新度合理给出成绩。有创新解题思路或解决方案的可另加3-5