机器人学基础 课程教学大纲

一、课程基本信息

课程编号：AS33109

课程名称：机器人学基础

英文名称：Fundamentals of Robotics

课程学时：32        讲课学时：26    实验学时：0    上机学时：   0    习题学时：6（此处确认是习题6学时？）

课程学分：2 学分

开课单位：航天学院 智能控制与系统研究所

授课对象：自动化系高年级本科学生

开课学期：3春

先修课程：线性代数、理论力学、自动控制原理

二、课程目标

机器人学是一门高度交叉的前沿学科，它的进步和应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就。通过本课程的开设，为自动化专业的本科生了解机械臂式机器人的特点，掌握机械臂式机器人的控制方法以及从事机器人相关研究奠定基础。

课程目标对学生的能力要求如下：

课程目标1：掌握机器人的概念、种类和分类方法，了解机器人学的研究领域及其与人工智能的关系，未来机器人的发展方向；

课程目标2：掌握机器人数学描述基础，机械臂机器人运动学、动力学的分析方法和机器人的动态特性特点；

课程目标3：了解机器人规划的作用和任务，初步认识机器人的轨迹规划问题；掌握简单的机器人控制方法。

三、课程目标与毕业要求指标点对应关系

毕业要求

毕业要求指标点

课程目标

1.工程知识

1-1能运用数学和自然科学对自动化领域复杂工程问题中的系统进行机理或实验建模

课程目标2

课程目标3

1.工程知识

1-2能运用数学和专业知识对复杂工程问题中的系统进行分析、设计和优化

课程目标3

2.问题分析

2-1 能应用数学和自然科学基本原理，对自动化领域的复杂工程问题进行建模，并能检验模型的合理性

课程目标2

2.问题分析

2-3 能通过文献研究了解国内外在相关工程领域的发展现状，归纳发展趋势，吸取相关的研究成果并了解可能存在的局限

课程目标1

四、课程目标与课程内容对应关系

序号

教学内容

教学要求

学时

教学方式

对应课程

目标

1

1、机器人学的发展

2、机器人的特点、结构与分类

3、机器人学与人工智能的关系

通过本章内容的教学，使学生了解机器人学的起源与发展，讨论机器人学的定义，分析机器人的特点、结构与分类。

2

授课

课程目标1

2

1、姿态的表示及旋转变换矩阵的几何解释

2、基本旋转变换矩阵及合成

3、旋转矩阵的欧拉角表示

4、通用旋转变换

5、齐次坐标及齐次变换矩阵

通过本章内容的教学，使学生掌握基本旋转矩阵和合成旋转矩阵的概念和计算方法，绕任意轴转动的旋转矩阵的求解方法和欧拉角表示的旋转矩阵，以及齐次坐标和齐次变换矩阵的概念及几何解释

6

授课+习题

课程目标2

3

关节式机械手的D-H坐标系及建立

关节式机械手运动学问题的正解和反解

雅克比矩阵推导方法、特点和用途

通过本章内容的教学，使学生掌握关节式机械手的D-H坐标系的表示，机器人正运动学计算及基于反变换法的逆运动学求解，雅可比矩阵的定义、意义和计算方法

8

授课+习题

课程目标2

4

1、刚体动力学

2、机械手动力学方程

3、机器人的动态特性

4、机械手的稳态负荷

通过本章内容的教学，使学生能够掌握机器人动力学方程、动态特性和静态特性；着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿-欧拉动态平衡法；然后总结出建立拉格朗日方程的步骤。

8

授课+习题

课程目标2

5

1、关节空间轨迹规划

2、空间直线轨迹规划

通过本章内容的教学，使学生掌握基本的轨迹规划知识。

2

授课

课程目标3

6

关节式机器人控制系统的基本结构

关节式机器人在控制上的特点

关节式机器人控制基本方法

通过本章内容的教学，使学生了解机器人关节控制器设计基本问题，控制模型的简化以及PD控制器的稳定性分析；机器人的柔顺控制方法、力和位置的混合控制设计方法

4

授课

课程目标3

7

1、机器人学的现状与未来

包括国内外机器人技术和市场的发展现状和预测、21世纪机器人技术的发展趋势、我国机械人学的发展战略等。不同类型机器人的研究发展状况等。

2

授课

课程目标1

五、课程教学方法

 1、采用多媒体教学和板书相结合的方式进行授课，采用图片及视频演示向学生展示现代机器人特点及发展；采用动画演示来讲解机械手的空间数学描述，对一些复杂公式，采用板书推导。

 2、针对机器人的未来发展，采取讨论课的形式，激发学生主动学习的兴趣。

六、课程考核方法（课程目标尽量一一对应或少量对应）

考核环节

所占分值

考核与评价细则

对应课程目标

作业

15

考核学生对每章节知识点的复习、理解和掌握程度

每次作业按 15分制单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩

课程目标1

课程目标2

课程目标3

随堂测试

15

结合教学进度安排课程复习及随堂测试，考查学生对相关基础知识的掌握程度

阶段考试成绩以15分，取平均成绩计入总成绩

课程目标2

课程目标3

期末考试

70

围绕机器人运动学、机器人动力学、简单的机器人控制问题以及轨迹规划考察学生的最终掌握程度。

考试题型为判断题，选择题、简答题和大题

卷面70分，计入总成绩

课程目标1

课程目标2

课程目标3

七、主要教材与参考书

蔡自兴，机器人学，清华大学出版社，2006

蔡自兴，机器人学基础（第二版），机械工业出版社，2013

John J.Craig，机器人导论，机械工业出版社，2006

K. S. Fu, R.C. Gonzalez and C. S. G. Lee, Robotics, Control, Sensing, Vision and Intelligence, 1989

Saeed B. Niku, 机器人学导论---分析、系统及应用，电子工业出版社，2004

大纲撰写人： 李湛 刘海峰                      大纲审核人：