《机器人性能仿真与控制原理》课程教学大 纲

《机器人性能仿真与控制原理》课程教学大

纲

课程代码：ME6017

学分/学时：3学分/48学时课程

开课学期：春季学期

适用专业：机械、动力、车辆、航空、电子与电气工程、自动化等

先修课程：高等数学、线性代数、机械设计、自动控制

开课单位：机械与动力工程学院

一、课程性质和教学目标

机器人性能仿真与控制原理是面向机械制造自动化、机械电子工程、航空航天等专业的一门研究生专业课程。本课程主要介绍机器人的基本原理及应用，阐述机器人的性能仿真、运动与控制的基本理论与方法。通过本课程学习，使学生掌握机器人的基本原理及知识，了解机器人运动模型的建立及性能指标的分析方法，熟悉机器人的基本控制方法，为机器人的设计和应用提供技术支撑。

二、课程教学内容及学时分配

第一章：绪论（3学时/课堂教学）

●课程的目的与意义：典型案例分析

●机器人介绍：定义、特点、结构、应用、性能指标、仿真方法等

●团组大作业及要求：根据国内外机器人的发展状况，分组分类介绍机器人

的特性及用途，每组完成一篇报告及PPT汇报

第二章：机器人性能指标（4学时/课堂教学）

●质量指标：质量及分布

●几何指标：尺寸、形状

●运动学指标：自由度、工作空间、灵活度、定位精度

●动力学指标：刚度、强度、模态、负载能力、运动速度、运动加速度、动

态响应、响应频率与带宽

●控制指标：输出功率、输出力/矩、驱动力/矩、速度、加速度、响应频率

与带宽、控制周期、控制精度、多轴同步精度、分辨率

●工作环境指标：高温、低温、振动、辐射、水下、高压、真空

第三章：机器人数学描述（2学时/课堂教学）

●齐次坐标

●齐次变换

●等效旋转变换

第四章：机器人运动学建模与性能仿真（6学时/课堂教学+2学时/讨论、实践）

●运动学建模理论与方法介绍，D-H矩阵介绍

●运动学模型建立：正反解求解算法

●运动约束：驱动约束、干涉约束、奇异点

●工作空间、速度、加速度仿真与分析

●定位精度与误差敏感度分析

●作业：机器人运动学建模

第五章：机器人的雅克比矩阵（3学时/课堂教学）

●微分平移、微分旋转

●等效微分变换

●机器人机构雅可比矩阵的建立

第六章：机器人动力学建模与性能仿真（10学时/课堂教学+2学时/讨论、实践）

●动力学建模理论与方法介绍：牛顿欧拉方程、拉格郎日方程

●动力学模型的建立

●静力学模型的建立

●动力学特性仿真与分析

●作业：机器人动力学建模

第七章：机器人控制系统（4学时/课堂教学）

●机器人控制系统介绍：发展历史与趋势、分类及特点

●驱动系统：气动、液压、电机（伺服电机、步进电机、直线电机）

●传感系统：位置（旋转编码器、光栅尺、旋转变压器、拉线传感器）、惯

性（陀螺仪）、力觉（压力、力/矩传感器）、视觉（CCD相机、激光测距

仪）

●控制硬件：伺服阀、放大器、驱动器、运动控制卡、PC工控机、PLC、

嵌入式计算机

●控制软件：操作系统、实时性、编程语言

第八章：机器人控制算法（4学时/课堂教学）

●机器人控制技术及控制算法介绍

●位置控制、柔顺控制、智能控制等

第九章：机器人运动规划（2学时/课堂教学）

●机器人运动规划介绍

●轨迹产生与控制回路

●运动规划案例介绍

第十章：机器人控制及仿真工具MRDS（6学时/课堂教学、讨论、实践）

●Microsoft Robotic Develop Studio (MRDS)概述

●并发协调运行库（CCR）（concurrency and coordination runtime）

●服务程序应用系统（DSS）(Decentralized Software System)

●可视化仿真环境（VSE）(Visual Simulation Environment)

●机器人控制仿真实例介绍

●作业：机器人控制及仿真

三、教学方法

课程教学以课堂讲学为主，综合讨论、作业、网络、录像等共同实施。

四、考核及成绩评定方式

课程考核方式：开卷笔试（50%）+平时作业（30%）+出勤及课堂讨论（20%）

五、教材及参考书目

1、《机器人学》[美] 付京逊等中国科学技术出版社

2、《机器人学》蔡自兴清华大学出版社