机器人学

课程编码：081100M01003H 英文名称：Robotics 课时：60 学分：3.00 课程属性：一级学科核心课 主讲教师：王硕等

本课程为控制科学与工程、机械工程等学科研究生的专业核心课。机器人作为智能制造的重要载体，被誉为“制造业皇冠顶端上的明珠”，其研发、制造、应用水平是衡量高端制造业发达程度的重要标志。除制造业之外，机器人也在军事、航天、核工业、农业、交通、医疗、服务业等领域和行业得到非常广泛的应用。本课程以制造业广泛应用的工业机器人为背景，重点讲授关节式机器人及其控制系统的基本原理，兼顾移动式服务机器人的结构、定位与控制方法，并介绍机器人学的前沿研究领域以及部分热点问题。通过本课程的学习，希望研究生能够掌握工业机器人和轮式移动机器人的基本结构、建模方法、控制原理，了解智能机器人领域研究热点以及发展趋势，为后续研究工作打下基础。
主要内容包括：机器人结构、运动学、逆向运动学、微分运动、运动规划、动力学、传感系统与信息融合、位置控制、力位混合控制、智能控制、目标识别、视觉测量、视觉伺服、机器人同时地图构建与定位、特种机器人、多机器人协调控制等。

自动控制原理与系统，工程力学

第一章 绪论 3学时 王硕
第1节 机器人的起源与现状
第2节 机器人的定义与分类
第3节 机器人学研究领域
第4节 机器人未来发展趋势
第二章 机器人构型 3学时 王硕
第1节 基本概念
第2节 串联机构
第3节 并联机构
第4节 轮式机构
第5节 复合机构
第6节 仿生机构
第7节 变胞机构
第三章 位姿表示与坐标变换 3学时 王硕
第1节 直角坐标系的位置与姿态
第2节 坐标变换
第3节 通用旋转变换
第4节 机器人的位姿描述
第四章 机器人正向运动学 3学时 王硕
第1节 连杆变换矩阵
第2节 串联机器人正向运动学
第3节 并联机器人的正向运动学
第4节 轮式移动机器人运动学
第五章 机器人逆向运动学 3学时 王硕
第1节 串联机器人的逆向运动学
第2节 并联机器人的逆向运动学
第3节 欠驱动/冗余机器人的逆向运动学
第六章 机器人微分运动学 3学时 王硕
第1节 机器人的微分运动
第2节 机器人的雅可比矩阵
第3节 机器人的雅可比矩阵实例
第4节 静力的转换
第七章 机器人运动规划 3学时 王硕
第1节 串联机器人的关节运动规划
第2节 串联机器人的末端运动规划
第3节 移动机器人的运动规划
第八章 机器人动力学 3学时 王硕
第1节 刚体动力学
第2节 串联关节机器人动力学
第3节 动力学应用
第九章 机器人的传感系统与信息融合 3学时 王硕
第1节 内部传感器
第2节 外部传感器
第3节 主要融合方法简介
第4节 基于Mante Carlo框架的定位
第十章 机器人的位置控制 3学时 王硕
第1节 工业机器人的控制原则
第2节 工业机器人的单关节位置控制
第3节 工业机器人的多关节位置控制
第4节 关节式工业机器人的末端位置控制
第5节 工业机器人的位置控制与定位
第6节 工业机器人的位置控制实例
第十一章 机器人的力控制 3学时 王宇
第1节 机器人的柔顺控制
第2节 机器人的分解运动控制
第3节 机器人装配中的力控制
第十二章 机器人的控制方法 3学时 王宇
第1节 PID控制
第2节 滑模变结构控制
第3节 自适应控制
第十三章 机器人的视觉测量 3学时 王宇
第1节 机机模型
第2节 视觉测量中的约束条件
第3节 单目视觉位置测量
第4节 立体视觉位置测量
第5节 基于矩形目标约束的位姿的测量
第6节 基于PnP问题的位姿测量
第7节 基于消失点的视觉测量
第8节 相机标定
第十四章 机器人的视觉控制 3学时 王宇
第1节 基于位置的视觉控制
第2节 基于图像的视觉控制
第3节 混合视觉伺服控制
第4节 直接视觉控制
第5节 机器人视觉系统
第十五章 同时地图构建与定位 3学时 王宇
第1节 SLAM概述
第2节 SLAM主要算法
第3节 多传感器数据融合
第4节 ROS上的SLAM实现
第十六章 多机器人的协调与控制 3学时 王宇
第1节 多机器人系统简介
第2节 多机器人系统的模型
第3节 多机器人合作搜集
第4节 多机器人队形控制
第5节 多机器人围捕
第十七章 水下机器人系统 3学时 王宇
第1节 水下机器人概述
第2节 水下机器人传感器系统
第3节 水下机器人运动规划与控制
第十八章 仿生机器人 3学时 王宇
第1节 仿鱼机器人结构
第2节 仿鱼游动机器人运动控制
第3节 路径跟踪控制
第4节 其他仿生机器人
第十九章 基于视触融合的机器人作业控制 3学时 王宇
第1节 触觉传感器概述
第2节 视触觉传感器设计与信息处理
第3节 基于视触觉的操作控制
第二十章 期末考试+答疑 3学时 王硕
第1节 期末考试
第2节 答疑

课程首席教授：王硕，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室研究员，博士生导师；科技创新2030“新一代人工智能”重大项目首席科学家；“十三五”国家重点研发计划“智能机器人”重点专项总体组专家；国际标准化组织ISO/TC 299专家；中国机电一体化技术应用协会常务理事；中国自动化学会机器人专业委员会、中国人工智能学会智能机器人专业委员会常务委员、中国宇航学会机器人专业委员会委员。主要从事水下仿生机器人、智能机器人控制、机器人学习、多机器人系统研究。主持科技创新2030重大项目、国家安全重大基础研究项目专题、自然科学基金联合基金重点和面上项目、国家863计划项目、支撑计划项目、国际合作项目等多项。获得国家自然科学二等奖1项，北京市科学技术奖一等奖1项，省部级二等奖4项；合著图书4本，发表SCI/EI学术论文100余篇，获授权国家发明专利20余项，软件著作权登记10余项；主持制定机器人国家标准2项。
主讲教师：王宇，中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室副研究员，硕士生导师；目前担任中科院青促会信管分会副会长、中国科学院自动化所青促会小组副组长等。在机器人和控制技术领域高水平国际期刊上发表/接收学术论文60余篇。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、重点研发计划课题、中科院青促会会员人才项目、国家自然科学基金面上项目、装备预研领域基金等项目。获得2019年中国自动化学会技术发明一等奖、2019年中国自动化学会科普奖，2018年水下机器人目标抓取大赛在线识别组一等奖等。