机器人学研讨课

课程编码：B2512010Y 英文名称：Seminar on Robotics 课时：20 学分：1.00 课程属性：专业课 主讲教师：王双翌

本课程的教学目标是使学生能充分对机器人系统中的机械、电子、通信及控制等模块进行分析与实践。要求学生通过实践了解Linkage及Matlab/Python Robotics Toolbox软件工具包的基本功能并能对典型机器人系统进行建模和分析，通过实践了解Arduino单片机、电机控制及常用传感器的使用方法，最终通过搭建机械臂智能小车平台完成机电控一体化系统的组装与测试。
本课程是一门以机器人软硬件平台学习和实验为核心的实践类课程，旨在通过实践为主的教学方式，引导学生对机器人学中机构、电控、建模及控制等问题建立直观认识，本课程将分为四个模块：（1）机械机构分析与实践：通过Linkage工具包的实践学习各类机械机构的运动规律；（2）单片机及电控系统实践：通过Arduino单片机实践学习常用传感器的使用及直流、步进、伺服电机的控制方法；（3）典型机器人系统建模与仿真：通过Matlab/Python Robotics Toolbox的实践完成对PUMA、UR、KUKA、SCARA、MeArm等机械臂及四轮移动机器人的建模任务；（4）机械臂智能小车机电一体化实践：通过Arduino单片机及机械臂智能小车套件完成机电一体化系统的组装和测试，实现单片机、传感器、电机、控制器及通讯等软硬件模块的融合使用。

无

 

 

第一章 机器人机械机构基础与实践（3学时）

1.1 机器人机构的组成要素

1.2 连杆机构的基础运动原理

1.3 运用Linkage工具包分析机器人机构

- 实践一：复合运动机构分析

- 实践二：仿生四足运动机器人

- 实践三：仿生扑翼飞行机器人

- 实践四：医疗辅助达芬奇手术机器人

本章学习要求：了解以连杆及传动构件组成的机器人机械机构的基础原理。通过对Linkage工具包的实践探究典型机电系统、仿生机器人及医疗机器人中的典型机构模块，分析机构的运动规律及输入输出关系。

 

第二章 机器人电控系统基础与实践（3学时）

2.1 机器人电控系统的组成要素

2.2 Arduino单片机及编程环境介绍

2.3 运用Arduino单片机、传感器及电机实现交互控制

- 实践一：通过开关及电位器点亮并调节LED亮度

- 实践二：运用超声传感器实现直流电机控制

- 实践三：运用触摸传感器实现伺服电机控制

- 实践四：通过串口交互实现步进电机控制

本章学习要求：了解由单片机、传感器及电机组成的机器人电控系统的基本知识。通过对Arduino入门套装的实践了解单片机编程及电路构建，熟悉各类I/O及交互方法，通过传感器及串口的输入实现对直流、步进及伺服电机的控制。

 

第三章 机器人位姿与轨迹的表达和实践（3学时）

3.1 机器人位姿和轨迹表达的数学基础

3.2 Matlab/Python Robotics Toolbox介绍及基本语法

3.3 运用Matlab/Python Robotics Toolbox表达位姿和轨迹

- 实践一：立方体在六维空间的连续位姿变换

- 实践二：五杆并联机器人运动学建模

- 实践三：柔性连续体机器人的运动学建模

本章学习要求：了解机器人位姿、运动学及轨迹的数学表达与可视化。通过对Matlab/Python Robotics Toolbox的实践熟悉齐次变换矩阵的构成及机器人空间坐标系的变换，分析具体案例并了解运动学及运动轨迹的表达与可视化。

 

第四章 串联机械臂的分析与实践（3学时）

4.1 串联机械臂的基础构型与应用

4.2 串联机械臂的正、逆运动学建模方法

4.3 运用Matlab/Python Robotics Toolbox分析串联机械臂

- 实践一：PUMA 560及Stanford机械臂建模分析

- 实践二：UR及KUKA机械臂建模分析

- 实践三：SCARA机械臂建模分析

- 实践四：MeArm机械臂建模分析

本章学习要求：了解串联机械臂通过D-H法则求解正向运动学及通过闭合解及数值解求解逆向运动学的过程。通过对等PUMA、Stanford、UR、KUKA、SCARA、MeArm等机械臂的实例分析了解不同构型及自由度机械臂的特点。

 

第五章 四轮移动机器人的分析与实践（3学时）

5.1 四轮移动机器人建模分析基础

5.2 运用Matlab/Python Robotics Toolbox分析四轮移动机器人

- 实践一：四轮移动机器人建模分析实践

- 实践二：移动机器人与机械臂组合系统的建模分析实践

本章学习要求：了解四轮移动机器人运动学基础。通过四轮移动机器人到固定点位姿运动及巡线运动等任务的实践了解相关建模及分析方法。

 

第六章 机械臂智能小车系统的搭建与测试（5学时）

6.1 Arduino机械臂智能小车平台的机电控系统概述

6.2 Arduino机械臂智能小车平台机电系统的组装与调试

学时分配：

总学时	讲课	习题课	实验课	实践课	期中考	期末考
20	4	0	0	16	0	0

在课程教学内容的实施过程中，教学团队坚持“教书育人”的理念，在传授知识的同时，也注重立德树人，培养大国工匠精神。例如，本课程的讲授过程中将介绍世界各国在机器人领域的布局与竞争，激发学生科技报国的使命担当；将结合实践任务，介绍前沿机器人研发现状，鼓励学生承担国产研发的历史责任；通过课程设计将培养学生精益求精的工程精神和动手实践能力。

教材：无

教学参考资料：由教师提供的自编讲义

王双翌，伦敦国王学院博士，中国科学院自动化研究所研究员。研究方向聚焦于医疗机器人及智能化系统，旨在为医护人员远离高风险环境、跨区域对接基层及智能化诊疗提供新方案，累积承担了十余项科研项目，围绕医疗辅助机器人及智能化导航系统的设计研发产出了批量原创性成果，在领域内高水平期刊和会议发表近50篇科研论文，先后支持多家医疗器械企业开展诊疗设备机器人化的升级探索。以上实践与创新被人民日报、中国军网等权威媒体多次报道，受到了学界和业界的高度关注和广泛认可。