机器人系统设计
课程编码：B2512019H 英文名称：Robot System Design 课时：36 学分：2.00 课程属性：专业课 主讲教师：景奉水
课程内容与要求：
第一章 机器人系统概述（ 2学时）
1.1 机器人发展历程（了解）
1.2 机器人分类及系统组成（理解）
1.3 机器人应用现状与未来（了解）
1.4 本课程内容体系（理解）
本章学习要求：了解机器人发展历程、伦理及未来发展趋势。理解机器人定义、分类、实际应用；理解机器人机构常见的几种构型：串联、并联和混联；理解机器人系统主要构成部分：机构、驱动系统、控制系统、传感系统、通信系统和人机交互系统。了解本课程内容体系和考核要求。
第二章 机器人设计流程与数字建模（ 6学时，重点）
2.1 机器人设计流程（理解）
2.2 机器人系统性能指标（理解）
2.3典型机器人设计实例（了解）
2.4 机器人仿真系统介绍（理解）
2.5 机器人机构数字建模（掌握）
2.6 机构仿真与实验（掌握）
本章学习要求：了解机器人设计流程和设计原则，并通过设计实例加深对设计原则的理解；掌握机器人系统常见性能指标，理解工作空间、关节空间、构型、额定载荷、重复度、精度、位置、姿态、位姿、路径和轨迹等概念和表示方法。了解几种常见机器人仿真系统，并理解不同种类仿真系统的作用和局限性。掌握用仿真软件建立机器人数字模型和通过编程控制机器人关节运动的方法。
第三章 传感系统设计（ 6学时，重点）
3.1 传感器概述（了解）
3.2 传感器分类及性能指标（理解）
3.3 机器人内部传感器（理解）
3.4 机器人外部传感器（理解）
3.5 传感器配置与选型（理解）
3.6 传感系统仿真与实验（掌握）
本章学习要求：理解传感器的构成、分类和主要性能指标。理解包括码盘、陀螺、加速度计等传感器的工作原理。掌握视觉传感器的数学模型和构成，理解视场、景深、焦深、分辨率、照明、曝光时间、短焦、中焦和长焦等概念。通过传感器选型实例加深对传感概念的理解。掌握用仿真软件设置传感器和获取位置传感、力传感、视觉传感等信息的方法。
第四章 通信系统设计（ 4学时，难点）
4.1 通信系统概述 （理解）
4.2 传统现场总线（理解）
4.3 CAN总线（理解）
4.5 EtherCAT总线（了解）
4.6 通信系统配置与应用（理解）
本章学习要求：理解通信网络的OSI参考模型、分类和主要性能指标。理解包括RS-232、RS-485/422、以太网、CAN和EtherCAT等通信网络的工作原理。理解串行、并行、、实时性、抖动、时延、波特率、物理层、数据链路层、传输层、网络层和应用层等概念。通过应用实例加深对通信系统概念的理解。
第五章 驱动系统设计（2学时）
5.1 驱动系统概述（了解）
5.2 驱动系统分类及性能指标（了解）
5.3 电磁驱动系统（理解）
5.4 液压驱动系统（理解）
5.5 气驱动系统（理解）
5.6 传动系统（理解）
5.7 驱动系统配置与应用（理解）
本章学习要求：理解驱动系统的分类和主要性能指标。理解电磁驱动、液压驱动和气驱动的工作原理和应用。理解传动比、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、瞬时最大电流、瞬时最大力矩和堵转等概念，通过实例学会电机和驱动器选型。
第六章 控制策略与运动规划（6学时，重点\难点）
6.1 控制策略概述（理解）
6.2 慎思式控制（理解）
6.3 反应式控制（理解）
6.4 运动规划概述（理解）
6.5 路径规划方法（掌握）
6.5 轨迹规划方法（理解）
6.6 运动规划仿真与实验（掌握）
本章学习要求：理解几种常见的机器人控制策略：慎思式控制、反应式控制和混合式控制。理解机器人运动规划包括路径规划和轨迹规划两阶段，掌握Dijkstra、 A*和RRT等几种常见的机器人路径规划算法和评价指标，学会使用梯形速度曲线、双S速度曲线等轨迹规划方法。掌握用仿真软件进行运动规划的方法。
第七章 运动控制（6学时，重点\难点）
7.1 运动控制概述
7.2 位置控制（理解）
7.3 力/位控制（了解）
7.4 视觉伺服控制（理解）
7.5 控制仿真与实验（掌握）
本章学习要求：理解几种常见的机器人运动控制方法：位置控制、力/位混合控制和视觉伺服控制。掌握关节空间的位置控制、任务空间的位置控制和机器人正逆运动学。了解力/位控制的几种形态：导纳控制、阻抗控制和力/位混合控制。理解视觉伺服控制的几种基本形态：Look-and-Move、 基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。 掌握用仿真软件进行位置控制和视觉伺服控制的方法。
第八章 控制系统设计（4学时）
8.1控制系统硬件概述 （了解）
8.2 控制系统软件概述（了解）
8.3 软件架构设计（理解）
8.4 应用程序设计（理解）
8.5人机界面设计（理解）
8.6 机器人系统仿真与实验（掌握）
本章学习要求：理解机器人控制系统的设计流程。理解运动规划模块、通信模块、人机交互模块、控制模块、驱动模块和实时操作系统等的功能和作用，理解基于嵌入式系统和基于PC的硬件控制架构。掌握用仿真软件构建机器人系统并进行实验测试的方法。
| 章节/学时分配 | 讲课 | 习题课 | 实验课 | 上机课 | 讨论课 | 其它 |
| 第一章/2学时 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 第二章/6学时 | 3 | 0 | 2 | 0 | 1 | 0 |
| 第三章/6学时 | 3 | 0 | 2 | 0 | 1 | 0 |
| 第四章/4学时 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 第五章/2学时 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 第六章/6学时 | 3 | 0 | 2 | 0 | 1 | 0 |
| 第七章/6学时 | 3 | 0 | 2 | 0 | 1 | 0 |
| 第八章/4学时 | 2 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 合计 | 22 | 1 | 9 |
| 4 |
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