机器人机构学  081101M05006H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:王双翌,张大朋,邢登鹏
授课时间: 星期三,第5、6、7 节
授课地点: 教一楼324
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13
课程编号: 081101M05006H 课时: 40 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:王双翌,张大朋,邢登鹏 助教:
英文名称: Robot Mechanism 召集人:

教学目的、要求

通过本课程的学习,希望学生能够对机器人机构构型设计与优化的研究进展有较为系统的了解,对相应机构设计分析工具及软件有所实践,掌握机器人运动学、动力学、运动约束及性能分析等研究问题中所需要的常用方法和手段,为从事机器人系统机构机制的设计研发及分析工作奠定基础。
课程基本要求:建议学生补充掌握一定的机器人基础知识和编程及软件基础,在学习理论分析方法的同时积极尝试通过实践对案例进行分析。基础知识包括:机器人学的常用基础概念及术语、直线几何与线性代数的基本知识等。编程及软件基础方面,建议选修学生在学习过程中了解并尝试相关计算机辅助设计工具包及Robotics Toolbox for Matlab的使用。
授课方式:
课堂讲授与课程实践相结合的方式。课堂讲授机器人机构设计理论、机器人机构学研究中的数学工具及其在分析机器人运动和性能过程中的应用。课程实践方面,通过对不同机构及其应用案例的展示和讨论以及计算机辅助软件的使用让学生更好地了解相关理论的现实应用。

预修课程

教 材

于靖军、刘辛军、丁希伦著,机器人机构学数学基础,机械工业出版社 第二版,2015年

主要内容

共计14周,课程讲授38学时+考试2学时=40学时。
第一章  绪论 
1.1机构学与机器人学的发展历史
1.2机构学与机器人学中的基本概念
1.3机器人机构学的主要研究内容
1.4 本课程的内容体系
第二章 现代机构类型 
2.1 现代机构分类
2.2 变胞机构
2.3 柔顺机构
2.4 微纳机构
2.5 仿生机构
第三章 机器人与机构学 
3.1 机器人的定义及分类
3.2 机器人的机构类型
3.3 机器人机构的创新
第四章  机器人机构学研究中的数学工具 
4.1 李群、李代数概述
4.2 旋量理论概述
4.3 数学工具在机器人中的应用
第五章 李群与刚体变换
5.1 群与李群的定义
5.2 几种典型的群
5.3 刚体运动与刚体变换
5.4 刚体的位姿描述
5.5 刚体转动与三维旋转群
第六章  刚体运动群的李代数
6.1 李代数的定义
6.2 刚体运动群的李代数
6.3 指数映射
6.4 刚体运动的指数坐标
6.5 刚体速度的旋量表达
第七章  旋量及其运算
7.1 速度瞬心
7.2 旋量的定义
7.3 旋量的物理意义 
7.4 力旋量
7.5 机器人的力雅可比矩阵
第八章  线几何与旋量系
8.1 线几何
8.2 旋量系
8.3 互易旋量系
第九章 机器人机构运动学1
9.1 机器人位置和姿态的表示
9.2 坐标变换与齐次坐标变换
9.3  D-H参数法和指数积公式对比
9.4 基于指数积的机器人正向运动学
第十章 机器人机构运动学2
10.1 逆运动学指数积公式
10.2 运动学逆解三原则及逆运动学典型子问题求解
10.3 机器人逆运动学应用
10.4 基于指数积的机器人速度雅可比矩阵
第十一章 机器人机构动力学分析
11.1 牛顿-欧拉动力学方程
11.2 拉格朗日动力学方程
11.3 转动惯量
11.4 多自由度机器人的动力学方程
第十二章 机器人机构的运动与约束分析
12.1 运动旋量系与约束旋量系
12.2 自由度空间与约束空间
12.3 机构自由度计算
12.4 机构构型综合方法
第十三章 机器人机构的性能分析
13.1 运动性能分析
13.2 灵巧度分析
13.3 传动性能分析
13.4 静刚度性能分析

参考文献

(1)	战强著,机器人学-机构、运动学、动力学及运动规划,清华大学出版社,2019年
(2)	戴建生著,机构学与机器人学的几何基础与旋量代数,高等教育出版社,2014年
(3)	Peter Corke著刘荣等译,机器人学、机器视觉与控制-MATLAB算法基础,电子工业出版社,2016年