《机器人智能检测与先进控制基础》 教学大纲

教学大纲学年第一学期课程名称：机器人智能检测与先进控制基础教师姓名：所在部门:教学大纲课程代码ABC-002课程名称机器人智能检测与先进控制基础FoundationofRobotIntelligentDetectionandAdvancedControl课程简介作为机器人工程和自动化等相关专业的本科教材和其他专业的通识类课程，以及职业院校的专业课程，兼顾了“机器人的智能检测”和“机器人的先进控制”这两门课程的内容。在智能检测方面，教材利用第1〜4章介绍了检测系统概述、机器视觉基础、工业机器人的视觉检测技术，能够使学生对以视觉检测为主的智能检测技术有一个较为清晰的认识。在先进控制方面，教材利用第5〜8章介绍了先进控制基础、自适应控制、模糊控制和神经网络控制在机器人上的应用。能够使学生掌握一些用于机器人的基本的先进控制理论和方法。教材第9章结合脑电信号检测与机器人控制讨论了最新的脑机接口控制的一些研究内容和成果。学时建议全部112学时（1学时相当于一节课，即40〜50分钟），包括讲课、实验和上机在内。也可以根据实际情况，将该教材分为两门课程，分别为“机器人的智能检测”（建议48学时，教材第1〜4章）和“机器人的先进控制”（建议64学时，教材第5〜9章）。开课学期第2学年第2学期或第3学年适用专业•本科院校的各个专业均可（该教材为通识类课程教材）•职业院校的机器人、人工智能及其相关专业教学方式课堂讲解、演示文稿PPT、每章提交作业和总结报告、学生分小组进行计算机编程、以小组形式展示成果先修课程建议学生有一定的自动化、图像处理、电子方面的知识。如果学生没有这方面的知识，可以在教学的适当时候加以介绍。后续课程无教材及参考书机器人智能检测与先进控制基础，戴凤智等编，机械工业出版社1.请教师根据实际需要填写2.考核方式.学生出勤、课上提问和小测验等，占总成绩20%.每章结束后提交一份总结报告，占总成绩20%.以小组为单位展示成果，占总成绩20%.结课考试（开卷或闭卷），占总成绩20%.为学生指定线上的优秀辅助教学资源。学生的参与度，占总成绩20%1.了解机器人检测系统的组成及其应用。学习检测系统的内部状态传感器和外部环境传感器。、里产大不2.学习机器视觉的基础及其在工业机器人上的应用。用!仅3.了解机器人的控制基础，学习自适应控制、模糊控制、神经网络控及双果制等先进控制技术。.学习基于脑机接口的机器人控制领域的基础知识。.培养一定的科研和团队组织管理能力和工作适应能力。本课程授课内容以该教材为主，但需要教师根据授课对象的实际情况给学生提供一些参考书和指导，以及线上的优秀教学资源。具体授课内容如下。第1章机器人及其检测系统概述（讲课4学时/实验0学时/上机0学时）机器人简介机器人的组成介绍机器人的历史。通过PPT和各种图像、视频让学生获得听觉和视觉感受，进一步提高学习和参与的兴趣。介绍机器人的主要组成部分。明确本课程的授课内容及考核评价方式。机器人的检测系统及其应用机器人的技术发展方向•介绍机器人的检测系统对于机器人而言可以分为内部状态传感器和外部环境传感器。•介绍机器人技术发展的一些方向。本章重点：让学生了解机器人检测系统的组成、了解内部状态传感器和外部环境传感器及其主要应用场景。课后工作：让学生分成小组，每组3-5人。以小组为单位利用书籍和线上资源查阅与本章相关的知识并完成本章课后的思考与练习题（教师可以选择其中的一部分留为作业），同时提交一份本章的总结报告（A4纸二到三页即可，要有图也有说明。可以手写也可以利用计算机进行编辑，但不能完全照抄参考的原文）。第2章机器人的检测系统（讲课4学时/实验4学时/上机0学时）1机器人的感知机器人的内部状态检测•让学生了解机器人的检测系统就是机器人的各个感知器官。•学习内部状态传感器，完成位移传感器、测速电机和编码器的实验。机器人的外部环境检测•了解触觉传感器和力觉传感器的原理和应用场景。•对本章内容进行总结。本章重点：本章以掌握内部状态传感器的原理和实验为主。在教师的指导下让学生实际接触位移传感器、测速电机和编码器并进行简单的操作以获得实感。课后工作：应使学生基本掌握本章的内容，同时提醒学生后面课程需要用到本章的知识。让学生完成课后的思考与练习题，并对本章总结后提交报告。第3章机器人的视觉基础（讲课4学时/实验4学时/上机4学时）1机器人的视觉理论基础边缘检测•学习视觉图像处理的基础知识。•了解图像边缘检测的基本方法，学习图像处理的编程知识并上机实现简单的图像边缘检测。摄像机的标定•学习摄像机标定的基本方法，通过实验进行验证。•对本章内容进行总结。本章重点：让学生掌握机器人的视觉图像处理基础并能够通过编程实现简单的图像处理和边缘检测（具体通过哪种计算机图像处理软件和编程语言可以由教师根据实际情况而定）。课后工作：让学生（可以以小组为单位）完成课后的思考与练习题，并对本章进行总结后提交报告。第4章工业机器人的视觉检测（讲课8学时/实验4学时/上机4学时）1视觉系统的组成•通过实验让学生了解工业机器人视觉检测系统的组成及其使用方法。2图像处理流程•在第3章的基础上，继续通过计算机编程实现图像处理的基本操作，可以针对一些金属元件进行表面图像的处理。4.3工业机器人视觉检测实例以第4.3.1节介绍的基于机器视觉的金属表面缺陷检测为例，让学生利用所学知识和上机编程实现金属表面缺陷的检测。本章重点：让学生直接接触工业机器人的视觉检测设备并上机实现检测过程。希望教师运用自己的经验与专业能力，给学生展现工业机器人视觉检测的功能。让学生既不感到枯燥、迷糊或者认为太难而退缩，又觉得机器人的智能检测确实需要大量的知识储备来做支持，以此进一步激发学生继续学习的干劲和潜力。课后工作：让学生完成课后的思考与练习题，并对本章进行总结后提交报告。阶段性总结与考核（课上8学时/实验0学时/上机0学时）：让学生以小组为单位通过PPT展示本组的学习成果，展示计算机编程执行机器人视觉图像处理后的结果。现场由所有的同学和老师共同打分。进行开卷或闭卷的阶段性检测考试。以上是教材的上半部关于“机器人的智能检测”内容，总共课时数48学时。下面是教材的下半部“机器人的先进控制”的内容。第5章机器人控制基础（讲课6学时/实验2学时/上机0学时）1自动控制、自动化和机器人机器人的控制系统了解自动控制、自动化与机器人的关系。了解机器人控制系统的结构、特点和控制方式。机器人的控制技术机器人的智能控制了解开环、闭环控制系统的结构及其各自的特点。学习PID控制并通过实验进行检验。了解机器人的智能控制。本章重点：掌握机器人控制系统的结构，以及了解闭环控制系统特征是本章的重点。课后工作：让学生以小组为单位完成课后的思考与练习题。以小组为单位对智能小车进行PID控制并比赛（如无条件进行智能小车的比赛，可以对电机进行转速的控制或者进行计算机虚拟仿真实验），比赛成绩作为该课程成绩的组成部分之一。第6章机器人的自适应控制（讲课8学时/实验2学时/上机2学时）1自适应控制理论概述•了解自适应控制理论。2自适应控制与机器人•了解自适应控制技术在机器人上的应用。•学习自适应机器人的关键技术。6.3机器人的自适应控制方法•指导学生学习机器人的一些自适应控制方法。•教师还可以根据自己的专业特长介绍其他的一些先进控制理论及其应用。本章重点：自适应控制理论是基础，需要牢固掌握。有条件的情况下，应该指导学生利用自适应控制技术来实际操控机器人（或智能小车），或者在计算机上完成仿真。一定要让学生以小组为单位多次进行实验和仿真。需要注意的是，在机器人运动之前要确认操作环境的安全。课后工作：让学生设计并完成机器人的动作（控制机器人实体或者进行仿真）。以小组为单位进行比赛，比赛成绩作为该课程成绩的组成部分之一。第7章机器人的模糊控制（讲课8学时/实验2学时/上机2学时）模糊控制与机器人模糊控制原理•了解模糊控制的基本原理。机器人系统中模糊控制器的设计•学习模糊控制器的设计并上机进行仿真。4模糊控制器举例•学习两种模糊控制器的结构。•通过实验沿着设计的模糊控制器的控制效果。本章重点：让学生以小组为单位进行模糊控制器设计的仿真编程，有条件的情况下以智能小车或机械臂实体为对象进行模糊控制并确认结果。需要注意的是,在机器人运动之前要确认操作环境的安全。课后工作：完成课后的思考与练习题。让学生以小组为单位提交报告，报告内容为本章的仿真及结果，或者操控智能小车的视频及数据分析。第8章机器人的神经网络控制（讲课8学时/实验0学时/上机4学时）神经网络控制与机器人神经网络的基本结构和计算基础•了解神经网络在机器人控制上的理论基础神经网络在机器人中的应用•了解本节介绍的几种神经网络结构•利用编程来仿真这几种神经网络本章重点：第8.3节是本章重点，请教师选择本节介绍的几种神经网络中的一种作重点介绍（其他的作为一般介绍）。让学生以小组为单位进行编程仿真并确认结果。课后工作：完成课后思考练习。让学生以小组为单位提交报告，报告内容为本章的仿真及结果。第9章基于脑机接口的机器人控制基础（讲课8学时/实验2学时/上机2学时）9.1认识脑机接口脑电信号的采集与处理•掌握脑机接口的基础知识。•了解脑电信号在采集和预处理上的步骤和注意事项。EEG特征提取方法脑机接口系统的评价指标•在完成脑电信号的采集和预处理之后，了解图和提取信号的特征。•学习如何对脑机接口系统进行评价基于SSVEP的机器人控制系统•掌握基于SSVEP的机器人控制系统的组成。•学习如何基于SSVEP-BCI对机械臂进行仿真和实机验证。多模态的机器人控制系统在学习了前面知识基础上，了解多模态的机器人控制系统。对本章进行小结，同时对本课程进行总结。本章重点：让学生了解脑机接口系统的基础，以及如何利用脑电信号控对机器人实施控制。课后工作：完成课后的思