《机器人驱动与运动控制》教学大纲

《机器人驱动与运动控制》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22140121课程性质：专业必修课学分：3学分学时：48学时（理论48学时）先修课程：大学物理、电路分析基础、模拟电子技术后续课程：机器人驱动与运动控制实验适用专业：机器人工程专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《机器人驱动与运动控制》是机器人工程专业必修的一门专业必修课。本课程主要讲授电动机的基本原理、调速方法、位置伺服控制理论以及在机器人关节驱动中的应用等。本课程注重基本理论知识的深入学习，强调培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，为学习其他相关课程以及从事相关技术工作打下良好的理论基础。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握直流电机、交流异步电机、同步电机、步进电机等常见电动机的基本结构组成、工作原理及常规使用方法。课程目标2：理解交直流调速系统、位置伺服系统的性能指标、仿真建模方法和控制策略；熟悉多轴协调运动的基本控制理论，以及以电动机为驱动元件的机器人关节驱动系统的构成特点、仿真、分析和设计方法。课程目标3：熟悉运动控制器及相关工具的使用方法；了解我国相关技术和行业发展现状、理解相关国家标准、行业标准，培养学生的自主学习能力、创新意识、工匠精神、爱国情怀和劳动热情。三、课程目标与毕业要求《机器人驱动与运动控制》课程教学目标对机器人工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度1.工程知识1.3掌握信号处理、控制理论、机器人工程等专业理论知识，用于解决分析机器人工程领域的复杂工程问题。课程目标1：掌握直流电机、交流异步电机、同步电机、步进电机等常见电动机的基本结构组成、工作原理及常规使用方法。课程目标2：理解交直流调速系统、位置伺服系统的性能指标、仿真建模方法和控制策略；熟悉多轴协调运动的基本控制理论，以及以电动机为驱动元件的机器人关节驱动系统的构成特点、仿真、分析和设计方法。M3.设计/开发解决方案3.3能够通过单元集成和优化，进行机械电子结构、智能算法、系统集成等部件的应用与设计。课程目标2：理解交流直流调速系统、位置伺服系统的性能指标、仿真建模方法和控制策略；熟悉多轴协调运动的基本控制理论，以及以电动机为驱动元件的机器人关节驱动系统的构成特点、仿真、分析和设计方法。H5.使用现代工具5.1能够选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，对复杂机械工程问题进行测绘、分析与计算，并理解其局限性。课程目标3：熟悉运动控制器、驱动器及相关工具的使用方法；了解我国相关技术和行业发展现状、理解相关国家标准、行业标准，培养学生的自主学习能力、创新意识、工匠精神、爱国情怀和劳动热情。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时对应的课程目标1.机器人驱动与运动控制系统概述1.1机器人驱动系统的主要组成、特点与基本性能指标1.2机器人常见驱动类型、传动机构与发展趋势1.3机器人驱动系统中的机电传动力学思政1：潜心服务国家高铁，助力国之重器昆仑号研发——走进我校电液伺服科研团队教学要求：熟悉机器人驱动与运动控制系统的组成、特点与基本性能指标；熟悉机器人常见驱动类型与传动机构；掌握简单的机电传动力学。重点：机器人驱动与运动控制系统的基本性能指标；机器人常见驱动类型与机构、机电传动力学。难点：机电传动力学。42、32.直流电机驱动系统2.1直流电机的结构及工作原理2.2直流电机的机械特性2.3直流电机的启动、制动与调速方法2.4PWM原理与直流电机驱动技术2.5直流调速系统的技术要求、性能指标与控制策略2.6以直流电机为执行元件的单关节机器人驱动模型与控制2.7直流伺服电机在机器人关节驱动系统中的应用思政2：中国电机工业发展史——百年回顾教学要求：了解直流电机的结构组成、熟悉直流电机的工作原理；

掌握直流电机的机械特性、启动、制动与调速方法；掌握PWM原理、熟悉直流电机驱动技术；理解直流调速系统的技术指标与控制策略；熟悉以电动机为执行元件的单关节机器人驱动模型与控制；熟悉直流伺服电机在机器人驱动与运动控制系统中的应用。重点：直流电机的机械特性、启动、制动与调速方法；PWM原理与直流电机驱动技术；调速系统性能指标与控制策略；以直流电机为执行元件的单关节机器人驱动模型与控制。难点：直流电机的启动、制动与调速；调速系统的控制策略；以直流电机为执行元件的单关节机器人驱动模型与控制。161、23.交流异步电机驱动系统3.1交流异步电动机的结构、特点与工作原理3.2交流异步电动机的等效电路分析3.3交流异步电动机的机械特性和调速方法3.4交流异步电动机变压变频调速方法、SPWM原理与应用3.5通用变频器的使用3.6交流伺服电机在机器人关节驱动系统中的应用思政3：中国电机之父——钟兆琳教学要求：掌握交流异步电机的结构、特点与工作原理；熟悉异步电机的等效电路；掌握交流异步电机的机械特性和调速方法；掌握交流异步电机变压变频调速方法；掌握SPWM原理；熟悉通用变频器、交流伺服电机的使用方法。重点：交流异步电机的工作原理、机械特性和调速方法；交流异步电机变压变频调速方法；SPWM原理与应用；通用变频器及交流伺服电机的使用方法。难点：交流异步电机的工作原理、等效电路分析；交流异步电机变压变频调速、SPWM原理。101、24.同步电机驱动系统4.1同步电机的结构、工作原理和运行特性4.2他控变频同步电机调速系统4.3三相永磁无刷直流电动机及控制系统思政元素：超大功率永磁同步电机首次应用教学要求：掌握同步电机的结构、工作原理和运行特性；熟悉他控同步电机调速系统的构成；掌握三相永磁无刷直流电机的结构组成、工作原理及控制系统组成。重点：同步电机的结构、工作原理和运行特性；三相永磁无刷直流电机的结构组成、工作原理及控制系统组成。难点：同步电机工作原理及运行特性。61、25.步进电机驱动系统5.1步进电机的结构和工作原理5.2步进电机在机器人驱动系统中的应用思政4：团队精神与创新——中国机器人大赛参赛之路教学要求：掌握步进电机的工作原理；掌握步进电机在机器人驱动系统中的应用方法。重点：步进电机的结构和工作原理；步进电机在机器人驱动系统中的应用。难点：步进电机的工作原理。41、26.机器人多轴协调控制6.1位置随动系统6.2插补算法在机器人多轴协调控制中的应用6.3多项式插值算法在机器人轨迹控制中的应用思政5：华中9型新一代智能数控系统亮相教学要求：掌握位置随动系统的结构特点；掌握插补算法在机器人多轴协调控制中的应用；掌握项式插值算法在机器人轨迹控制中的应用方法。重点：插补算法在机器人多轴协调控制中的应用；多项式插值算法在机器人轨迹控制中的应用。难点：多项式插值算法在机器人轨迹控制中的应用。42、37.数字式运动控制系统7.1数字式运动控制系统的特点、组成7.2数字式测速与滤波方法7.3数字式PID原理与应用7.4通用性运动控制卡、运动控制器的应用思政6：浙大中控：为中国工业安装优良“心脏”教学要求：熟悉数字式运动控制系统的特点、组成；掌握数字式测速方法与滤波方法；掌握数字式PID原理与应用；熟悉通用性运动控制卡、运动控制器的应用。重点：数字式测速方法与滤波、数字式PID原理与应用。难点：数字式PID原理与应用。42、3合计48五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，教学过程适当引入启发式和讨论式教学手段，培养学生独立思考问题、分析问题和解决问题的能力；教学过程中注重过程性考核，适当设置开放性、探索性小组任务，培养学生的创新思维能力和团队合作意识；课程以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练，同时提供灵活丰富的线上学习资源。六、课程资源1.推荐教材：（1）吴贵文.运动控制系统[M].北京:机械工业出版社.2022.2.参考书：（1）陈胜利.运动控制系统应用与实践[M].北京:电子工业出版社.2022.（2）阮毅.电力拖动自动控制系统（第5版）[M].北京:机械工业出版社.2021.（3）哈肯·基洛卡.工业运动控制[M].北京:机械工业出版社.2018.（4）王斌锐.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社.2020.（5）曾毅.运动控制系统工程[M].北京.机械工业出版社.2015.3.期刊：（1）冯霞,刘萍.逆运动学与误差补偿的虚拟人运动控制研究[J].计算机仿真,2021,38(09):390-394.（2）崔建一,李福朋,雷贺龙等.PLC技术在轻工领域进行运动控制的特点与发展[J].现代制造技术与装备,2021,57(08):185-186.DOI:10.16107/ki.mmte.2021.0674.（3）张天宇,彭忆强,黄晓蓉等.脚轮式全向移动平台的运动控制设计与仿真[J].中国测试,2021,47(07):109-118+124.（4）时存,王莹,车玉秋.自主移动机器人运动控制与协调[J].决策探索(中),2020(12):57-58.（5）余暕浩.工业机器人智能运动控制方法的分析与研究[J].中国设备工程,2020(22):25-26.（6）林宗德,陈文,林新英.基于三菱QD75的两轴运动控制系统设计[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2020,16(04):71-74.DOI:10.13888/ki.jsie(ns).2020.04.015.（7）朴圣艮.工业机器人运动控制研究[J].农家参谋,2019(24):155.（8）林森,于宁.双轴转台运动控制系统[J].中国科技信息,2018(24):91-92.（9）牟海荣.工业机器人运动控制分析与研究[J].电子技术与软件工程,2018(23):115-117.（10）杨生斌,刘振方,宋春旺等.直流与交流运动控制系统对比研究——基于海洋石油钻井工艺[J].工业技术创新,2017,04(06):57-61.DOI:10.14103/j.issn.2095-8412.2017.06.014.（11）HongchulKim,YoungJuneShin;JungKim;Designandlocomotioncontrolofahydrauliclowerextremityexoskeletonformobilityaugmentation[J],BMCMusculoskeletalDisorders,2015(16).4.网络资源：（1）装备自动化工程设计与实践./courses/course-v1:NPUX+20180702+sp/about.（2）电机与拖动./course/AYIT-1001794001.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表3。表3课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现8（1）根据课堂互动等各种课堂活动的参与情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√332阶段测验16（1）根据每次测验完成情况单独评分，满分100分；（2）每次测验单独评分，取各次测验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以测验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√772作业16（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分。（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√772期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核常见电机的工作原理、特性、调速方法以及运动控制系统的控制理论和在机器人驱动系统中的应用。（3）考试题型为：单项选择题、填空题、简答题、判断题、综合计算题等。√√√252510合计：100分424216八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、阶段测验、作业、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为单项选择题、填空题、判断题、简答题、综合计算题等类型，试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课堂表现、阶段测验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表4。表4过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现20积极参与教学活动，踊跃回答问题，多次累计平