《机器人基础与数字孪生系统》_褚明 教学大纲 .doc

《机器人基础与数字孪生系统》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程名称

中文：机器人基础与数字孪生系统

英文：FundamentalsofRoboticsandDigitalTwinSystem

学分/学时

2/32

必修（）/选修（√）

开课学期

6

课程类别

专业课程

适用专业

机器人工程、机械工程、自动化

先修课程

高等数学、线性代数、机械原理、理论力学、自动控制原理

二、课程目标

本课程是面向机器人工程、机械工程和自动化专业的工科门类课程，主要学习与工业4.0体系密切相关的机器人与数字孪生系统。通过本课程的学习，实现以下目标：

课程目标1：通过学习机器人机构、运动学、动力学、控制系统等基本理论和基础知识，使学生掌握机器人系统的计算、建模和仿真分析方法。

课程目标2：通过掌握数字孪生系统的基本原理和工程设计方法，使学生具备工程思维，能够从项目应用的角度解决数学建模、参数选择、工程化表达等工程问题。

课程目标3：通过应用现代设计与分析软件，掌握解决复杂工程问题预测、仿真、模拟和设计的科学方法，激发学生勇于求真和敢于创新的潜力与情怀。

三、课程落实立德树人的举措

1.时刻贯穿理论联系实际的学习思维，引导学生树立“科学为人”的正确价值观；

2.穿插著名相关科学家的成长史和研究成果，熏陶学生对科学技术发展的人文情怀；

3.注重学科交叉，展示科学与工程之间的密不可分性与相互促进性，促进学生形成科学发展观；

4.尊重科学规律，讲解客观，帮助学生建立求真务实的学术思想；

5.分组活动能同时培养学生的独立思维和协作互助精神，兼具独立人格和团队意识。

四、教学内容及学时安排

序号

教学内容

学时

分配

教学目标与要求

对课程目标的支撑

1

第一章绪论

1.1关于机器人学

1.2典型机器人

1.3数字孪生系统

1.4数字孪生关键技术

2

了解机器人系统和数字孪生系统的相关概念及系统组成。

课程目标1和2

2

第二章机器人机构

2.1运动副

2.2串联机器人机构

2.3并联机器人机构

2.4移动机器人机构

2.5机器人的自由度

2.6驱动机构、传动机构与机器人减速器

2.7关节空间、任务空间与驱动空间

2

熟悉组成各类机器人的基本机构，掌握自由度的概念，了解减速器类型及其特征，能区分各个相关空间的含义。

课程目标1

3

第三章机器人运动学

3.1齐次变换

3.2DH约定和MDH约定

3.3正向运动学递归

3.4逆向运动学递归

3.5路径规划

5

熟悉齐次变换的含义，掌握DH建模方法，能以机械臂为例进行正、逆向运动学的推导计算，区分DH法和MDH法的差异，理解路径规划的内涵和用途。

课程目标1和3

4

第四章机器人动力学

4.1分析力学体系下的拉格朗日方程

4.2矢量力学体系下的牛顿-欧拉方程

4.3凯恩方程

4.4动力学参数辨识

4.5机器人动力学的虚拟样机仿真

6

熟悉Lagrange方程的分析力学原理，并能完成简单系统的动力学模型推导。了解牛顿欧拉递推公式的基本步骤。理解Kane方程区别分析力学和矢量力学的内涵，能对少自由度系统进行建模。了解动力学参数辨识和虚拟样机仿真技术，能对简单系统进行建模和初步仿真，并会分析仿真结果。

课程目标1和3

5

第五章机器人系统的传感与控制

5.1执行器与传感器

5.2反馈与稳定性

5.3机械臂的位置控制

5.4操作臂的阻抗控制

5.5动力学非线性补偿控制

4

掌握机器人伺服系统的组成和控制对象的数学模型，能够对位置伺服系统进行简单设计。其它一般了解。

课程目标1和3

6

第六章数字孪生系统架构及引擎

6.1系统架构及技术体系

6.2数字孪生引擎

6.3可视化应用

3

熟悉建立数字孪生系统的架构和环境要素，了解引擎平台基本功能，掌握可视化技术的基本应用技能，熟练Unity操作步骤。

课程目标2和3

7

第七章人机共融的数字孪生系统

7.1结构化环境建模

7.2非结构化环境的视觉重建

7.3人机安全交互关键技术

4

能区分结构化和非结构化环境，掌握三维重建技术，熟悉视觉建模方法，了解人机交互基本概念，理解安全监测技术和感知算法，熟悉人机协同构建方法

课程目标2和3

8

第八章数字孪生系统的故障诊断

8.1基于特征生成模型的故障诊断方法

8.2性能退化评估模型

8.3融合工业云的数字孪生故障诊断系统

3

了解特征生成模型，理解故障诊断的意义和方法，认识生成式对抗网络，熟悉性能退化评估方法和数学模型，了解边缘计算和工业云技术，理解数字孪生故障诊断系统的开发框架

课程目标2和3

9

第九章数