2025年机器人控制教案.pdfVIP

好学近乎知，力行近乎仁，知耻近乎勇。——《中庸》

机器人控制课程教案

课程名称：机器人控制基础

授课对象：计算机科学与技术、自动化、机械工程等相关专

业本科生

课程目标：

1深入理解机器人控制系统的基本概念、原理与架构。

2熟练掌握机器人运动学、动力学分析方法，并能应用于实

际问题解决。

3学习并掌握多种机器人控制算法，包括经典控制算法与先

进控制策略。

4通过实验设计与实施，培养学生的动手能力、创新思维和

团队协作精神。

5引导学生关注机器人技术前沿，激发其探索未知领域的兴

趣。

教学内容安排：

第一周：课程导论与基础知识

引言：机器人技术的历史、现状与未来趋势，以及其在各行

各业的应用案例。

控制系统基础：

1控制系统的定义、分类与基本组成。

2开环控制与闭环控制的对比，闭环控制系统的稳定性分析。

3反馈机制在控制系统中的作用与重要性。

饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》

机器人控制系统架构：

机器人硬件组成：传感器（如编码器、陀螺仪、摄像头）、

执行器（如电机、气缸）、控制器（如PLC、单片机、计算

机）。

机器人软件框架：操作系统、控制算法库、仿真平台等。

教学方法：课堂讲授、视频展示、小组讨论。

第二周：机器人运动学基础

位姿描述：

坐标系的建立与转换，齐次变换矩阵的推导与应用。

机器人末端执行器的位姿表示方法。

正运动学：

D-H参数法的介绍与应用，构建机器人连杆参数表。

根据关节角度计算末端执行器位姿的算法实现。

逆运动学：

逆运动学问题的提出与求解方法（数值解法与解析解法）。

逆运动学求解过程中的常见问题与解决策略。

教学方法：理论讲解、例题演练、MATLAB仿真实验。

第三周：机器人动力学分析

动力学基础：

牛顿-欧拉方程与拉格朗日方程的推导与应用。

动力学分析中的基本假设与简化处理。

机器人动力学建模：

英雄者，胸怀大志，腹有良策，有包藏宇宙之机，吞吐天地之志者也。——《三国演义》

考虑连杆惯性、关节摩擦等因素的动力学模型构建。

动力学模型的验证与调整方法。

动态性能分析：

稳定性分析：判断机器人在运动过程中的稳定性。

响应速度分析：评估机器人对控制指令的响应速度。

能耗分析：优化机器人运动过程中的能量消耗。

教学方法：理论推导、ADAMS软件仿真、案例分析。

第四周：机器人控制算法

PID控制：

PID控制原理、参数整定方法及其实现步骤。

PID控制在机器人控制中的应用案例与效果分析。

高级控制算法：

模糊控制：基本原理、模糊控制器设计、应用实例。

神经网络控制：神经网络基础、学习算法、在机器人控制中

的应用。

自适应控制：自适应控制原理、算法实现、优势与局限性。

路径规划与轨迹跟踪：

路径规划算法（如A*算法、RRT算法）的原理与实现。

轨迹跟踪算法（如纯追踪法、模型预测控制）的介绍与应用。

教学方法：算法讲解、Python编程实践、ROS仿真验证。

第五周：实验设计与实施

实验一：机器人基本运动控制实验：

子曰:“知者不惑，仁