《机器人学》教学大纲 课程名称（汉）：《机器人学》 课程名称（英）：Robotics 课程代码：232028111 课程类型：专业核心课 适用对象：机器人工程专业本科大二 学时/学分：48学时/3学分 先修课程：《机器人工程专业导论》、《计算机软件基础》 方案版本：2021版 一、课程简介 面对21世纪知识经济时代的机遇与挑战，人类（地球人）正在以非凡的智 慧构思新世纪的蓝图。世界的明天将更加美好。但是，地球人在发展中也面临着 环境、人口、资源、战争和贫困等普遍问题，同时还要学会与机器人共处，这是 21世纪地球人必须正视和处理的紧要问题，是影响地球人生存和发展的休戚与 共的重大事件。 《机器人学》是一门高度交叉的前沿学科，它集力学、机械学、生物学、人 类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会 学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。自第一台电子编程工业机 器人问世以来，机器人学已取得令人瞩目的成就。正如宋健教授1999年7月5 日在国际自动控制联合会第14届大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用 是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。”机器人技 术的出现与发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类 的社会生活产生深远的影响。 本课程的目的是使学生了解机器人系统的基本组成、特点和工作原理，掌握 机器人学的基本理论和分析方法，掌握三维空间中刚体的位置和姿态的数学表示 知识，掌握机器人的运动学及动力学分析方法，了解机器人的运动轨迹规划，了 解机器人子系统如驱动器、传感器以及模糊控制等的特点及应用。通过本课程的 学习，使学生了解相关学科理论和技术在机器人技术中的应用、拓宽知识面，提 高机电一体化设计的能力
《机器人学》教学大纲 课程名称（汉）：《机器人学》 课程名称（英）：Robotics 课程代码：232028111 课程类型：专业核心课 适用对象：机器人工程专业本科大二 学时/学分：48 学时/3 学分 先修课程：《机器人工程专业导论》、《计算机软件基础》 方案版本：2021 版 一、课程简介 面对 21 世纪知识经济时代的机遇与挑战，人类（地球人）正在以非凡的智 慧构思新世纪的蓝图。世界的明天将更加美好。但是，地球人在发展中也面临着 环境、人口、资源、战争和贫困等普遍问题，同时还要学会与机器人共处,这是 21 世纪地球人必须正视和处理的紧要问题，是影响地球人生存和发展的休戚与 共的重大事件。 《机器人学》是一门高度交叉的前沿学科，它集力学、机械学、生物学、人 类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会 学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。自第一台电子编程工业机 器人问世以来，机器人学已取得令人瞩目的成就。正如宋健教授 1999 年 7 月 5 日在国际自动控制联合会第 14 届大会报告中所指出的：“机器人学的进步和应用 是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。”机器人技 术的出现与发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性的变化，而且将对人类 的社会生活产生深远的影响。 本课程的目的是使学生了解机器人系统的基本组成、特点和工作原理，掌握 机器人学的基本理论和分析方法，掌握三维空间中刚体的位置和姿态的数学表示 知识，掌握机器人的运动学及动力学分析方法，了解机器人的运动轨迹规划，了 解机器人子系统如驱动器、传感器以及模糊控制等的特点及应用。通过本课程的 学习，使学生了解相关学科理论和技术在机器人技术中的应用、拓宽知识面，提 高机电一体化设计的能力
二、课程的教学目标 1.知识与技能目标：通过本课程的学习，使学生建立机器人的基本概念， 掌握机器人的结构和运动学分析，掌握建立机器人的运动学方程的方法，了解建 立机器人动力学模型的方法，了解建立机器人动力学模型的建立方法。 2.过程与方法目标：通过对机器人技术的学习使学生的思维和分析方法得 到一定的训练，在此基础上提高对机器人技术的认识，并具备一定的机器人分析 和应用能力，为以后专业发展打下基础。 3.情感、态度与价值观发展目标：通过本课程的学习，培养作为一个工程 技术人员必须具备的坚持不懈的学习精神，勇于探索的科学态度和积极向上的价 值观，为未来的学习、工作和生活奠定良好的基础。 三、课程目标对机器人工程专业毕业要求的支撑关系 毕业要求指标点（非认证专业 毕业要求 课程目标 支撑权重 可以省略本项内容) 设计开发解决方案 1~3 0.03 研究 1~3 0.07 工程与社会 3 0.11 终身学习 3 0.09 四、教学内容及其基本要求 序号 教学内容 教学要求（包括重点难点、教学方法、学生掌握的程度等） 对应课程 目标 通过本章的学习，要求学生主要掌握机 1 第一章概论 器人的发展历史、专业术语、分类及组成等 3 基础知识。 通过本章的学习，要求学生主要掌握机 器人在三维空间的位置与姿态的数学描述知 第二章空间描 2 识，通过定义，能够将机械操作本身与周围 1,2,3 述和变换 空间的移动物体（工件、工具、机器人自身） 联系起来。 第三章机器人 本章的学习目的，在于使学生掌握静止 1,2,3 的顺向运动学 状态下机械臂连杆的位置和姿态的描述方
二、课程的教学目标 1．知识与技能目标：通过本课程的学习，使学生建立机器人的基本概念， 掌握机器人的结构和运动学分析，掌握建立机器人的运动学方程的方法，了解建 立机器人动力学模型的方法，了解建立机器人动力学模型的建立方法。 2．过程与方法目标：通过对机器人技术的学习使学生的思维和分析方法得 到一定的训练，在此基础上提高对机器人技术的认识，并具备一定的机器人分析 和应用能力，为以后专业发展打下基础。 3．情感、态度与价值观发展目标：通过本课程的学习，培养作为一个工程 技术人员必须具备的坚持不懈的学习精神，勇于探索的科学态度和积极向上的价 值观，为未来的学习、工作和生活奠定良好的基础。 三、课程目标对机器人工程专业毕业要求的支撑关系 毕业要求 毕业要求指标点（非认证专业 可以省略本项内容） 课程目标 支撑权重 设计/开发解决方案 1~3 0.03 研究 1~3 0.07 工程与社会 3 0.11 终身学习 3 0.09 四、教学内容及其基本要求 序号 教学内容 教学要求（包括重点难点、教学方法、学生掌握的程度等） 对应课程 目标 1 第一章 概论 通过本章的学习，要求学生主要掌握机 器人的发展历史、专业术语、分类及组成等 基础知识。 3 2 第二章 空间描 述和变换 通过本章的学习，要求学生主要掌握机 器人在三维空间的位置与姿态的数学描述知 识，通过定义，能够将机械操作本身与周围 空间的移动物体（工件、工具、机器人自身） 联系起来。 1，2，3 3 第三章 机器人 的顺向运动学 本章的学习目的，在于使学生掌握静止 状态下机械臂连杆的位置和姿态的描述方 1，2，3
对应课程 序号 教学内容 教学要求（包括重点难点、教学方法、学生掌握的程度等 目标 法，以及如何用DH法建立机器人的顺向运 动学方程。要求学生掌握用机械臂杆件的几 何描述方法以及在杆件上建立坐标系的方 法；掌握改进的D-H参数表达法，了解标准 的DH参数表达法。 本章的学习目的，在于使学生掌握在已 知工具坐标系相对于固定坐标系的期望位置 和姿态的前提下，计算一系列满足期望要求 第四章机器人 的关节角的方法，即机器人的逆向运动学。 1,2,3 的逆向运动学 要求学生掌握逆向运动学解的存在性、多解， 以及相应的解法，包括代数解法和几何解法： 掌握一般的三轴相交的Piper的解法。 通过本章的学习，要求学生掌握刚体线 第五章雅可 速度和角速度的表示方法，并且能够运用这 5 1,2,3 比：速度和静力 些概念去分析机械臂的运动；掌握雅可比矩 阵的概念及用法。 通过本章的学习，使学生了解机器人的 动力学问题，即执行器作用的力矩或者施加 第六章机器人 6 在机械臂上的外力与机械臂本身运动之间的 1,2,3 的动力学 关系，也分为机械臂的顺向动力学和逆向动 力学。 通过本章的学习，使学生了解机器人规 划的作用和任务，理解路径与轨迹的概念及 第七章轨迹规 关节空间描述与直角坐标空间描述的含义。 1,2,3 划 基本掌握机器人关节空间描述与直角坐标空 间的轨迹规划方法。 第八章机械臂 通过本章的学习，使学生了解线性控制 1,2,3 的线性控制 的基本原理和方法，以及采用线性控制来控
序号 教学内容 教学要求（包括重点难点、教学方法、学生掌握的程度等） 对应课程 目标 法，以及如何用 D-H 法建立机器人的顺向运 动学方程。要求学生掌握用机械臂杆件的几 何描述方法以及在杆件上建立坐标系的方 法；掌握改进的 D-H 参数表达法，了解标准 的 D-H 参数表达法。 4 第四章 机器人 的逆向运动学 本章的学习目的，在于使学生掌握在已 知工具坐标系相对于固定坐标系的期望位置 和姿态的前提下，计算一系列满足期望要求 的关节角的方法，即机器人的逆向运动学。 要求学生掌握逆向运动学解的存在性、多解， 以及相应的解法，包括代数解法和几何解法； 掌握一般的三轴相交的 Piper 的解法。 1，2，3 5 第五章 雅可 比：速度和静力 通过本章的学习，要求学生掌握刚体线 速度和角速度的表示方法，并且能够运用这 些概念去分析机械臂的运动；掌握雅可比矩 阵的概念及用法。 1，2，3 6 第六章 机器人 的动力学 通过本章的学习，使学生了解机器人的 动力学问题，即执行器作用的力矩或者施加 在机械臂上的外力与机械臂本身运动之间的 关系，也分为机械臂的顺向动力学和逆向动 力学。 1，2，3 7 第七章 轨迹规 划 通过本章的学习，使学生了解机器人规 划的作用和任务，理解路径与轨迹的概念及 关节空间描述与直角坐标空间描述的含义。 基本掌握机器人关节空间描述与直角坐标空 间的轨迹规划方法。 1，2，3 8 第八章 机械臂 的线性控制 通过本章的学习，使学生了解线性控制 的基本原理和方法，以及采用线性控制来控 1，2，3
对应课程 序号 教学内容 教学要求（包括重点难点、教学方法、学生掌握的程度等） 目标 制机器人这个非线性系统的合理性。 五、各教学环节及学时分配 教学环节及学时 知识棋块 教学内容 讲 习 课 课 讨论 实验（实哦） 命 第一节机器人的定义 第二节机器人的发展 第一章概论 第三节机器人的专业术语 4 4 第四节机器人的分类 第五节机器人的组成 第一节引言 第二节移动 第三节转动 第四节旋转矩阵 第五节旋转矩阵与转角 第二章空间描述 第六节绕固定坐标系旋转 8 8 和变换 第七节绕动坐标系旋转 第八节刚体状态的表达 第九节映射 第十节算子 第十一节齐次变换矩阵的运算
序号 教学内容 教学要求（包括重点难点、教学方法、学生掌握的程度等） 对应课程 目标 制机器人这个非线性系统的合理性。 五、各教学环节及学时分配 知识模块 教学内容 教学环节及学时 讲 授 课 习 题 课 讨 论 课 实 验 （ 实 践 ） 合 计 第一章 概论 第一节 机器人的定义 第二节 机器人的发展 第三节 机器人的专业术语 第四节 机器人的分类 第五节 机器人的组成 4 4 第二章 空间描述 和变换 第一节 引言 第二节 移动 第三节 转动 第四节 旋转矩阵 第五节 旋转矩阵与转角 第六节 绕固定坐标系旋转 第七节 绕动坐标系旋转 第八节 刚体状态的表达 第九节 映射 第十节 算子 第十一节 齐次变换矩阵的运算 8 8
教学环节及学时 知识模块 教学内容 讲 习 课 论课 实验（实践） 弃 课 第一节引言 第二节机械臂的几何描述方式 第三节杆件上建立坐标系的方 法 第四节改进的DH表达法 第三章机器人的 第五节改进的D-H表达法示例 6 6 顺向运动学 第六节驱动器、关节和笛卡尔坐 标系 第七节标准的D-H表达法 第八节标准的D-H表达法示例 第九节综合示例 第一节引言 第二节解的存在性 第三节当n<6时操作比子空间的 描述 第四节代数解法和几何接法 第五节简化成多项式的代数解 第四章机器人的 法 6 6 逆向运动学 第六节三轴相交的Pieper解法 第七节机械臂逆运动学示例 第八节标准坐标系 第九节机械臂求解 第十节重复精度和精度 第十一节计算问题
知识模块 教学内容 教学环节及学时 讲 授 课 习 题 课 讨 论 课 实 验 （ 实 践 ） 合 计 第三章 机器人的 顺向运动学 第一节 引言 第二节 机械臂的几何描述方式 第三节 杆件上建立坐标系的方 法 第四节 改进的 D-H 表达法 第五节 改进的 D-H 表达法示例 第六节 驱动器、关节和笛卡尔坐 标系 第七节 标准的 D-H 表达法 第八节 标准的 D-H 表达法示例 第九节 综合示例 6 6 第四章 机器人的 逆向运动学 第一节 引言 第二节 解的存在性 第三节 当 n<6 时操作比子空间的 描述 第四节 代数解法和几何接法 第五节 简化成多项式的代数解 法 第六节 三轴相交的 Pieper 解法 第七节 机械臂逆运动学示例 第八节 标准坐标系 第九节 机械臂求解 第十节 重复精度和精度 第十一节 计算问题 6 6
教学环节及学时 知识模块 教学内容 讲 习 课 论课 实验（实践） 弃 课 第一节引言 第二节时变位置和姿态的符号 表示 第三节刚体的线速度和角速度 第四节对角速度的进一步研究 第五节机器人连杆的运动 第五章雅可比： 第六节连杆之间的速度“传递” 6 6 速度和静力 第七节雅可比 第八节奇异性 第九节机械臂的静力 第十节力域中的雅可比 第十一节 速度和静力的笛卡尔 变换
知识模块 教学内容 教学环节及学时 讲 授 课 习 题 课 讨 论 课 实 验 （ 实 践 ） 合 计 第五章 雅可比： 速度和静力 第一节 引言 第二节 时变位置和姿态的符号 表示 第三节 刚体的线速度和角速度 第四节 对角速度的进一步研究 第五节 机器人连杆的运动 第六节 连杆之间的速度“传递” 第七节 雅可比 第八节 奇异性 第九节 机械臂的静力 第十节 力域中的雅可比 第十一节 速度和静力的笛卡尔 变换 6 6
教学环节及学时 知识模块 教学内容 讲授课 习 课 讨论课 实验（实戰） 弃 第一节引言 第二节刚体的加速度 第三节质量分布 第四节牛顿方程和欧拉方程 第五节牛顿欧拉递推动力学方 程 第六节迭代形式与封闭形式 第七节封闭形式的动力学方程 第六章机器人的 应用举例 6 6 动力学 第八节机械臂动力学方程的结 构 第九节机械臂动力学的拉格朗 日方程 第十节笛卡尔空间中的机械臂 动力学 第十一节考虑非刚体影响 第十二节动力学仿真 第十三节 计算问题 第一节引言 第二节关于路劲描述和路径生 成的综述 第七章轨迹规划 第三节关节空间的规划方法 6 6 第四节笛卡尔空间的规划方法 第五节笛卡尔路径的几何问题 第六节路径的实时生成
知识模块 教学内容 教学环节及学时 讲 授 课 习 题 课 讨 论 课 实 验 （ 实 践 ） 合 计 第六章 机器人的 动力学 第一节 引言 第二节 刚体的加速度 第三节 质量分布 第四节 牛顿方程和欧拉方程 第五节 牛顿-欧拉递推动力学方 程 第六节 迭代形式与封闭形式 第七节 封闭形式的动力学方程 应用举例 第八节 机械臂动力学方程的结 构 第九节 机械臂动力学的拉格朗 日方程 第十节 笛卡尔空间中的机械臂 动力学 第十一节 考虑非刚体影响 第十二节 动力学仿真 第十三节 计算问题 6 6 第七章 轨迹规划 第一节 引言 第二节 关于路劲描述和路径生 成的综述 第三节 关节空间的规划方法 第四节 笛卡尔空间的规划方法 第五节 笛卡尔路径的几何问题 第六节 路径的实时生成 6 6
教学环节及学时 知识模块 教学内容 习 论 实验（实践） 课 课 计 第一节引言 第二节反馈与闭环控制 第三节二阶线性系统 第四节二阶系统的控制 第五节控制规律的分解 第八章机械臂的 第六节轨迹跟踪控制 4 4 线性控制 第七节抑制干扰 第八节连续控制和离散控制 第九节单关节的建模和控制 第十节工业机器人控制器的结 构 总复习 总结课程主要知识点和重难点。 2 2 合计 48 六、成绩考核及基本要求 建 考核 议 对应课程 环节 分 考核评价细则 目标 迟到1次扣一分，旷课1次扣2分，其它如不遵守课堂纪律 平时成绩 15 3 等根据具体情况减扣，有其它优异表现可以酌情加分。 作业成绩 15 次作业不完成减扣2分。 1,2,3 考试成绩 70 根据试卷评分规则考核。 1,2 七、教材与主要教学参考资源 (一)推荐教材与参考书 选用教材：Craig,.John J.著.负超等译.《机器人学导论（原书第4版）》. 北京：机械工业出版社，2020 主要参考书：
知识模块 教学内容 教学环节及学时 讲 授 课 习 题 课 讨 论 课 实 验 （ 实 践 ） 合 计 第八章 机械臂的 线性控制 第一节 引言 第二节 反馈与闭环控制 第三节 二阶线性系统 第四节 二阶系统的控制 第五节 控制规律的分解 第六节 轨迹跟踪控制 第七节 抑制干扰 第八节 连续控制和离散控制 第九节 单关节的建模和控制 第十节 工业机器人控制器的结 构 4 4 总复习 总结课程主要知识点和重难点。 2 2 合计 48 六、成绩考核及基本要求 考核 环节 建 议 分 值 考核/评价细则 对应课程 目标 平时成绩 15 迟到 1 次扣一分，旷课 1 次扣 2 分，其它如不遵守课堂纪律 等根据具体情况减扣，有其它优异表现可以酌情加分。 3 作业成绩 15 一次作业不完成减扣 2 分。 1，2，3 考试成绩 70 根据试卷评分规则考核。 1，2 七、教材与主要教学参考资源 （一）推荐教材与参考书 选用教材：Craig, John J. 著. 贠超等译. 《机器人学导论（原书第 4 版）》. 北京：机械工业出版社，2020 主要参考书：
1.蔡自兴，谢斌编著.《机器人学（第三版)》.北京：清华大学出版社， 2015 2.宋伟刚编著.《机器人学一运动学、动力学与控制》.北京：科学出版社， 2007 3.Saeed B.Nku.《机器人学导论一分析、系统及应用》，电子工业出版社， 2004.1 (二)推荐网站（包括课程网站、专业网站等） https://www.bilibili.com/video/BV1v4411H7ez (台湾大学林沛群的网课一机器人学) https://www.bilibili.com/video/BV19z4y197cf?from=search&seid=6839436805 133641116 (台湾交通大学机器人学公开课) https://www.icourse163.org/course/NEU-1003431001?from=searchPage (中国大学MOOC-机器人基础原理) 编写者：杨智勇 审核者：周艳华 批准者：邓建球 编写时间：2021年6月
1. 蔡自兴，谢斌编著. 《机器人学（第三版）》. 北京：清华大学出版社， 2015 2. 宋伟刚编著. 《机器人学—运动学、动力学与控制》. 北京：科学出版社， 2007 3. Saeed B. Niku . 《机器人学导论－分析、系统及应用》，电子工业出版社， 2004.1 （二）推荐网站（包括课程网站、专业网站等） https://www.bilibili.com/video/BV1v4411H7ez （台湾大学林沛群的网课——机器人学） https://www.bilibili.com/video/BV19z4y197cf?from=search&seid=6839436805 133641116 （台湾交通大学机器人学公开课） https://www.icourse163.org/course/NEU-1003431001?from=searchPage （中国大学 MOOC-机器人基础原理） 编写者：杨智勇 审核者：周艳华 批准者：邓建球 编写时间：2021年6月