课程概述

机器人技术迅猛发展，形形色色的机器人已走进了人们日常生产生活的方方面面，对机器人领域人才要求日益迫切。《机器人基础原理》课程正是顺应机器人的发展潮流为机器人工程专业开设的一门专业基础课程。课程的学习对象是大学二年级以上本科生及其它对机器人技术感兴趣的学习人员。本课程要求学生已经学习了高等数学、线性代数等课程的基本内容。如学生已学习过自动控制原理对本课程的学习是有利的，但自动控制原理课程不是本课程的必须先修课程。

机器人运动学及动力学建模是本课程的重点讲授内容，学生通过本课程学习可了解掌握机器人的基本原理和建模方法，建立系统完整的基础理论体系，为后续深入学习机器人智能控制等课程打下必要的和坚实的知识基础。围绕课程的重点内容，设计了包括机器人运动学、动力学、驱动系统、位姿轨迹控制、力控制、智能控制以及基于MATLAB的仿真等知识点内容，初步建立并形成了具有自身特色的课程知识体系架构。

第1至第8章涵盖了机器人学的基础内容，各章节知识点之间存在一定的先后顺序，建议按章节顺序安排学习。第9章和第10章具有一定的拓展性，可根据自身基础情况来安排。第11章是Matlab仿真，与第1-8章的理论知识相对应，建议结合理论内容逐步进行。

课程团队教师均为东北大学机器人科学与工程学院的专任教师，主讲教师长期从事机器人领域研究和教学工作，了解掌握机器人领域的历史背景和发展趋势，对机器人技术具有深入的理解和深厚的研究积累，可为课程教学提供有力的支撑。

东北大学机器人科学与工程学院成立于2015年9月，系985高校首个机器人学院，从2016级开始招收机器人工程专业本科生。《机器人基础原理》课程为机器人工程专业的学位课程，是机器人工程专业培养计划的基础性的主干课程，在大二的下学期开设，课程的理论学时32学时，实验学时8学时。

《机器人基础原理》课程是专门为机器人领域学生精心打造的一门专业基础课程，可为有志于在机器人领域开展学习并成长为高水平人才的学生提供入门指导。课程团队全体人员欢迎广大学生踊跃参与本课程的学习，并希望所有学习人员学有所成，在未来的机器人热潮中快速成长为栋梁人才。

证书要求

本课程是考查课，平时成绩占40%，包含考勤，作业，测试和实验这4个部分，期末是闭卷考试，成绩占50%。

预备知识

《机器人基础原理》课程的学习对象是大学二年级本科生以及其它对机器人技术感兴趣的学习人员。要求学生已经学习了高等数学、线性代数等课程的基本内容。如学生已学习过自动控制原理对本课程的学习是有利的，但自动控制原理课程不是本课程的必须先修课程。

授课大纲

第1章 绪论

1.1 机器人概念及发展历程

1.2 机械臂典型结构及类型

1.3 机械臂连杆、关节及自由度

1.4 机器人系统组成与结构

第1章 单元测验

第1章 单元作业

第2章 位姿描述与坐标变换

2.1 刚体的位置和姿态描述

2.2 坐标系平移与旋转变换

2.3 机器人的齐次坐标

2.4 机器人的齐次变换

第2章 单元测验

第2章 单元作业

第3章 连杆参数及运动学求解

3.1 机器人位置运动学

3.2 机器人正运动学

3.3 机器人逆运动学

3.4 机器人运动学实例分析

第3章 单元测验

第3章 单元作业

第11章 仿真实验

11-1 初识Matlab robotics toolbox

11-2 建立机器人模型

11-3 正逆运动学、轨迹规划

11-4 速度与静力

11-5 操作臂动力学

11-6 Matlab simulink

11-7 操作臂控制

第11章 单元测验（1）

第11章 单元测验（2）

第4章 机器人速度建模与分析

4.1 连杆速度的传递与计算

4.2 雅克比矩阵构建（矢量积法）

4.3 坐标系的微分运动

4.4 雅克比矩阵的构建(微分变换法）

4.5 奇异及可操作性

第4章 单元测验

第4章 单元作业

第5章 机器人动力学建模

5-1 连杆间静力的传递及力雅克比矩阵

5-2 转动惯量及惯性张量

5-3 连杆间加速度的传递

5-4 机器人动力学建模（牛顿-欧拉法）

5-5 机器人动力学建模（拉格朗日方程方法）

5-6 拉格朗日法动力学建模（四连杆机械臂）

第5章 单元测验

第5章单元作业

第6章 机器人关节驱动与控制

6.1 机器人驱动系统概述

6.2 关节驱动电机

6.3 关节传动参数计算及负载特性

6.4 关节伺服控制

6.5 机器人传感器

第6章单元测验

第6章 单元作业

第7章 轨迹规划与控制

7.1 轨迹规划

7.2 用抛物线过渡的线性插值

7.3 笛卡尔空间轨迹规划

第7章 单元测验

第7章 单元作业

第8章 机器人非线性控制及力控制

8.1 位姿及轨迹控制

8.2 质量弹簧系统的力控制

8.3 力控制

第8章 单元测验

第8章 单元作业

第9章 机器人智能控制

9-2 什么是机器学习

9-3 机器学习基础1（分类问题）

9-4 机器学习基础2（回归问题）

9-5 计算机视觉1

9-6 计算机视觉2

9.7 模仿学习机器人

9.8 自主学习机器人

9.9 多智能体机器人

9-10 未来智能机器人

9-1 机器学习在机器人中的应用

第9章 单元测验

第9章 单元作业

第10章 协作机器人

10-1 协作机器人概念及内涵

10-2 人机交互基本概念

10-3 人机交互接口

10-4 人机协作机器人编程

第10章 单元测验

参考资料

课程主要参考书：

（1）约翰·克莱格（John Craig），机器人学导论(原书第三版或第四版)，机械工业出版社。（2） 蔡自兴，谢斌，机器人学（第三版），清华大学出版社。