机器人导论

课程信息

课程名称／课程号	适用范围与修读要求
机器人导论 CSE2026M	车辆 · 26级 专业选修 · 模块选修（智能车辆）

课程简介

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机器人技术是一门多学科综合的交叉学科，涉及到机械、电子、传感检测、计算机、控制等领域。本课程通过传授机器人的基本知识，包括三部分核心内容，分别是机器人机械基础、电子与控制、移动机器人运动控制。学生要学习机器人的驱动、传动、机构、传感器、单片机、机器视觉、导航定位、多机器人协同等专业知识，并进行类似国际机器人设计大赛进行机器人设计，培养学生的综合设计能力、创新能力和工程实践能力。通过这门课的学习，学生可以全面了解机器人相关知识，为未来机器人深入研究打下基础。

来源：教务网。

课程内容

分数构成

闭卷考试。期末考试成绩占总成绩的60％，平时成绩（点名、提问、课堂作业）占10％,设计大作业成绩占30%。

课程大纲

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第一章 概论 2学时

1、 机器人基本概念 0.5学时

什么是机器人，通过各类机器人图片介绍机器人，介绍工业4.0和中国制造2025，说明机器人当前的发展趋势和研究热点。

2、 机器人历史与发展 0.5学时

从Robot单词诞生开始讲起，分别介绍工业革命前的机器人以及科幻电影中的机器人。介绍机器人三大定律。重点介绍1954起至今的现代机器人发展。

3、 机器人主要应用 0.5学时

重点介绍工业机器人和服务机器人，通过大量的图片和视频来阐述这两类机器人的发展。

4、 机器人的关键技术 0.5学时

通过介绍机器人的定义和本质，来引出机器人的关键技术，通过和人体做对比，帮助学生更好的理解。将机器人的关键技术分为7类，并借此阐述本课程的讲课安排，两者有很好的对应。最后介绍课程安排，实验安排和考核方式。

第二章 IDC RoboCon概论 2学时

1、 IDC RoboCon竞赛概述 0.5学时

介绍比赛的历史、目的和比赛形式，进而阐述通过机器人设计比赛能够培养学生怎样的能力。

2、 历年比赛题目介绍 1学时

重点介绍3年的国际机器人设计大赛题目，例如2011年MIT比赛题目、2012年东京电机大学比赛题目和2015年新加坡科技设计大学比赛题目，帮助学生更好的理解比赛内涵。

3、 设计大作业题目介绍 0.5学时

选择某一年的国际比赛题目作为本课程的设计大作业题目，要求学生按照题目要求分组完成。

第三章 电路设计与制作 4学时

1、 微控制原理及应用 2学时

介绍微控制器的概念，发展历史和应用。结合微控制器结构，重点阐述微控制器的工作原理。在微控制器应用主要介绍Arduino和基于Arduino的编程。

2、 传感器原理及信号采集 2学时

重点介绍机器人上的应用的各类传感器原理和应用。主要从本体传感器和外部传感器两类展开。

第四章 机械设计与制作 8学时

1、 驱动原理概述 2学时

介绍机器人常用的驱动方式与驱动原理。首先，介绍直流电机的组成与工作原理，建立电机的数学模型，分析电机主要参数对电机工作性能的影响，设计电机工作的基本驱动电路，掌握采用PWM调速下的电机控制。其次，介绍气动驱动系统组成、主要气动元件，以及气体的基本特性，重点介绍气动系统结合伺服阀作用下的方向控制。此外，还简要介绍舵机和液压系统的基本原理，以及在机器人上的应用案例。

2、 机构传动与设计 2学时

主要介绍机器人设计的基本流程、机器人机构的基本概念、以及机器人传动的常用方法。重点介绍齿轮传动的基本原理、设计计算、轮系组成等内容，介绍平面连杆传动的基本组成、传动的基本形式和演化形式等内容。此外，简要介绍滑轮组、以及带传动相关的知识。

3、 机械设计与应用 2学时

围绕机器人机械设计中轴系设计和联接设计两部分内容展开。介绍滚动轴承在机器人设计中的重要性，及其基本原理与合理选型，重点讲授在机器人中的正确设计、安装和使用方法，以及在轴向和径向联接的方法。

4、 CAD辅助设计 2学时

介绍计算机及其图形设备帮助设计人员开展辅助设计工作的内容。重点介绍Solidworks软件在3D建模中的使用和操作，以及由3D模型转化成2D工程图纸的操作，以及在工程图纸中需要注意的基本规范和加工工艺介绍。

第五章 机器人运动控制 4学时

1、 机器人运动学 2学时

介绍基于平面四连杆的运动学解析求解和机器人空间中的运动学分析。主要介绍机器人运动学的基本概念、坐标变换、转动特性、正运动学计算、逆运动学求解、奇异性等知识，让学生初步掌握机器人运动学中的基础知识和求解步骤。

2、 机器人控制 2学时

以操作机械臂为分析对象，重点介绍机械臂的线性控制问题，包括反馈与闭环控制、二阶线性系统、二阶系统控制、以及轨迹跟踪控制等基础知识。

第六章 机器视觉 2学时

聚焦视觉信息的理解，以几何任务和语义任务两个需求作为牵引，从成像机理和建模开始，逐步介绍图像的三维建模，特征检测与匹配以及语义理解方面的知识，最终为机器人构建智能化作业的感知基础。

第七章 机器人定位技术 2学时

简要介绍机器人定位与建图的基本概念，然后介绍基于外部设备感知的定位、不依赖外部设备感知的自主定位等主要的定位方法。

第八章 机器人规划算法与协同 4学时

1、移动机器人路径与运动规划 2学时

本节内容首先介绍移动机器人规划基本概念，阐述常用的数据结构、规划方法，包括基于搜索的方法和基于采样的方法；详细介绍经典规划方法包括A*、RRT算法等；介绍常用地图表征形式和搜索加速策略。

2、多机器人规划 2学时

本节介绍多机器人路径与轨迹规划内容。定义多机器人规划问题；介绍基本的多机器人路径冲突消解方法和协同轨迹生成方法如CBS等；介绍多机器人任务分配问题如VRP；介绍代表性应用，如多机器人自主探索等。

第九章 综合设计汇报 2学时

由学生根据开学布置的机器人设计题目，分组汇报各自的设计方案，由评委老师现场提问。根据学生设计方案的创新度、可行性和完成度给分。

第十章 复习课 2学时

附时间表

周次	课堂教学内容	教学课时数	核心知识点	课程思政融入点与实施方法	教学方式
1	机器人概述 IDC RoboCon概论	4	l 机器人基础知识 l 机器人历史与发展 l IDC RoboCon竞赛概述 l 设计大作业题目介绍	思政融入点：1.结合国家和社会发展需要介绍机器人技术的重要性 2.结合机器人技术发展，介绍我国在该领域取得的重大成就和重要应用； 3.结合目前应用存在的局限性，理性认识国内外差距，鼓励学生未来投身科技攻关。 实施方法：1.通过介绍浙江大学在此竞赛中取得的优异成绩，培育学生的自信心； 2.通过对比浙大学生和世界各地顶级院校学生的差异，培育学生的全球视野和使命感。	线下
2	微控制器 传感器原理	4	l 微机硬件系统概述 l 开发软件应用基础 l Arduino程序编写 l 常用传感器原理介绍 l 综合实例分析	思政融入点：家国情怀。实施方法：以微控制历史发展讲述我国在该领域的不足以及被人卡脖子的背景，培养学生的投身未来科技发展。	线下
3	驱动原理概述 机构传动	4	l 直流电机的驱动原理 l 气动系统的驱动原理 l 常用传动机构概述 l 齿轮与连杆传动基本原理	——	线下
4	机构设计 CAD计算机软件辅助	4	l 常用机械元件介绍 l 轴系与联接设计 l Solidworks软件使用 l 工程制图与加工工艺	——	线下
5	机器人运动学 机器人控制	4	l 运动学基本概念 l 正逆运动学计算 l 线性系统控制	思政融入点：家国情怀。实施方法：以四足机器人为例讲述我国在机器人顶尖技术上的成果，培养学生的自信心和自豪感。强调我们和国际顶尖团队各有千秋。	线下
6	机器视觉	2	l 机器人视觉简介 l 图像及相机建模 l 三维建模 l 特征检测与匹配 l 物体语义理解		线下
7	机器人定位技术	2	l 机器人定位与建图简介 l 机器人定位的主要方法 l 机器人地图的表示	——	线下
8	机器人规划算法与协同	4	l 自主导航和规划 l 图搜索基本知识 l 搜索算法和采样算法 l 运动规划定义 l 动力学约束下规划 l 多机器人运动规划 l 多机器人任务协同	思政融入点：家国情怀。实施方法：以无人机发展为例讲述我国在该领域的成果，培养学生的自信心和自豪感。强调我们在软硬件研发上的优势。	线下
9	综合设计汇报 复习课	4	l 分组汇报综合设计方案 l 复习课	——	线下