天津市自考14873机器人基础（实践）考试大纲

小编 2025-02-12 00:53:42 人看过

天津市高等教育自学考试课程考试大纲

课程名称：机器人基础(含实践） 课程代码：14872 14873

第一部分课程性质与目标

一、课程性质与特点

本课程是机械电子工程本科阶段在机器人技术理论方面的一门学科基础课，既具有较强的理论性也具有较强的实践性。本课程主要介绍机器人技术相关的基本知识，主要包括：机器人机械结构基础、机器人分析数学工具、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人运动规划、机器人编程等方面的内容。本课程将着重将机器人基础理论与应用技术相结合。通过课程学习，使学生获得机器人技术方面的基本知识、基本方法和基本技能，初步具备机器人机构学理论分析能力，将为后续机器人本体系统分析与设计开发打下坚实基础。

二、课程目标与基本要求

本课程的目的是使学生掌握机器人机构学基本知识，包含机器人机构的组成原理与分类；机器人机构学分析的数学基础，包含齐次坐标变换的数学基础与应用；机器人运动学分析，包含典型多自由度机器人的运动学正逆解分析、机构速度分析、以及雅克比矩阵推导的方法和步骤。熟悉机器人动力学分析与推导方法，了解机器人的动态性能与静态性能。掌握机器人位置和力控制技术，了解机器人的传感器与高级控制技术，学会基于Python与Matlab的机器人编程与仿真技术。培养学生能够根据实际应用需求，基于科学原理并采用科学方法对机器人产品设计问题进行研究的能力。结合目前我国产业转型升级需要和我国机器人技术研究与产业的飞速发展，增强机器人科技创新的信心和能力，为我国机器人技术的提升和产业发展贡献力量。

学习本课程要求理解机器人技术涉及到的基本概念、原理、方法与技术的说明和解释；掌握运用基本概念和原理对典型机器人机构所包含的运动学、动力学与控制技术进行理论分析与应用能力。能够在教师的指导下独立完成对典型机器人系统的理论分析和设计。

三、与相关课程的联系与区别：

本课程先修课程为《理论力学》等，该课程为学科基础课，该课程将介绍机器人技术的基本知识、基本理论等内容，强调学生分析问题和解决问题的能力。

第二部分考核内容与考核目标

第一章绪论

一、学习目的与要求

本章将讲授机器人的定义与特征、机器人的构成与分类以及机器人学的研究领域与应用领域，重点在于机器人的定义、分类、工作原理以及技术参数。要求通过本章学习对机器人形成基本概念与认识。

二、考核知识点与考核目标

（一）机器人人的定义与特征（次重点）：

识记：机器人的定义。

理解：机器人的主要特征。

（二）机器人的构成与分类（重点）：

识记：机器人系统构成。

理解：机器人的自由度概念与机器人的分类。

（三）机器人学的研究领域与应用领域（次重点）：

识记：机器人的研究领域。

理解：机器人的应用领域。

第二章数学基础

一、学习目的与要求

本章讲授基于矩阵法的位姿与坐标系描述、平移与旋转其次坐标变换、物体的变换与变换方程以及通用旋转变换。要求通过本章学习掌握机器人坐标系的建立方法，熟悉掌握机器人位置和姿态的数学描述工具和方法；熟悉掌握齐次坐标及变换的定义、机器人位姿分析方法。

二、考核知识点与考核目标：

（一）位姿与坐标系描述（重点）：

识记：机器人位置与方位概念。

理解：基于矢量与矩阵的机器人位置与方位描述方法。

（二）平移与旋转其次坐标变换（重点）：

识记：空间任意点在不同坐标系间的平移与旋转坐标变换。

理解：齐次坐标变换的形式与描述，连续坐标变换“左乘”与“右乘”的区别。

应用：应用齐次变换完成空间点在不同坐标系间的坐标变换

（三）物体的变换与变换方程（重点）

识记：物体在坐标内位置与姿态描述。

理解：齐次变换的逆变换的推导方法与物理含义。

（四）通用旋转变换（一般）

识记：通用旋转变换公式。

理解：等效转角与转轴。

第三章机器人运动学

一、学习目的与要求

本章讲授机器人的运动学正逆解分析、机器人雅克比矩阵原理与推导以及机器人速度分析等内容，重点在于基于广义连杆与广义变换矩阵的机器人正向运动学表达式的推导以及机器人雅克比矩阵的推导。要求通过本章学习掌握典型机器人的正向运动学分析与雅克比矩阵推导方法，了解基于解析法的机器人逆向运动学解法，理解基于雅克比矩阵的操作速度与关节速度间的映射。

二、考核知识点与考核目标

（一）机器人运动方程的表示（重点）。

识记：机械手运动姿态和方向角的表述（欧拉变换与RPY组合变换），机械手平移变换的不同坐标系表示。

理解：基于广义连杆和广义变换矩阵的机器人正向运动学表达式。

应用：建立典型多自由度机器人连杆坐标系与正运动学方程。

（二）机器人运动方程的求解（次重点）

识记：逆运动学求解的多解性问题与求解方法。

理解：逆运动学的解析解法，包括代数法、几何法、欧拉变换法。

应用：利用解析解法求解典型多自由度机器人的逆运动学。

（三）机器人的雅克比公式（重点）

识记：机器人的微分运动，包括微分平移、微分旋转、微分运动的等价变换以及变换式中的微分关系。

理解：雅克比矩阵的定义、物理含义与求解步骤。

应用：典型机器人雅克比矩阵的计算。

第四章机器人动力学

一、学习目的与要求

本章讲授机器人的动力学基本理论，特别是拉格朗日功能平衡法，涉及机器人正动力学问题与逆动力学问题。要求通过本章学习掌握平面机器人机构的拉格朗日功能平衡法，了解机械手动力学方程的计算与简化方法，会利用基本理论完成平面连杆机械手的刚体动力学建模，理解机器人的动态特性与静态特性，了解机械手静态关节力矩的求解方法。

二、考核知识点与考核目标

（一）刚体动力学方程（重点）。

识记：刚体动能与位能的表达。

理解：基于拉格朗日功能平衡法的平面机械手动力学建模方法。

（二）机械手动力学方程的计算与简化（一般）

识记：质点速度、动能与位能的计算，机械手动力学方程的推导。

理解：机械手动力学方程的简化。

应用：利用拉个朗日法建立平面连杆机械手的动力学方程。

（三）机器人动态特性与静态特性（次重点）

识记：机器人稳定性、空间分辨率、精度与重复定位精度等动态特性的概念。

理解：理解不同坐标系间的静力变换与关节力矩的确定方法。

第五章机器人位置和力控制

一、学习目的与要求

本章讲授机器人的控制基本理论，特别是位置与力的控制。要求通过本章学习掌握机器人控制的分类、变量和层次，了解机械人位置控制系统一般结构，会利用基本理论完成机器人单关节伺服三环控制系统建模，理解机器人多关节位置控制器的耦合与补偿，了解机械人力和位置混合控制方法。

二、考核知识点与考核目标

（一）机器人控制系统结构（重点）。

识记：机器人控制分类与层次。

理解：机器人伺服三环控制系统结构。

（二）机器人单关节位置控制（重点）

识记：伺服三环控制系统建模过程，位置控制的一般结构。

理解：多关节位置控制器的耦合与补偿。

应用：建立简化单关节控制系统的位置控制器并整定参数。

（三）机器人力和位置混合控制（次重点）

识记：柔顺运动与柔顺控制、主动阻力控制的概念。

理解：柔顺运动位置和力混合控制。

第六章机器人高级控制

一、学习目的与要求

本章讲授机器人的高级控制理论，涉及机器人的变结构控制、自适应控制与智能控制。要求通过本章学习掌握机器人被控特性，了解机械人的变结构控制、自适应控制与智能控制方法，会利用模糊理论完成机器人单关节控制系统的位置控制器自适应调节，了解基于深度学习的机器人控制方法。

二、考核知识点与考核目标

（一）机器人的被控特性（重点）

识记：机器人控制系统的特性。

理解：基于机器人特性的控制方法。

（二）机器人的变结构控制（一般）。

识记：机器人变结构控制的特点和原理。

理解：机器人的滑模变结构控制。

（三）机器人的智能控制（次重点）

识记：智能控制系统特点与分类。

理解：模糊控制系统原理与结构。

应用：利用模糊控制算法计算位置控制器参数。

第七章机器人传感器

一、学习目的与要求

本章讲授机器人的传感器理论，涉及传感器的特点与分类、内传感器与外传感器的原理、机器人视觉装置。要求通过本章学习掌握各类型传感器的特点与应用，了解各类型传感器与各种机械人控制方法配合使用方式。

二、考核知识点与考核目标

（一）机器人传感器概述（重点）

识记：机器人传感器的特点与分类。

理解：应用传感器应考虑的问题。

（二）内传感器与外传感器（次重点）。

识记：内传感器与外传感器的分类。

理解：位移传感器与位置控制的应用。

（三）机器人视觉装置（一般）

识记：机器人视觉装置分类。

理解：激光雷达的原理、特点及应用。

第八章机器人程序设计

一、学习目的与要求

本章讲授机器人程序设计，涉及机器人编程要求与语言类型、机器人语言系统与基本功能。要求通过本章学习掌握机器人程序设计的基本概念，理解编程语言类型与功能，了解机器人离线编程的特点与主要内容。

二、考核知识点与考核目标

（一）机器人编程要求与语言类型（重点）

识记：机器人编程要求。

理解：机器人语言类型。

（二）机器人语言系统结构与基本功能（次重点）。

识记：机器人语言系统的结构。

理解：机器人编程语言的基本功能。

（三）机器人离线编程（一般）

识记：机器人离线编程的特点与主要内容。

理解：机器人离线编程系统结构。

第三部分有关说明与实施要求

一、考核目标的能力层次表述

本课程的能力考核目标共分为三个能力层次：“识记”、“理解”、“应用”。各能力层次为递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上，其含义是：

识记：能够识别和记忆本课程中的相关专业名词与术语的概念与物理含义、相关重要公式的理解与物理意义，并能够根据考核的不同要求，做出正确的表述、选择和判断。

理解：能够领悟和理解本课程中有关物理概念及规律的内涵，全面把握基本概念、基本原理、基本方法，能掌握有关概念、原理、技术与方法的区别与联系，并能够根据考核的不同要求，针对机器人的运动学、动力学、控制技术问题进行分析与讨论，做出正确的选择与判断，并给出正确的解决方案与解决步骤。

应用（包含简单应用和综合应用）：能在理解掌握的基础上，联系实际、运用科学原理与科学方法对典型机器人进行运动学与动力学建模与推导，并分析其基本控制原理，给出控制方案。

二、指定教材

指定教材为考生自学、社会助学和考试命题的依据。

指定教材：《机器人学（第4版）》蔡自兴，谢斌主编清华大学出版社 2022年3月

三、自学方法指导

1、自学时必须要认真阅读教材，开始阅读每一章之前，应先认真学习大纲中有关该章的考核知识点、自学要求以及对知识点的能力层次要求和考核要求。以便在阅读教材时做到心中有数，有的放矢。

2、使用教材时，应注意将精读与泛读相结合，应在泛读即通读的基础和掌握较全面的知识背景条件下，对考核知识点进行重点地逐段细读，逐句推敲，以求做到对基本概念深刻理解，对历史脉络彻底弄清，对基本理论牢固掌握。切忌在没有全面学习教材的情况下孤立地抓考核知识点，以免生吞活剥，不能真正地理解和灵活地运用。

3、在自学过程中，既要思考问题，也要做好阅读笔记，把教材中的基本概念术语、基本理论原理、例题推导过程和控制技术要点加以整理，归纳出要点，从而加深对问题的认知、理解和记忆。有利于突出重点，并涵盖全部课程内容，同时锻炼提高自己的自学能力。

4、在自学过程中，既要注重理论知识，也应重视实际运用能力的培养。如运用机器人运动学与动力学基本理论、机器人控制技术等对典型工业机器人机构进行建模与分析等。要通过完成教材练习题，锻炼自己分析问题与解决问题的能力。

5、考生在自学过程中也可参考黄俊杰，张元良，闫勇刚主编《机器人技术基础》（华中科技大学出版社，2018年版）辅助学习、理解相关知识。

四、对社会助学的要求

1.社会助学者应根据本大纲规定的考试内容和考核目标，认真钻研自学考试指定教材，明确本课程与其他课程不同的特点和学习要求，对自学应考者进行切实有效的辅导，引导他们防止自学中的各种偏向，把握社会助学的正确导向。

2.要正确处理基础知识和应用能力的关系，努力引导自学应考者将识记、理解与应用联系起来，把基础知识和理论转化为应用能力，在全面辅导的基础上，着重培养和提高自学应考者的分析问题和解决问题的能力。

3.要正确处理重点、次重点和一般的关系。课程内容有重点、次重点和一般之分，但考试内容是全面的，而且三者之间是相互联系的，不是截然分开的。社会助学者应指导自学应考者全面系统地学习教材，掌握全部考试内容和考核知识点，在此基础上再突出重点。总之，要把重点学习同兼顾一般结合起来，切勿孤立地抓重点，把自学应考者引向猜题押题。

4．助学学时建议。本课程共7学分（含实践2学分），助学建议不少于126学时，课程学时分配见下表，考生也可参考该表安排自学时间。

章次	课程内容	助学学时
1	绪论	4
2	数学基础	17
3	机器人运动学	24
4	机器人动力学	17
5	机器人位置和力控制	24
6	机器人高级控制	18
7	机器人传感器	11
8	机器人程序设计	11
总计		126

五、关于命题考试的若干规定

1、本大纲各章所提到的内容和考核目标都是考试的内容。

2、试卷中对不同能力层次要求和试题所占的比例大致是：“识记”为30%，“理解”为40%，“应用”为30%。

3、试题难易程度要合理，可分为四档：易、较易、较难、难，这四档在每份试卷中所占比例依次为2：3：3：2左右。

4、每份试卷中，各类考核点所占比例约为：重点占65%，次重点占25%，一般占10%。

5、试题题型一般分为：填空题、选择题（单向）、解释概念题、简答题、计算题和综合题等。

6、考试采用闭卷笔试，考试时需携带没有任何存储功能的普通计算器。考试时间为120分钟，采用百分制评分，60分为及格。

六、 题型示例（样题）

（一）填空题

按照机械手的几何结构，机器人可分为_________， _________，__________三类。

（二）单项选择题

（）是指机器人末端执行器的实际位置和目标位置之间的偏差，由机械误差、控制算法与系统分辨率等部分组成。。

A 定位精度 B.机器人误差 C.重复定位精度 D.空间分辨率

（三）解释概念题

1. 机器人的自由度

2. 雅克比矩阵

（四）简答题

1. 简述机器人正向运动学与逆运动学要解决的问题。

2. 简述机器人正向动力学与逆动力学要解决的问题。

（五）计算题

1. 已知和坐标系，为所描述一点。

（1）确定同一点但由基坐标系描述的矢量

（2）首先让绕基坐标系的y轴旋转90度，然后沿基系x轴方向平移20个单位。求变换后所得新坐标系

（3）确定表示同一点但在坐标系所描述的矢量

2. 已知点的坐标为，对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90°得到点v；（2）绕y轴旋转90°得到点w；（3）沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单位得到点t。求u, v, w, t各点的齐次坐标。

3. 如图所示的三自由度机械手（两个旋转关节加一个平移关节，简称RPR机械手），求末端机械手的运动学方程，要求：

（1）建立坐标系

（2）列写机器人的连杆参数及末端齐次变换矩阵。

（六）综合题

机器人单关节控制系统如下图所示。图中，与分别为关节指令位置和实际位置，为位置环控制器传递函数，为前馈控制器传递函数，为被控对象传递函数，其中为电机绕组电阻，为电机转矩常数，为电机感应电动势常数，为速度环伺服放大系数，为转动惯量，为粘滞摩擦系数。问：（1）控制系统常用校正方式有哪些，下图属于哪一种？（2）前馈补偿是否改变原系统的极点分布？主要用于消除哪些误差？（3）列写前馈控制器中加速度前馈参数与速度前馈参数的表达式（4）整定图中的控制器参数的原则是什么？