Правительство Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный университет

Правительство Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный университет
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Механика роботов
Mechanics of Robots
Язык (и) обучения:
Трудоёмкость
русский
1
зачётных единицы
Регистрационный номер рабочей программы: 025853
Санкт-Петербург
2014
Раздел 1.
1.1.
Характеристики учебных занятий
Цели и задачи учебных занятий
Научить аспирантов применять методы аналитической механики для кинематического и
динамического анализа систем твердых и упругих тел; знакомство с теоретическими основами
управления робототехническими системами.
Поставленные цели достигаются путём решения следующих задач курса: формирование
навыков самостоятельного использования слушателями полученных знаний в научной и
практической деятельности, включая этапы постановки задачи, отбора теоретических и
технических средств, и применение изученных методов механического, физического и
математического исследования при анализе проблем фундаментальной математики и механики.
1.2. Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания учебных
занятий (пререквизиты)
Для успешного освоения дисциплины аспирант должен иметь предварительную подготовку
в объеме курса теоретической механики, изучаемого по программе второго, третьего, четвертого и
пятого семестров университетского курса, а также курса информатики и общей физики.
1.3.
Перечень результатов обучения (learning outcomes)
o Владение
основами
методологии
научного
исследования,
готов
применять
полученные знания и навыки для решения практических задач в процессе обучения
и в профессиональной и социальной деятельности.
o Способность понимать сущность и значение информации в развитии общества,
готов использовать основные методы, способы и средства получения, хранения,
переработки информации, работать с компьютером как средством управления
информацией, в том числе в глобальных компьютерных сетях, соблюдать основные
требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной
тайны.
o Владение методами механического, физического и математического исследования
при анализе проблем фундаментальной математики и механики на основе глубоких
знаний фундаментальных физико-математических дисциплин и компьютерных наук.
o Владение навыками проблемно-задачной формы представления научных знаний.
o Способность создавать и исследовать новые математические и компьютерные
модели реальных объектов и явлений.
o Глубоко понимать роль эксперимента в математическом моделировании процессов и
явлений, знать основы теории эксперимента в механике.
o Обладать способностью к самостоятельному анализу поставленной задачи, выбору
корректного метода ее решения, построению алгоритма и его реализации.
o Умение проводить самостоятельный анализ физических аспектов в классических
постановках математических задач и задач механики.
o Умение ориентироваться в современных методах и алгоритмах компьютерной
математики.
o Умение применять теоретические знания для решения прикладных задач.
o Обладание способностью к творческому применению математически сложных
алгоритмов
в
современных
специализированных
программных
комплексах,
включение в них собственных методов, моделей и алгоритмов.
o Владение методами физического и математического моделирования, основами
теории эксперимента и компьютерных наук.
1.4.
Перечень активных и интерактивных форм учебных занятий
Лекции в виде диалога и дискуссии с аудиторией. Лекции – консультации.
Раздел 2.
2.1.
Организация, структура и содержание учебных занятий
Организация учебных занятий
2.1.1 Основной курс 1 год обучения
Трудоёмкость
итоговая аттестация
(сам.раб.)
промежуточная аттестация
(сам.раб.)
текущий контроль (сам.раб.)
сам.раб. с использованием
методических материалов
Самостоятельная работа
итоговая аттестация
под руководством
преподавателя
в присутствии
преподавателя
промежуточная
аттестация
текущий контроль
коллоквиумы
контрольные работы
лабораторные работы
консультации
практические
занятия
семинары
лекции
Период обучения (модуль)
Контактная работа обучающихся с преподавателем
Объём активных и интерактивных
форм учебных занятий
Трудоёмкость, объёмы учебной работы и наполняемость групп обучающихся
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
9
Семестр 1
1
9
0.5
9
1
9
Семестр 2
ИТОГО
0.5
18
2
18
1
Формы текущего контроля успеваемости, виды промежуточной и итоговой аттестации
Период обучения (модуль)
Виды итоговой аттестации
Формы текущего
контроля
успеваемости
Виды промежуточной
аттестации
(только для программ итоговой
аттестации и дополнительных
образовательных программ)
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
Семестр 1
текущий контроль
Семестр 2
текущий контроль
2.2. Структура и содержание учебных занятий
Основной курс
Основная траектория
Очная форма обучения
Период обучения (модуль): Семестр 2
№ Наименование темы (раздела, части)
п/п
Введение
1
Общее устройство, классификация и
области применения робототехнических систем.
Вид учебных занятий
лекции
1
практические занятия
0
История и современное состояние по методическим материалам
робототехники.
Кинематика систем твердых тел
Тема 1. Структура и конструкции
исполнительных механизмов роботов.
2
Тема 2. Параметризация многозвенных механизмов. Шарнирные
переменные.
Тема 3. Решение кинематических
задач векторным методом.
Тема 4. Метод ортогональных
преобразований.
Тема 5. Метод однородных
Количество
часов
0
лекции
2
практические занятия
0
по методическим материалам
4
преобразований.
Тема 6. Методы решения обратной
задачи кинематики.
Анализ функциональных возможностей роботов-манипуляторов
лекции
2
практические занятия
0
по методическим материалам
2
Тема 1. Рабочее пространство
манипуляционной системы (МС).
Тема 2. Локальные и глобальные
оценки достижимости и
манипулятивности.
3
Тема 3. Глобальные оценки
податливости и грузоподъемность МС.
Тема 5. Аналитический и
статистический методы оценки
точности.
Динамические модели
робототехнических систем
Тема 1. Динамические модели
твердого тела.
Тема 2. Рекурсивные уравнения
Ньютона-Эйлера для систем твердых
тел.
4
лекции
10
практические занятия
0
по методическим материалам
4
Тема 3. Векторно-матричная форма
уравнений Лагранжа 2-го рода для
систем многих тел.
Тема 4. Индексные обозначения в
динамике систем твердых тел.
Тема 5. Неголономные модели
мобильных роботов.
Период обучения (модуль): Семестр 3
4
Динамика манипуляционных
систем с упругими и
диссипативными элементами
лекции
8
Тема 1. Уравнения движения системы
с сосредоточенными параметрами.
практические занятия
0
по методическим материалам
4
лекции
8
практические занятия
0
по методическим материалам
4
лекции
14
Тема 2. Задача кинематического
управления для двухзвенного
манипулятора с упругими
шарнирами.
Тема 3. Динамика манипулятора с
упругими звеньями.
Тема 4. Собственные упругие
колебания манипуляторов.
Тема 5. Плоское движение
манипулятора в случае
кинематического управления
Приводы робототехнических
устройств
Тема 1. Основные типы приводов,
используемые в робототехнике.
Тема 2. Статические и динамические
характеристики двигателей.
5
Тема 3. Электроприводы с
двигателями постоянного и
переменного тока.
Тема 4. Гидроприводы с дроссельным
управлением.
Тема 5. Пневмоприводы.
Тема 6. Типы и модели передаточных
механизмов.
Управление робототехническими
системами
Тема 1. Особенности постановки задач практические занятия
управления для робототехнических
устройств.
6
0
Тема 2. Методы планирования
траекторий.
Тема 3. Системы управления
программными роботами.
Тема 4. Стабилизация
программных
движений.
Тема 5. Следящая система управления
электроприводом.
Тема 6. Синтез адаптивного
по методическим материалам
7
управления МС.
Тема 7. Интеллектуальные алгоритмы
управления.
Раздел 3.
3.1.
Обеспечение учебных занятий
Методическое обеспечение
3.1.1 Методические указания по освоению дисциплины
Методические материалы включают в себя следующие типы материалов — учебники,
учебные пособия, методические указания для студентов, Интернет-ресурсы, электронные учебные
пособия, с опорой на которые проводится аудиторная работа.
3.1.2 Методическое обеспечение самостоятельной работы
К числу методических пособий относятся общие методические рекомендации и указания
по самостоятельной работе, представленные в авторских учебных пособиях (см. список
литературы).
Роль преподавателя в организации самостоятельной работы состоит в координации
действий обучающихся в освоении дисциплины, в методическом и организационном обеспечении
учебного процесса. Взаимодействие между преподавателем и студентом осуществляется в форме
консультаций. Преподаватель также оказывает помощь студентам по планированию и
организации самостоятельной работы.
3.1.3 Методика проведения текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации и
критерии оценивания
Аппарат контроля за усвоением материала включает в себя проведение коллоквиума в
первом семестре и экзамена по итогам курса.
3.1.4 Методические материалы для проведения текущего контроля успеваемости
промежуточной аттестации (контрольно-измерительные материалы, оценочные средства)
и
Списки обязательной и дополнительной литературы, сайты Интернета.
3.1.5 Методические материалы для оценки обучающимися содержания и качества учебного
процесса
Перечень примерных контрольных вопросов для проведения
итогового экзамена




Общее устройство и классификация робототехнических систем.
История и современное состояние робототехники.
Структура и конструкции исполнительных механизмов роботов.
Параметры звеньев и сочленений. Шарнирные переменные.







































Решение прямой задачи кинематики векторным методом.
Ортогональные преобразования. Матрица поворота.
Обобщенные координаты угловой ориентации твердого тела.
Решение прямой задачи кинематики методом ортогональных
преобразований.
Однородные преобразования.
Методы решения обратной задачи кинематики.
Траекторная задача.
Анализ рабочего пространства основных типов роботов-манипуляторов.
Локальные и глобальные оценки манипулятивности.
Грузоподъемность и податливость манипуляционных систем.
Оценка мобильность и приемистости.
Аналитический и статистический методы оценки точности манипуляторов.
Уравнения Ньютона-Эйлера и Лагранжа для свободного твердого тела.
Рекурсивные уравнения Ньютона-Эйлера для систем твердых тел.
Векторно-матричная форма уравнений Лагранжа 2-го рода.
Индексные обозначения в динамике систем твердых тел.
Динамика манипуляционных систем с упругими и диссипативными элементами.
Динамика манипуляторов с упругими звеньями.
Плоский двухзвенный манипулятор с упругими звеньями.
Механические характеристики двигателей ПР.
Гидроприводы с дроссельным управлением.
Пневмоприводы.
Электроприводы постоянного и переменного тока.
Типы передаточных механизмов.
Динамические модели передаточных механизмов.
Особенности постановки задач управления мехатронными системами.
Иерархия управления в мехатронных системах.
Системы управления исполнительного уровня.
Системы управления тактического уровня.
Задачи управления для робототехнических устройств.
Планирование траекторий в декартовых координатах.
Программирование приспособляемости и обхода препятствий.
Планирование траекторий в обобщенных координатах.
Динамические модели целенаправленного движения.
Синтез позиционного управления.
Следящая система управления электроприводом.
Синтез адаптивного управления МС.
Методы и алгоритмы интеллектуального управления роботами.
Кадровое обеспечение
3.2.
3.2.1 Образование и (или) квалификация преподавателей и иных лиц, допущенных к проведению
учебных занятий
К чтению лекций должны привлекаться преподаватели, имеющие ученую степень
кандидата и доктора наук (в том числе степень PhD, прошедшую установленную процедуру
признания и установления эквивалентности).
3.2.2 Обеспечение учебно-вспомогательным и (или) иным персоналом
Учебно-вспомогательный
и
инженерно-технический
персонал
должен
иметь
соответствующее высшее образование.
Материально-техническое обеспечение
3.3.
3.3.1 Характеристики аудиторий (помещений, мест) для проведения занятий
Стандартно оборудованные лекционные аудитории. Для проведения отдельных занятий
(по заявке) – выделение аудитории для проведения интерактивных лекций: видеопроектор, экран
настенный, др. оборудование
3.3.2 Характеристики аудиторного оборудования, в том числе неспециализированного
компьютерного оборудования и программного обеспечения общего пользования
Доска, пишущие материалы, достаточная освещенность аудитории.
3.3.3 Характеристики специализированного оборудования
При использовании электронных учебных пособий каждый обучающийся во время
занятий и самостоятельной подготовки должен быть обеспечен рабочим местом в компьютерном
классе с выходом в Интернет и корпоративную сеть факультета.
3.3.4 Характеристики специализированного программного обеспечения
3.3.5 Перечень и объёмы требуемых расходных материалов
Фломастеры цветные, губки, бумага формата А4, канцелярские товары, картриджи
принтеров, диски, флеш-накопители и др. в объеме, необходимом для организации и проведения
занятий по заявкам преподавателей, подаваемым в установленные сроки.
Информационное обеспечение
3.4.
Список обязательной литературы
1. Юревич Е.И. Основы робототехники. 3-е изд. БХВ-Петербург, 2010.
2. Шахинпур М. Курс робототехники. М., Мир, 1990.
3.
Кобринский А.А., Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов. М.,1985
4. Черноусько Ф.Л. Болотник Н.Н., Градецкий В.Г. «Манипуляционные роботы». М.,1989 г.
3.4.2 Список дополнительной литературы
1. Коренев Г.В. «Целенаправленная механика управляемых манипуляторов». М.1980 г.
2. Коловский М.З., Слоущ А.В. «Основы динамики промышленных роботов». М.,1988 г.
3. Интеллектуальные системы автоматического управления.
Под.ред. И.М. Макарова и В.М.Лохина. М. 2001
3.4.3 Перечень иных информационных источников
Электронные ресурсы:
robonovosti.ru
myrobot.ru
roboclub.ru
robotics.ru
Разработчик рабочей программы учебной дисциплины
Фамилия, имя, отчество
Быков Владимир
Григорьевич
Учёная
степень
Учёное
звание
Должность
к.ф-м.н.
доцент
доцент кафедры
теоретической
и
прикладной механики
Контактная информация
(служебный адрес электронной почты,
служебный телефон)
v.bykov@spbu.ru;
428-41-65