课程详述

COURSE SPECIFICATION

以下课程信息可能根据实际授课需要或在课程检讨之后产生变动。如对课程有任何疑问，请联

系授课教师。

The course information as follows may be subject to change, either during the session because of unforeseen

circumstances, or following review of the course at the end of the session. Queries about the course should be

directed to the course instructor.

课程名称 Course Title

机器人与仿生学

Robotics and Biomimetics

授课院系

Originating Department

机械与能源工程系

Department of Mechanical and Energy Engineering

课程编号

Course Code

ME433

课程学分 Credit Value

课程类别

Course Type

专业核心课 Major Core Courses

授课学期

Semester

秋季 Fall

授课语言

Teaching Language

中英双语 English & Chinese

授课教师、所属学系、联系方

式（如属团队授课，请列明其

他授课教师）

Instructor(s), Affiliation&

Contact

（For team teaching, please list

all instructors）

付成龙，机械与能源工程系，13466686964

Chenglong Fu

Department of Mechanical and Energy Engineering

13466686964

实验员/助教、所属学系、联系

方式

Tutor/TA(s), Contact

待公布 To be announced

10.

选课人数限额(可不填)

Maximum Enrolment

（Optional）

授课方式

Delivery Method

讲授

Lectures

习题/辅导/讨论

Tutorials

实验/实习

Lab/Practical

其它(请具体注明)

Other（Please specify）

总学时

Total

11.

学时数

Credit Hours

12.

先修课程、其它学习要求

Pre-requisites or Other

Academic Requirements

MAE203B 理论力学 I-B Engineering Mechanics I – Statics and Dynamics

13.

后续课程、其它学习规划

Courses for which this course

is a pre-requisite

ME434 行走机器人 Walking Robots

14.

其它要求修读本课程的学系

Cross-listing Dept.

无 NA

教学大纲及教学日历 SYLLABUS

15.

教学目标 Course Objectives

The purpose of this course is to introduce the basic analysis tools that are used in robotics and biomimetics of

human movement. The course focuses primarily on engineering methods to analyze or simulate dynamic

movement of animals and robots. Robotics and biomimetics are very broad fields, so the course does not address

many specific research issues. Rather, it examines some important tools and principles underlying legged

locomotion, which are useful to design and build legged robots, prosthetic devices, and exoskeletons. Central

topics include fundamentals of robotics, dynamic locomotion, human walking, design and control of walking

robots, exoskeletons and wearable devices.

本课程教学目标是介绍机器人与人体运动仿生学的基本分析工具。课程主要关注生物与机器人动态运动的

工程分析和系统仿真方法。由于机器人与仿生学是一个内涵非常广泛的领域，本课程并非致力于解决具体

研究问题，而是强调重要的工具和原理，从而能够指导设计和建造仿生机器人、先进假肢和助力外骨骼。

本课程的中心话题包括：机器人基础理论、仿生移动、人体行走、腿式机器人、假肢和可穿戴装置的设计

与控制等。

16.

预达学习成果 Learning Outcomes

本课程是机器人学与仿生学高度交叉的一门课程，内容涉及机器人学、运动生物力学、仿生机械、控制

论等多学科知识，系统介绍机器人基础理论和仿生设计原理，旨在培养学生从仿生学角度综合应用已有

知识来解决复杂问题的能力，预达具体学习成果如下：

1）学生能够掌握机械操作臂和仿生机器人系统的基本原理；

2）学生能够学会仿生机器人系统的建模、分析和控制的数学工具；

3）学生能够掌握机器人运动学、动力学、轨迹规划、操作控制和移动控制的基本原理；

4）学生能够熟悉问题定义、科学研究、分工协作、论文撰写和学术演讲等过程。

This course is a highly interdisciplinary course of robotics and bionics, covering multidisciplinary knowledge of

robotics, human biomechanics, bio-inspired machine and cybernetics. The basic theory of robotics and the

principle of biomimetics design are introduced. 1) Students are expected to master the basic principles of

manipulation and locomotion; 2) Students are expected to learn the modeling, analysis and control of the

biomimetic system. The students can learn the basic principles of robot arm and bionic robot system. Math tools;

3) students are expected to master the basic principles of robot kinematics, dynamics, trajectory plan,

manipulation and locomotion control; 4) students are expected to be familiar with the definition of the problem,

scientific research process, cooperation, academic writing and presentation.

17.

课程内容及教学日历（如授课语言以英文为主，则课程内容介绍可以用英文；如团队教学或模块教学，教学日历须注明

主讲人）

Course Contents (in Parts/Chapters/Sections/Weeks. Please notify name of instructor for course section(s), if

this is a team teaching or module course.)

课程内容

教学要求

学时

分配

绪论

 课程介绍

 先修课程要求

 课程目标

 为什么要用机器人

 仿生学与仿生机器人

Introduction

 Introduction to the course

 Pre-requisites

 Course goals

 Why use robots

 Biomimetics and Bio-inspired

Robots

了解机器人的研究历史、应用背景，仿生学和

仿生机器人的基本概念

Understand the research history, application

background and basic concepts of biomimetics and

bio-inspired robot

案例研究, 现状与展望

 案例研究

 发展趋势

Case study, status and prospect

 Case study

 Future trends

通过机器人研究实例了解仿生机器人技术创新

过程

了解机器人的技术发展趋势

Understand the innovation process of bio-inspired

robot technology through the robot case study

Understand trends in robotics technology

运动学 I

 机器人操作臂

 运动学预备知识

 旋转矩阵

Kinematics I

 robot manipulators

 preliminary of kinematics

 rotation matrix

掌握机器人构型、自由度、精度、重复定位精

度等概念

掌握世界坐标系、局部坐标系、基本旋转矩阵

和旋转矩阵符合法则

Learn robot configuration, DOF, precision,

repeatability.

Learn world frame, joint frame, rotation matrix,

composite rotation matrix

运动学 II

 齐次变换矩阵

 方位表示

 欧拉角

Kinematics II

 homogeneous matrix,

 orientation representation

 Euler angle

掌握齐次变换矩阵的定义和几何含义

掌握齐次变换矩阵的复合法则

掌握姿态表示和欧拉角

Understand homogeneous matrix and its geometric

interpretation

Understand composite rule of homogeneous matrix

Understand orientation representation and Euler

angle (Yaw-Pitch-Roll)

运动学 III

 D-H 表示

 D-H 参数

Kinematics III

 Denavit-Hartenberg

convention

 Denavit-Hartenberg

parameters

掌握 D-H 坐标系建立方法和 D-H 参数表

Understand Denavit-Hartenberg convention and

Denavit-Hartenberg parameters

运动学 IV (正向运动学)

 D-H 表示方法的齐次变换矩

阵

 正向运动学方程

Kinematics IV (Forward Kinematics)

 Homogeneous Transformation

with D-H Conv.

 Forward Kinematics Equations

掌握齐次 D-H 表示方法的齐次变换矩阵

掌握正向运动学建模过程

Understand Homogeneous Transformation with D-

H Conv.

Understand Forward Kinematics Equations

运动学 V (逆向运动学)

 运动学逆解问题

 可解性

 运动学解耦

Kinematics V (inverse kinematics)

 General Problem

 Solvability

 Kinematic Decoupling

掌握运动学逆解定义、可解性和球形手腕的运

动学解耦

Understand the conception of inverse kinematics,

solvability and kinematic decoupling (spherical

wrist)

运动学 VI

 雅可比矩阵

 反对称矩阵

 旋转矩阵导数

Kinematics VI

 Jacobian

 skew symmetric matrix

 derivative of rotation matrix

掌握雅可比矩阵的定义、反对称矩阵性质、旋

转矩阵导数的计算方法

Understand the definition of inverse kinematics,

characteristic of skew symmetric matrix, and

calculation of derivative of rotation matrix

运动学 VII

 雅可比矩阵矢量积计算方法

 雅可比矩阵的应用

 操作性能指标

Kinematics VII

 Jacobian calculation based on

vector product

 Application of Jacobian

 Manipulability index

掌握雅可比矩阵的矢量积计算方法和雅可比矩

阵的应用（逆速度、加速度、静力学、操作性

能指标）

Learn Jacobian calculation based on vector product

, aapplication of Jacobian (inverse velocity,

acceleration, statics and manipulability index)

运动学 VIII

 矩阵奇异值分解

 可操作度椭球

 灵巧性指标

 轨迹规划

Kinematics VIII

 Singular value decomposition

 Manipulability ellipsoid

 Dexterity

 Trajectory planning

掌握矩阵的矩阵奇异值分解方法、可操作度椭

球定义、灵巧性指标和基于三次多项式曲线的

轨迹规划方法

Learn Singular Value Decomposition (SVD)

method, the definition of manipulability ellipsoid,

dexterity and trajectory planning method

动力学 I

 动力学问题引出

 拉格朗日方程

 广义坐标和广义力

Dynamics I

 Concept of dynamics

 Lagrangian equations

 Generalized coordinates and

掌握机器人动力学的基本概念、拉格朗日方

程、广义坐标和广义力的选取

Learn concept of dynamics, Lagrangian equations,

generalized coordinates and coordinates force

coordinates force

动力学 II

 动能

 势能

 拉格朗日方程符号推导

Dynamics II

 kinetic energy

 potential energy

 symbolic derivation

掌握多自由度机器人系统的动能和势能求法、

拉格朗日方程符号推导

Learn kinetic energy and potential energy of robot

system, and symbolic derivation of Lagrangian

equations

动力学 III

 拉格朗日方程通用求法

Dynamics III

 Lagrangian method based on

homogeneous matrix

掌握拉格朗日方程通用求法

Learn lagrangian method based on homogeneous

matrix

动力学 IV

 机器人动力学方程特性

 动力学方程中外力

 冲击动力学

 例子：行走模型

Dynamics IV

 Properties of robot dynamics

equations

 External forces

 Impact dynamics

 Examples: walking model

掌握机器人动力学方程特性（反对称性、无源

性、惯性矩阵界限、参数的线性化）、动力学

方程中外力、冲击动力学及其在行走模型上的

应用

Learn properties of robot dynamics equations

(skew symmetry, passivity, limits of Inertial Matrix

and linearity in dynamic parameters), external

forces, impact dynamics and walking example

动力学 V

 机器人动力学特性分析

 关节弹性动力学

Dynamics V

 Analysis of dynamics

 Dynamics with joint elasticity

 Dynamic walking model

掌握机器人动力学特性分析和关节弹性动力学

Learn analysis of dynamics, dynamics with joint

elasticity and dynamic walking model

动力学 VI

 牛顿欧拉方法

 行走仿真

Dynamics V

 Newton-Euler Method

 Walking Simulation

掌握牛顿欧拉方法和行走仿真过程

Learn Newton-Euler method and walking

simulation

控制 I

 机器人控制概念

 位置控制方法

Control I

 Introduction to control

 Position control

掌握机器人控制概念和位置控制方法

Understand the concept of robot control and

position control force control

控制 II

 机器人多变量方法

 力控制方法

Control II

 Multivariable control

 Force control

掌握机器人多变量控制方法和力控制方法

Understand multivariable control and force control

项目开题

 小组报告

 讨论

Project proposal

 group presentation

 discussion

学生将被分配到几个小组，每个小组会在授课

教师的帮助下，自主提出一个研究小课题。小

课题研究应采用本课程所介绍的方法，探索新

概念，并鼓励制作实物演示原理。

A final group project is required for this course.

The project will be selected by students, with

assistance from the instructor. Projects should

employ methods studied in the course, and should

explore novel concepts.

移动 I

 动物的移动

 移动代价

Locomotion I

 Animal locomotion

 Cost of Transport

掌握动物的移动和移动代价概念

Learn Animal locomotion and Cost of Transport

移动 II

 行走基本原理

 行走控制方法

Locomotion II

 Basic walking principles

 Walking control method

掌握行走基本原理和基本控制方法

Learn basic walking principles and walking control

method

项目报告和讨论

Final project presentation and

discussion

项目报告和讨论

Final project presentation and discussion

18.

教材及其它参考资料 Textbook and Supplementary Readings

1. 机器人建模和控制，翻译，作者：（美）马克 W.斯庞（Mark W. Spong），赛斯·哈钦森（Seth

Hutchinson），M. 维德雅萨加（M. Vidyasagar），译者：贾振中. 机械工业出版社, 中国，2016. 第

1 版，ISBN：9787111542759。

2. Whittle's Gait Analysis, 原版进口，作者： David Levine; Jim Richards; Michael W.

Whittle. 出版社： Churchill Livingstone, 2012, 第 5 版， ISBN：9780702042652。

3. 骨骼肌肉功能解剖学，翻译，作者:(美) 唐纳德·A.诺伊曼译者:刘颖、师玉涛、闫琪，人民军医出

版社，中国，2016. 第 2 版，ISBN：9787509163559。

课程评估 ASSESSMENT

19.

评估形式

Type of

Assessment

评估时间

Time

占考试总成绩百分比

% of final

score

违纪处罚

Penalty

备注

Notes

出勤 Attendance

课堂表现

Class

Performance

小测验

Quiz

课程项目 Projects

平时作业

Assignments

期中考试

Mid-Term Test

期末考试

Final Exam

期末报告

Final

Presentation

其它（可根据需要

改写以上评估方

式）

Others (The

above may be

modified as

necessary)

20.

记分方式 GRADING SYSTEM

√ A. 十三级等级制 Letter Grading

 B. 二级记分制（通过/不通过） Pass/Fail Grading

课程审批 REVIEW AND APPROVAL

21.

本课程设置已经过以下责任人/委员会审议通过

This Course has been approved by the following person or committee of authority

机械与能源工程系教学委员会