机器人参数化建模与仿真分析、优化设计、控制与运动规划

随着全球科技的迅猛发展，机器人技术在众多领域中的应用日益广泛，从制造业的自动化生产线到物流领域的智能搬运，再到医疗行业的辅助手术，机器人正以其高效、精准的特性改变着各行各业的运作模式。机器人技术的发展离不开多学科的交叉融合，包括机械工程、自动化、计算机科学、材料科学等。在机械工程领域，机器人结构设计、运动学与动力学建模等技术不断进步；在自动化领域，机器人控制算法、传感器技术等不断创新；在计算机科学领域，机器人仿真、人工智能等技术日益成熟；在材料科学领域，新型材料的应用为机器人轻量化、高性能化提供了支持。这些技术的发展为机器人设计提供了更广阔的空间和可能性。然而，机器人技术的复杂性和多样性对人才提出了更高的要求。目前，机器人领域的人才缺口较大，尤其是具备机器人参数化建模、仿真分析、优化设计、控制与运动规划综合能力的人才。许多高校和研究机构虽然开展了机器人相关专业的教育和研究，但实践教学环节相对薄弱，导致学生缺乏实际操作经验和工程实践能力。在这样的背景下，本次研修课程应运而生。本次培训聚焦于机器人参数化建模与仿真分析、优化设计等关键领域，旨在为学员提供一个系统、全面的学习平台。

本课程旨在培养学员在机器人参数化建模、仿真分析及优化设计方面的综合能力。通过理论学习与实践操作，学员将掌握机器人运动学、动力学建模方法，熟练使用 MATLAB、Simulink、SolidWorks等工具，并能够独立完成机器人优化设计与控制仿真。课程适合机械工程、自动化、机器人工程等相关专业的高年级本科生、研究生及工程技术人员

机器人参数化建模与仿真分析、优化设计、控制与运动规划专题
一、机器人运动学建模与仿真
目标：掌握机器人运动学建模方法，学会使用 MATLAB 和 Simulink进行运动学仿真。

1. 机器人运动学基础

(1) 几何运动学闭环解解析法建模

(2) 运动学MATLAB脚本编写（封闭解、构型绘制）、工具箱

2. 机器人工作空间建模

(1) 离散法

(2) 几何法

(3) 工作空间MATLAB脚本编写

(4) 工作空间CAD（SolidWorks）建模

3. 机器人微分运动学（速度、加速度）建模

(1) MATLAB脚本编写

(2) MATLAB/Simulink运动学仿真

4. 机器人灵巧度与奇异分析

(1) 灵巧度分析

(2) 奇异分析（解析方程、MATLAB、SolidWorks图形显示）

5. 工具使用指南

(1) MATLAB Robotics Toolbox使用方法

(2) MATLAB/Simulink联合仿真操作要点

实践任务：

(1) 使用MATLAB编写四自由度分拣机器人的运动学模型，并进行仿真验证。

(2) 使用SolidWorks绘制3-dof球面并联机构的工作空间，并通过MATLAB进行分析。

教学案例：

 四自由度分拣机器人

 3-dof 球面并联机构

 3T1R并联机械手运动学分析

 非完全对称DELTA机器人

二、机器人动力学与刚度建模
目标：掌握机器人动力学与刚度建模方法，学会使用 MATLAB、Adams、SolidWorks 进行联合仿真。

1. 机器人动力学建模

(1) 解析建模与脚本MATLAB脚本

(2) Simulink、Adams仿真

(3) MATLAB-Adams

(4) SolidWorks & Simscape联合仿真

(5) 动力学参数识别

2. 机器人刚度建模

(1) 机器人解析建模

(2) 刚度特性分析

(3) MATLAB脚本编写

(4) MATLAB/Workbench联合仿真

3. 工具使用指南

(1) MATLAB与Adams联合仿真的操作方法

(2) SolidWorks与Simscape的联合仿真流程

实践任务：

(1) 使用MATLAB和Adams进行平面两杆机械臂的动力学仿真。

(2) 使用SolidWorks和MATLAB联合仿真，分析球面并联机构的刚度特性。

教学案例：

 平面两杆机械臂仿真

 球面并联机构仿真

 空间3平移1转动分拣机器人

 5自由度机械臂仿真

三、机器人优化设计
目标：掌握机器人优化设计方法，学会使用 MATLAB 优化工具包进行性能优化。

1. 机器人性能评价与设计指标

2. 优化模型数学建模

3. MATLAB优化工具包

4. 多目标优化（NSGA算法、无约束、有约束）

5. 优化结果分析与评价

6. 工具使用指南

(1) MATLAB Optimization Toolbox使用方法

(2) 多目标优化算法的实现要点

实践任务：

(1) 使用MATLAB优化工具包对非对称球面机构进行单目标优化。

(2) 对3T1R分拣机器人进行多目标优化设计，并分析优化结果。

教学案例：

 单目标优化非对称球面机构传动性能

 双滑块磨床

 约束的多目标优化球面并联机构

 非对称分拣机器人

四、机器人控制与运动规划
目标：掌握机器人控制算法与运动规划方法，学会使用 MATLAB、Simulink、Vrep 进行控制仿真与可视化。

1. 机器人控制

2. 动力学参数辨识

3. 控制算法（PID、前馈、计算力矩、滑膜、模糊等）

4. MATLAB-Simulink、SolidWorks-Simscape控制仿真

教学案例：

 五自由度机械臂模糊力矩控制

 五自由度机械臂 Simcape 整体建模

 3T1R 分拣机器人迭代学习控制

 基于模型的 3T1R 分拣机器人控制

5. 机器人运动规划（NURBS、多项式、避障等）

6. MATLAB优化仿真

7. MATLAB-Vrep（CoppeliaSim）可视化联合仿真
   
   讲师介绍：

由 全国重点大学，国家“双一流”建设高校， 国家“985 工程”、“211 工程”建设高校副

教授、硕导。主持和参与国家级及省部级各类项目 10 项，发表文章 50 余篇，在机器人学领域顶

级期刊以及顶级会议发表多篇文章。在机器人结构设计、动力学控制、视觉导引、轨迹规划、多

目标优化有着丰富的经验。

公众号：科研硕博