机器人培训课程体系（选修）

专题划分

专题一：机器人基础与系统组成
专题二：机器人运动学与动力学
专题三：机器人感知与传感器技术
专题四：机器人控制理论与算法
专题五：机器人编程与仿真
专题六：工业机器人应用与集成
专题七：移动机器人与自主导航
专题八：服务机器人与人机交互
专题九：机器人操作系统（ROS/ROS2）
专题十：机器人视觉与图像处理
专题十一：机器人系统集成与调试
专题十二：机器人项目管理与维护

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专题一：机器人基础与系统组成

培训对象：

• 新入职机器人行业技术人员、转岗工程师

• 需要建立机器人整体认知的项目管理人员

• 机器人相关专业学生、爱好者

培训目标：
掌握机器人的基本定义、分类与发展历程，熟悉机器人系统的机械、电气、控制三大组成部分，了解机器人技术的前沿趋势。

培训内容：

1. 机器人定义与分类：工业机器人、服务机器人、特种机器人、协作机器人的特点与区别

2. 机器人发展简史：从第一台工业机器人到现代智能机器人的演进

3. 机器人系统组成：机械本体、驱动系统、控制系统、感知系统、交互系统

4. 机器人主要技术参数：自由度、负载、工作空间、精度、重复定位精度、速度

5. 机器人机械结构：关节类型（旋转/移动）、连杆、减速器、末端执行器

6. 机器人驱动方式：电机驱动（伺服/步进）、液压驱动、气动驱动对比

7. 机器人控制架构：集中式控制、分布式控制、主从控制

8. 机器人电源与能源管理：电池选型、电源管理、充电技术

9. 机器人通信接口：工业总线（EtherCAT/CANopen）、无线通信（Wi-Fi/5G）

10. 机器人性能评价指标：MTBF、MTTR、可靠性、安全性

11. 机器人技术发展趋势：智能化、柔性化、人机协作、云机器人

12. 综合研讨：典型机器人系统拆解与功能分析

专题二：机器人运动学与动力学

培训对象：

• 机器人算法工程师、运动控制开发人员

• 需要理解机器人运动原理的集成工程师

• 机器人相关专业研究生、科研人员

培训目标：
掌握机器人运动学与动力学的基础理论，能够进行正逆运动学分析、雅可比矩阵计算、动力学建模，为轨迹规划和控制提供基础。

培训内容：

1. 空间描述与变换：位置与姿态表示、旋转矩阵、齐次变换矩阵

2. 机器人连杆参数与D-H表示法：D-H参数定义、坐标系建立

3. 正运动学：从关节空间到笛卡尔空间的映射、运动学方程推导

4. 逆运动学：解析解法与数值解法、多解选择、奇异性分析

5. 速度运动学：雅可比矩阵定义、速度映射、静力传递

6. 加速度与动力学基础：牛顿-欧拉方程、拉格朗日方程

7. 动力学建模方法：牛顿-欧拉递推法、拉格朗日法

8. 惯性参数辨识：连杆质量、质心、惯性张量的确定

9. 轨迹规划基础：关节空间轨迹规划（多项式/样条）、笛卡尔空间轨迹规划

10. 运动学约束：关节限位、速度/加速度限制、工作空间边界

11. 动力学约束：关节力矩限制、功率限制

12. 综合实战：六轴工业机器人运动学建模与轨迹仿真

专题三：机器人感知与传感器技术

培训对象：

• 机器人感知工程师、传感器应用人员

• 需要集成感知系统的机器人开发者

• 自动化、电子工程背景人员

培训目标：
掌握机器人常用传感器的工作原理与选型方法，能够进行传感器数据采集、融合处理，为机器人环境感知与状态估计提供支撑。

培训内容：

1. 机器人传感器分类：本体感知传感器（关节位置/速度/力矩）、外部感知传感器（视觉/激光/触觉）

2. 位置与速度传感器：光电编码器（增量式/绝对式）、旋转变压器、霍尔传感器

3. 力/力矩传感器：应变片式、压电式、多维力传感器

4. 惯性测量单元（IMU）：加速度计、陀螺仪、磁力计原理、数据融合

5. 激光雷达（LiDAR）：单线/多线、机械式/固态、测距原理、点云数据

6. 视觉传感器：单目/双目相机、RGB-D相机（Kinect/RealSense）、事件相机

7. 触觉与接近觉传感器：触觉阵列、接近开关、超声波传感器

8. 传感器标定：内参标定、外参标定、手眼标定

9. 多传感器融合：卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、粒子滤波

10. 传感器数据采集与处理：滤波去噪、特征提取、时间同步

11. 传感器选型依据：精度、分辨率、量程、环境适应性、成本

12. 综合实战：移动机器人传感器套件配置与数据采集

专题四：机器人控制理论与算法

培训对象：

• 机器人控制工程师、算法开发人员

• 需要设计控制系统的自动化专业人员

• 控制理论与工程背景从业者

培训目标：
掌握机器人控制的基础理论与经典算法，能够设计PID控制、力控制、自适应控制等控制器，实现机器人精确运动控制。

培训内容：

1. 机器人控制概述：控制目标、控制架构、控制层次

2. PID控制原理：位置式PID、增量式PID、积分分离、抗积分饱和

3. 计算力矩控制：基于动力学模型的前馈补偿、反馈线性化

4. 力/位混合控制：约束坐标系、力控制与位置控制的切换

5. 阻抗控制与导纳控制：机械阻抗、环境交互控制策略

6. 自适应控制：模型参考自适应、自校正调节器

7. 鲁棒控制：H∞控制、滑模控制

8. 最优控制：线性二次型调节器（LQR）、模型预测控制（MPC）

9. 迭代学习控制：重复运动场景下的学习控制

10. 多机器人协调控制：主从控制、分布式控制、一致性算法

11. 实时控制实现：控制周期、任务调度、中断处理

12. 综合实战：六轴机器人PID参数整定与轨迹跟踪实验

专题五：机器人编程与仿真

培训对象：

• 机器人应用工程师、离线编程人员

• 需要掌握机器人编程语言的开发者

• 系统集成与仿真验证人员

培训目标：
掌握机器人编程语言与开发环境，能够进行机器人离线编程、在线示教、仿真验证，提升机器人应用开发效率。

培训内容：

1. 机器人编程方式：示教编程、离线编程、任务级编程

2. 常用机器人编程语言：RAPID（ABB）、KRL（KUKA）、MELFA（三菱）、INFORM（发那科）

3. 机器人指令系统：运动指令、I/O指令、流程控制、函数调用

4. 离线编程软件：RobotStudio、RoboDK、DELMIA、KUKA.Sim

5. 机器人仿真基础：三维建模、运动学仿真、碰撞检测

6. 虚拟调试：PLC与机器人联合仿真、信号交互

7. 机器人操作系统集成：ROS与商业机器人控制器的桥接

8. 任务级编程：基于语义的任务规划、自动路径生成

9. 代码生成与导入：从仿真到实机的代码转换与验证

10. 人机协作编程：安全区域设定、速度监控、力限制

11. 编程调试技巧：在线监控、断点调试、日志分析

12. 综合实战：使用RoboDK完成搬运机器人的离线编程与仿真

专题六：工业机器人应用与集成

培训对象：

• 工业机器人集成工程师、自动化产线设计人员

• 需要部署工业机器人的现场技术人员

• 智能制造项目负责人

培训目标：
掌握工业机器人典型应用场景与系统集成方法，能够进行焊接、搬运、装配、喷涂等工艺的机器人应用开发与调试。

培训内容：

1. 工业机器人典型应用：搬运码垛、焊接切割、装配拆卸、喷涂涂胶、打磨抛光

2. 机器人工作站设计：工装夹具设计、周边设备选型、安全围栏规划

3. 机器人末端执行器（EOAT）：气动夹爪、电动夹爪、真空吸盘、快换装置

4. 焊接机器人应用：弧焊、点焊工艺参数设置、焊缝跟踪、变位机协调

5. 搬运码垛应用：抓取规划、码垛算法、输送线同步

6. 装配机器人应用：轴孔装配、螺纹拧紧、压装、视觉引导

7. 喷涂机器人应用：轨迹示教、涂料控制、防爆要求

8. 打磨抛光应用：恒力控制、工具磨损补偿、路径优化

9. 机器人与PLC集成：I/O通信、现场总线（Profinet/EtherNet/IP）、握手协议

10. 视觉引导集成：手眼标定、定位抓取、质量检测

11. 安全系统设计：安全围栏、光栅/安全门、速度监控、安全PLC

12. 综合实战：典型搬运工作站设计与现场调试

专题七：移动机器人与自主导航

培训对象：

• 移动机器人开发工程师、AGV/AMR技术人员

• 需要实现机器人自主导航的算法工程师

• 物流、仓储行业自动化人员

培训目标：
掌握移动机器人定位、建图、导航的核心算法与系统集成方法，能够开发自主移动机器人（AGV/AMR）应用。

培训内容：

1. 移动机器人平台类型：轮式（差分/全向/阿克曼）、履带式、足式

2. 运动学模型：两轮差分、四轮全向、阿克曼转向建模

3. 传感器配置：激光雷达、IMU、轮式编码器、深度相机

4. 同时定位与地图构建（SLAM）：Gmapping、HectorSLAM、Cartographer、ORB-SLAM

5. 定位技术：蒙特卡洛定位（AMCL）、自适应蒙特卡洛定位

6. 全局路径规划：Dijkstra、A、D算法

7. 局部路径规划：动态窗口法（DWA）、时间弹性带（TEB）、模型预测控制（MPC）

8. 障碍物检测与避障：激光雷达点云处理、视觉深度估计、势场法

9. 多机器人协同：交通管制、路径协调、任务分配

10. 导航系统集成：ROS Navigation Stack、导航行为树

11. 调度系统：AGV调度系统（RCS/WCS）、任务分配与交通管制

12. 综合实战：基于ROS的自主移动机器人建图与导航实现

专题八：服务机器人与人机交互

培训对象：

• 服务机器人研发工程师、人机交互设计师

• 需要开发家庭/商业服务机器人的技术人员

• 人工智能应用开发者

培训目标：
掌握服务机器人的核心技术，包括人机交互、语音交互、任务规划、行为控制，能够开发面向家庭、医疗、商用场景的服务机器人。

培训内容：

1. 服务机器人分类：家用清洁、陪护、商用服务、医疗康复、特种服务

2. 人机交互技术：语音交互、触控交互、手势识别、情感计算

3. 语音处理基础：语音识别（ASR）、自然语言理解（NLU）、语音合成（TTS）

4. 机器人对话系统：对话管理、意图识别、问答系统

5. 人脸识别与情感感知：人脸检测、人脸识别、表情分析、情感响应

6. 任务规划与执行：分层任务网络（HTN）、行为树、状态机

7. 社交行为建模：社交距离、人物跟踪、目光接触、空间行为

8. 环境感知与语义理解：场景识别、物体检测、语义地图

9. 服务机器人底盘控制：差速底盘、全向底盘、原地转向

10. 机械臂在服务机器人中的应用：抓取、递送、开门等操作

11. 多模态交互融合：语音+手势+表情的协同表达

12. 综合实战：酒店送物机器人交互与导航系统开发

专题九：机器人操作系统（ROS/ROS2）

培训对象：

• 机器人软件工程师、ROS开发者

• 需要掌握ROS开发框架的算法工程师

• 机器人科研人员、研究生

培训目标：
掌握机器人操作系统（ROS/ROS2）的核心概念与开发方法，能够使用ROS进行机器人软件系统构建、节点通信、仿真调试。

培训内容：

1. ROS概述与设计哲学：分布式架构、节点、话题、服务、动作

2. ROS核心工具：roscore、rosrun、rostopic、rosservice、roslaunch

3. 工作空间与功能包：catkin工作空间、package.xml、CMakeLists.txt

4. ROS通信机制：话题（Topic）异步通信、服务（Service）同步通信、动作（Action）带反馈任务

5. 常用ROS库：TF坐标变换、URDF机器人模型、MoveIt运动规划

6. ROS可视化工具：Rviz三维可视化、rqt_plot、rqt_graph

7. ROS仿真环境：Gazebo机器人仿真、传感器仿真、世界构建

8. ROS2新特性：DDS通信、实时性改进、安全机制、多机器人支持

9. ROS2编程：节点生命周期、参数服务器、服务质量（QoS）

10. ROS2工具链：colcon构建、ros2cli、Launch系统

11. ROS与硬件接口：ros_control、硬件驱动开发

12. 综合实战：基于ROS2的移动机器人导航系统开发

专题十：机器人视觉与图像处理

培训对象：

• 机器人视觉工程师、图像处理算法人员

• 需要集成视觉系统的机器人开发者

• 机器视觉、计算机视觉从业者

培训目标：
掌握机器人视觉系统的核心技术与算法，能够进行相机标定、图像预处理、特征提取、目标检测与识别，实现视觉引导与检测功能。

培训内容：

1. 机器视觉基础：图像形成、像素坐标系、相机成像模型

2. 相机标定：内参标定（焦距/主点/畸变）、外参标定（位姿）、手眼标定

3. 图像预处理：灰度化、滤波去噪、直方图均衡、边缘检测（Canny/Sobel）

4. 特征提取与匹配：SIFT、SURF、ORB特征、特征匹配算法

5. 目标检测传统方法：模板匹配、Haar特征、HOG特征+SVM

6. 深度学习目标检测：Faster R-CNN、YOLO、SSD在机器人中的应用

7. 目标跟踪：KCF、MOSSE、DeepSORT算法

8. 双目视觉与深度估计：立体匹配、视差计算、三维重建

9. 结构光与深度相机：光栅投影、ToF原理、点云处理

10. 视觉伺服：基于图像的视觉伺服（IBVS）、基于位置的视觉伺服（PBVS）

11. 视觉引导机器人抓取：物体定位、姿态估计、抓取点规划

12. 综合实战：基于深度相机的机器人抓取系统开发

专题十一：机器人系统集成与调试

培训对象：

• 机器人系统集成工程师、自动化产线调试人员

• 需要负责机器人项目交付的技术人员

• 智能制造实施工程师

培训目标：
掌握机器人系统集成的完整流程，能够进行机器人选型、外围设备集成、现场调试、故障排查，确保系统稳定运行。

培训内容：

1. 机器人系统集成流程：需求分析、方案设计、选型采购、安装调试、验收交付

2. 机器人选型方法：负载、工作空间、精度、速度、环境适应性评估

3. 外围设备集成：PLC、视觉系统、传送带、变位机、安全设备

4. 电气系统设计：控制柜布局、电源分配、信号接线、电磁兼容

5. 机器人安装与校准：基座安装、零点校准、工具坐标系标定

6. 现场总线配置：Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、CC-Link

7. I/O信号对接：数字量I/O、模拟量I/O、安全I/O

8. 机器人程序调试：手动运行、自动运行、异常处理、速度优化

9. 故障诊断与排除：常见报警代码、系统日志、故障复现

10. 安全系统验证：安全围栏、光栅/扫描仪功能测试、急停回路

11. 系统验收测试：节拍测试、精度测试、功能测试、文档交付

12. 综合实战：工业机器人工作站的完整集成与调试演练

专题十二：机器人项目管理与维护

培训对象：

• 机器人项目经理、技术负责人

• 机器人售后维护工程师

• 自动化产线运营管理人员

培训目标：
掌握机器人项目的管理方法与维护技术，能够进行项目计划、成本控制、风险管控，并具备机器人日常维护、故障处理能力。

培训内容：

1. 机器人项目管理流程：项目启动、计划制定、执行监控、验收交付

2. 项目需求分析：客户需求、技术要求、交付标准

3. 项目计划编制：WBS、甘特图、关键路径、资源分配

4. 成本估算与控制：硬件成本、软件成本、人工成本、预算管理

5. 供应商与采购管理：供应商评估、采购流程、到货验收

6. 风险识别与应对：技术风险、进度风险、供应链风险

7. 机器人日常维护：清洁保养、润滑、电池更换、传感器校准

8. 预防性维护计划：维护周期、维护项目、备件管理

9. 故障应急处理：故障分类、应急响应流程、备件更换

10. 维修记录与分析：维修日志、故障统计、根本原因分析

11. 远程监控与诊断：工业物联网平台、远程访问、状态监测

12. 综合实战：机器人项目全周期管理模拟

机器人软件工具概览

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