6B07107 Робототехника и мехатроника в КарГУ им. Букетова

Матрицы и действия над ними, определители и их свойства, обратная матрица, матричные уравнения, системы линейных алгебраических уравнений и методы их решения, комплексные числа, векторы и операции над ними, уравнение прямой на плоскости, кривые 2-го порядка, прямая и плоскость в пространстве, смешанные задачи на прямую и плоскость.

Математический анализ-I - это математическая наука, которая составляет фундамент математического и естественно-научного образования. Дисциплина включает изучение следующих тем: Вещественные числа и теории множеств. Теория последовательностей. Предел функции. Непрерывность функции. Дифференциальное исчисление. Основные теоремы дифференциального исчисления и их применения. Исследование функции при помощи производной.

Основные понятия языков программирования. Описание переменных. Оператор присваивания. Условный оператор IF … THEN. Оператор выбора варианта. Операторы цикла. End Sub. Результат выполнения программного кода цикла с предусловием с использованием универсального оператора цикла DO LOOP. Функции обработки строк. Функции преобразования данных. Концепция программирования. Структурное и модульное программирование. Объектно-ориентированные и декларативные языки.

Что такое TEX и LATEX. Достоинства и недостатки. Основные понятия. Набор текста. Списки. Сноски. Смена шрифтов в тексте. Набор формул. Набор матриц. Набор систем линейных уравнений. Оформление текста в целом. Титульный лист, оглавление, список литературы. Создание таблиц. Вставка изображений. Создание презентаций.

Дисциплина «Математический анализ-II» является одной из неотъемлемых частей в курсе математического анализа. Основной акцент направлен на изучение таких тем, как: неопределенный интеграл, определенный интеграл и их приложения, теория функции многих переменных, числовые, функциональные последовательности и ряды.

Запись и чтение файловых данных. Обмен информацией с другими программами – приложениями. Безмодульное программирование в пакете MathCAD. Подпрограмма-функция: описание и вызов. Программирование алгоритмов в подпрограмме–функции MathCAD. Решение научно-инженерных задач в пакете MathCAD. Решение оптимизационных задач в пакете MathCAD. Обработка экспериментальных данных в пакете MathCAD.

Возможности языка Python. Загрузка и установка Python. Среда разработки IDLE. Синтаксис. Условный оператор if. Циклы. Ключевые слова, встроенные функции. Числа. Строки. Списки (массивы). Индексы и срезы. Кортежи. Словари. Множества. Функции. Исключения и их обработка. Байтовые строки. Файлы. With … as. Документирование кода. Создание и подключение модулей. Инкапсуляция, наследование, полиморфизм. Декораторы.

Основные определения и понятия, геометрический и физический смыслы и их решений. Задача Коши. Теорема существования и единственности решения задачи Коши. Изоклины. Дифференциальные уравнения первого порядка, высших порядков. Краевые задачи первого и высших порядков, методы их решений. Системы линейных дифференциальных уравнений. Теория устойчивости. Линейные дифференциальные уравнения с частными производными первого порядка.

Аксиомы статики. Сходящиеся силы. Система параллельных сил. Центр тяжести. Момент силы относительно центра и оси. Теория пар. Условия равновесия для различных систем сил. Основы кинематики. Способы задания движения точки. Криволинейное движение. Поступательное и вращательное движения абсолютно твердого тела (АТТ). Плоскопараллельное движение АТТ. Мгновенный центр скоростей и ускорений. Сложное движение АТТ.

Структура программы. Основные математические операции и типы данных. Структура программы пакета MatLab. Простые переменные и основные типы данных в MatLab. Арифметические операции с простыми переменными. Основные математические функции MatLab. Векторы и матрицы в MatLab. Операции над матрицами и векторами. Структуры в MatLab. Ячейки в MatLab. Условные операторы и циклы в MatLab. Работа с графиками в MatLab. Программирование функций в MatLab.

Предмет физики и ее связь с другими науками. Пространственновременные масштабы и физическое моделирование. Абстракции в физике. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Второй закон Ньютона. Принцип независимости сил. Третий закон Ньютона. Законы сохранения импульса и момента импульса. Уравнение моментов. Формула Циолковского. Кинетическая и потенциальная энергии. Закон сохранения механической энергии.

Введение в предметную область специальности. Профессионально-ориентированный иностранный язык как дисциплинарный феномен. Основы формирования предметно-языкового материала. Профессиональная терминология. Специальный профессионально - ориентированный материал и его использование в ситуациях механики. Грамматические упражнения. Монологическое высказывание о профессиональном содержании механики. Чтение и перевод текстов из произведений выдающихся ученых инженеров.

SCADA и DCS системы. Функции SCADA-систем. Структура SCADA-систем. Типы управления в SCADA-системах. Системы человеко-машинного интерфейса. Автоматизированное рабочее место оператора технологического процесса. Мнемосхемы. Тренды. События. Алармы. Типовые алармы. Организация взаимодействия с контроллерами. Связь SCADA-систем с устройствами ввода/вывода. Применение SCADA-систем.

Государство,право, основные понятия о государственно-правовых явлениях. Основы конституционного права РК. Правоохранительные органы и суд в РК. Органы государственной власти в РК. Основы административного права РК. Основы гражданского и семейного права в РК. Трудовое право и право социального обеспечения РК. Правовая ответственность за коррупционные деяния.

В данной дисциплине рассматриваются методологические основы составления бизнес-плана. Курс «Прикладной бизнес» включает изучение методов анализа рынка сбыта, описание продукции, разработку и представление производственного плана, разработку и представление плана маркетинга и организационного плана, разработку и представление финансового плана.

Основной закон динамики. Задачи динамики точки. Решение первой и второй задачи динамики. Общие теоремы динамики точки. Теоремы об изменении количества движения и момента количества движения точки. Теорема об изменении кинетической энергии точки. Работа силы. Импульс. Гармоническое колебание.Общие теоремы динамики системы.Теорема об изменении кинетического момента системы. Теорема об изменении кинетической энергии системы. Принцип Даламбера.

Полупроводниковые приборы. Источники вторичного электропитания. Электронные усилители. Импульсные устройства. Автогенераторы. Логические основы цифровых устройств. Функциональные узлы цифровых устройств. Микропроцессорные устройства. Структура и свойства среды моделирования схем электронных устройств NI Multisim. Моделирование схем аналоговых электронных устройств.Моделирование схем цифровых и аналого-цифровых устройств.

Основы развития общества и природы, современные подходы рационального использования природных ресурсов, правового регулирования безопасности жизнедеятельности, прогнозирование развития негативных воздействий и оценки последствий чрезвычайных ситуаций. Основные экологические проблемы современности, безопасное взаимодействие человека со средой обитания, защита от негативных факторов в чрезвычайно опасных ситуациях, прогнозирование возможных экстремальных ситуаций в различных сферах.

Пассивные компоненты электронных систем: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы, схемы на пассивных компонентах. Диоды и диодные системы. Биполярные транзисторы: характеристики, классификация, типовые транзисторные схемы. Полевые транзисторы: с р-n-переходом, с встроенным каналом, с индуцированным каналом, схемы на полевых транзисторах. Составные транзисторы: схема Дарлингтона, схема Шиклаи, IGBT. Тиристоры.

Исторический опыт модернизации Казахстана и современность. Национальное сознание и особенности его формирования. Патриотический акт «Мәңгілік ел» и его значение для национального сознания. Современная казахстанская идентичность в глобальном мире. Меритократическое общество и его ценности. Казахстан как «общество знаний», «информационное общество» и общество «цифровых технологий».

Основные понятия о робототехнике. История развития робототехники. Компоненты роботов. Источник питания. Запуск робота. Электрические моторы. Структура роботов. Манипуляционные системы. Устройство управления роботов. Состав, параметры и классификация роботов. Приводы роботов. Классификация приводов. Системы управления роботами и их классификация. Мышцы воздуха. Проволочные мышцы. Упругие нанотрубы. Зрительная способность.

Методы и этапы проектирования роботов. Промышленные роботы в системе комплексной автоматизации производства, их классификация и основные характеристики, особенности конструктивного исполнения. Конструирование манипуляционных механизмов. Состав и структура промышленных робототехнических систем (РС). Автоматизация проектирования РС. Автоматизация программирования роботов. Кинематика и динамика РС. Проектирование приводов РС. Проектирование систем управления РС.

Вероятностные методы расчета элементов конструкции. Функции случайных величин. Законы распределения случайных величин. Статистическое обоснование коэффициента запаса. Методика вероятностных расчетов на прочность. Определение вероятностных характеристик напряжений и напряжений сложном сопротивлении. Вероятность безопасной работы. Методы решения задач статистической динамики. Методы функции Грина, дифференциальных уравнений, спектральных представлений.

Манипуляторы, движители. Сенсорика, датчики и лисенсоры. Приводы. Системы управления, взаимодействия с человеком и взаимодействия с другими роботами. Архитектура системы управления робота, основанная на знаниях. Механика манипулятора. Роботы-манипуляторы. Кинематика манипулятора. Кинематические схемы SCARA, SPINE, ASEA. Компоновка манипулятора FlexPicker. Кинематические модели манипуляторов. Уравнения кинематики манипулятора. Прямая и обратная задачи кинематики. Сенсоры.

Понятие мехатронной системы. Общие вопросы проектирования мехатронных систем. Кинематика и динамика мехатронных систем. Проектирование приводов мехатронных систем. Проектирование систем управления мехатронных систем. Мехатронные системы для горных и горно-строительных работ. Мехатронные системы для строительных и строительно-монтажных работ. Мехатронные системы для строительно-дорожных машин.

Общие понятия о мехатронике. Назначение и область применения мехатроники. Основные направления развития мехатронных систем. Интеграция. Интеллектуализация. Миниатюризация. Управление движением человека. Общая схема системы управления движением человека. Нейроны. Мышцы. Рецепторы. Центральная нервная система. Уровни управления движением. Стратегический уровень управления движением. Пропорционально-дифференциальное управление.

Конечные элементы (КЭ). Линейный упругий элемент. Стержневой элемент (СЭ). Балочный элемент (БЭ). Матрицы жесткости СЭ и БЭ. КЭ колеблющегося стержня. Математическая модель мембраны и изгиба пластины. Матрица жесткости прямоугольного КЭ мембраны. Линейный плоский и квадратичный треугольный элемент. Линейный и квадратичный четырехугольные элементы. Современная концепция алгоритма МКЭ.

Прочность и деформация при растяжении и сжатии. Прочность и деформация при кручении и изгибе. Тонкостенные оболочки. Усталостная прочность материалов. Выносливость при совместном действии изгиба и кручения. Устойчивость сжатых стержней. Устойчивость труб и оболочек при наружном давлении. Детали машин. Соединения деталей машин и аппаратов. Валы, оси, подшипники, муфты, приводы.

Основные понятия и законы электрических цепей. Элементы электрической цепи: идеализированные пассивные, идеализированные активные, реальные. Схемы замещения. Соединения элементов. Топологические элементы электрической цепи. Законы Кирхгофа. Системы уравнений электрического равновесия цепи. Классификация электрических цепей. Принцип наложения. Линейные электрические цепи при гармоническом воздействии. Методы расчета электрических цепей в установившихся режимах.

Теория сигналов и систем. Пространство и метрология сигналов. Динамическое и спектральное представления сигналов. Дискретизация сигналов. Энергетические спектры сигналов. Корреляция сигналов. Модулированные сигналы. Преобразование Гильберта. Аналитические сигналы. Линейные системы. Передача сигналов по кабелям. Каротажные кабели. Импульсные параметры кабеля. Повышение скорости передачи сигналов по кабелю. Синхронизация кода. Случайные сигналы. Многомерные сигналы и системы.

Свободные и несвободные материальные системы. Связи и их классификация. Виртуальные скорости и перемещения, работа. Признак идеальности связей. Обобщенные координаты и силы. Cлучай консервативных сил. Уравнения Лагранжа 1-го и 2-го родов. Выражение кинетической энергии через обобщенные координаты и обобщенные скорости. Гироскопические и диссипативные силы. Циклические координаты. Обобщенный потенциал. Теорема Лиувилля. Уравнения Аппеля, Чаплыгина.

Информационная безопасность – это одна из характеристик информационной системы, т.е. информационная система на определенный момент времени обладает определенным состоянием (уровнем) защищенности. Основные составляющие информационной безопасности. Доступность, целостность, конфиденциальность информации. Объекты защиты. Категории и носители информации. Угрозы информации. Средства защиты информации. Программно-технические способы и средства обеспечения информационной безопасности.

Компьютерное зрение и устройство зрительной системы человека. Обработка изображений. Простые методы анализа изображений. Представление изображений. Локальные особенности. Оценка параметров моделей. Машинное обучение и классификация изображений. Поиск и локализация объектов. Задача на больших коллекциях изображений. Поиск изображений по содержанию. Основы видеонаблюдения. Распознавание событий в видео. Компьютерное зрение в реальном времени.

Состав роботов. Классификация роботов по назначению. Классификация роботов по показателям, определяющим их конструкцию. Классификация роботов по способу управления. Классификация роботов по быстродействию и точности движений. Параметры, определяющие технический уровень роботов. Манипуляционные системы. Рабочие органы манипуляторов. Системы передвижения роботов.

Устройство роботов. Состав, параметры и классификация роботов. Манипуляционные системы. Рабочие органы манипуляторов. Системы передвижения мобильных роботов. Сенсорные системы. Устройства управления роботов. Особенности устройства других средств робототехники. Приводы роботов. Классификация приводов. Пневматические приводы. Гидравлические приводы. Электрические приводы. Комбинированные приводы. Рекуперация энергии в приводах. Искусственные мышцы.

Задача моделирования. Моделирование как метод технической кибернетики. Математическое моделирование и математические модели. Классификация методов математического моделирования. Основные положения теории. Основы построения математических моделей на микроуровне. Кинематика пространственных механизмов. Численные методы моделирования динамических систем. Методы и средства автоматизированного моделирования мехатронных систем. Имитационное моделирование систем управления.

Осевое растяжение-сжатие. Расчет статически неопределимых стержневых систем. Напряженное состояние в точке. Общий случай плоского напряженного состояния. Правило знаков для нормальных и касательных напряжений. Геометрические характеристики плоских сечений. Статические моменты сечения. Плоский поперечный изгиб. Кручение. Внецентренне растяжение-сжатие. Общий случай сложного сопротивления. Расчет статически неопределимых рам и неразрезных балок. Устойчивость сжатых стержней.

Структура исследования в области искусственного интеллекта. Этапы развития и классификация искусственного интеллекта. Задачи и методы их решения. Основные виды логических выводов: дедуктивный вывод и автоматическое доказательство теорем, абдуктивный вывод, индуктивный вывод. Неопределенность знаний и способы их обработки. Виды неопределенности описания задачи. Особенности данных и знаний. Продукционные системы: представления, интерпретатор. Механизм разрешения конфликтов.

Математические методы оптимизации. Задачи оптимизации. Постановка задачи. Задачи на экстремум и с ограничениями. Методы поиска и золотого сечения. Многомерные задачи оптимизации. Методы покоординатного спуска и штрафных функций. Расчет конструкций с учетом пластических свойств материала методом предельного равновесия. Динамическое программирование. Случайный спуск. Использование принципа максимума Л.С. Понтрягина. Расчет оптимальных систем.

Методы построения мехатронных модулей (ММ) и мехатронных систем (МС). Основы конструирования МС. Методы исключения промежуточных преобразователей, интерфейсов, объединения элементов мехатронного модуля и переноса функциональной нагрузки на интеллектуальные устройства. Систематика ММ. Тормозные устройства и механизмы для выборки люфтов. Электродвигатели ММ. Интеграция ММ. Информационные устройства МС. Датчики положения, скорости.

Управление технологическим процессом. Регулирование. Объект управления. Классификация объекта управления. Фундаментальные принципы управления. Методы математического автоматического управления. Дифференциальные уравнения САУ. Характеристики типовых динамических звеньев линейных систем автоматического управления. Простейшие звенья. Анализ устойчивости линейных систем автоматического управления. Условие устойчивости. Методы оценки качества управления. Корневые методы оценки качества управления.

Промышленные роботы (ПР): назначение и область применения. Классификация ПР. Принципиальное устройство ПР. Основные понятия и определения. Структура манипуляторов. Геометро-кинематические характеристики. Задачи механики манипуляторов. Первая и основная задача кинематики. Метод Денавита и Хартенберга. Расчет быстродействия ПР. Циклограммы командоаппарата и ПР. Кинематический анализ механизма манипулятора. Динамика манипуляторов ПР. Уравновешивание манипуляторов.

Медицинская робототехника. Роботы в медицине. Применение и возможности. Виды медицинских роботов. Постановка задач планирования маршрута для медицинских роботов. Симуляторы для медицинской робототехники. Принципы построения медицинских роботов. Различные системы координат для медицинских роботов. Картографирование и локализация медицинских роботов. Задачи прямой кинематики для медицинских роботов. Алгоритмы планирования маршрута.

Системы управления роботами. Классификация систем управления. Системы программного, дискретного циклового, дискретного позиционного и непрерывного управления. Системы управления по силе, адаптивного и интеллектуального управления. Особенности управления средствами передвижения роботов. Принципы управления робототехническими системами (РС). Алгоритмы и структуры систем управления сборочными РС. Исполнительные электроприводы РС с силомоментным очувствлением.

Линейные системы регулирования и управления. Элементы систем автоматического регулирования (САР). Классификация САР. Понятие передаточной функции. Типовые звенья. Структурные схемы. Эквивалентные структурные преобразования. Основные принципы и законы регулирования. Свойства САР. Устойчивость САР. Необходимые условия и алгебраические критерии устойчивости САР. Частотные критерии устойчивости. Оценка качества регулирования.

Интеллектуальные роботы: состояние и перспективы. Поколения интеллектуальных роботов. Архитектура интеллектуальных роботов. Домашние роботы: STAIR, Willow Garage, Care-O-Bote. Военные роботы. Беспилотные летательные аппараты. Наземные боевые роботы. Экзоскелеты. Тенденция развития. Управление интеллектуальным роботом. Распознавание и сенсорные устройства. Обработка команд и принятие решения. Обмен информацией между человеком и интеллектуальным роботом. Управляемые роботы.

Основные понятия мобильной робототехники. Постановка задач планирования маршрута для мобильных роботов. Симуляторы для мобильной робототехники. Принципы построения и применения наземных мобильных роботов. Типы мобильных роботов. Различные системы координат для мобильных роботов.Картографирование и локализация мобильных роботов. Задачи прямой кинематики для мобильных роботов. Описание движения мобильного робота при помощи системы уравнений.Алгоритмы планирования маршрута.

Обзор программных средств, используемых при проектировании. Моделирование мехатронной системы (МС). Технология отладки МС с микропроцессорным контроллером. Варианты построения программно-аппаратных комплексов для отладки МС. Программатор. Разработка управляющей программы микропроцессорного контроллера. Структура программного обеспечения робототехнических систем (РС). Роль программного обеспечения в РС. Программные обеспечения для моделирования РС и многокоординатных исполняющих систем.

Цифровое проектирование, управление жизненным циклом изделия или продукции Smart Design. Концепция передового цифрового «умного» проектирования. Драйвер этого процесса: технология разработки Digital Twin на основе создания и применения многоуровневой матрицы целевых показателей и ресурсных ограничений, на основе математических моделей разных классов, уровней сложности и адекватности, на основе проведения виртуальных испытаний, применения виртуальных стендов и полигонов.

Актуальность проблемы автоматизированного проектирования робототехнических систем. Технологическая подготовка производства. Проектирование. Основы автоматизированного проектирования. Обеспечивающие подсистемы САПР ТП. Описание отечественных САПР ТП. Зарубежные системы автоматизированного проектирования робототехнических систем. Методы совершенствования и перспективы развития автоматизированного проектирования робототехнических систем. Оптимизация проектных решений, диалоговое проектирование.

Роботы. Гибкие производственные системы. Основы системного подхода при проектировании гибких автоматизированных систем. Управление техническими системами. Управление динамическими объектами. Системы числового программного управления робототехническими системами. Задачи, решаемые системой числового программного управления. Особенности технологического программирования. Моделирование программной системы управления транспортным роботом.

Владеет знаниями и навыками применения информационно - коммуникационных технологий в различных видах деятельности, умеет анализировать полученные результаты применения специализированных математических пакетов прикладных программ для решения задач прикладной математики, составлять итерационную схему процесса конструирования.

Владеет способностями к иноязычному общению в конкретных профессиональных, деловых, академических сферах и ситуациях на основе особенностей профессионального мышления. Имеет навыки программной защиты информации в информационных системах. Умеет описывать технологические принципы развития искусственного интеллекта. Знает методы научных исследований и академического письма и применять их в изучаемой области.

Владеет физико-математическим аппаратом, необходимым для описания мехатроники и робототехники. Умеет решать задачи моделирования мехатронных и робототехнических систем, а также с математическими основами теории систем. Демонстрирует знания и понимание в изучаемой области, основанные на передовых знаниях в изучаемой области.

Владеет навыками выработки требований к проектируемой робототехнической и мехатронной систем, к автоматическому управлению и автоматическому регулированию технологическим процессом, к управлению роботами и робототехническими системами, необходимыми для создания высокоэффективных комплексов. Применяет знания и понимания на профессиональном уровне, формулирует аргументы и решать проблемы изучаемой области.

Способен составлять математические модели мехатронных и робототехнических систем, их подсистем и отдельных элементов и модулей, включая информационные, электромеханические, электронные устройства и средства вычислительной техники.

Проводит вычислительные эксперименты с использованием стандартных программных пакетов с целью исследования математических моделей мехатронных и робототехнических систем. Применяет теоретические и практические знания для решения учебно-практических и профессиональных задач в изучаемой области.

Владеет современными методами измерений в вычислительном эксперименте, теоретическими основами сопротивления материалов, основными методами математического моделирования различных задач механики, предусмотренных программой, обменом информацией с другими программами-приложениями.

Умеет решать научно-инженерные задачи, решать задачи мехатроники и робототехники в различных областях современного естествознания, обосновывать выбор методов механики для решения тех или иных задач, математически обрабатывать результаты исследований и применять их на практике.

Свободно владеет основными законами и теоремами, необходимыми для применения в предметной области теоретической механики; основными закономерностями, законами движения твердого тела в процессе деформации и движения роботов. Умеет классифицировать роботы по назначению. Применяет навыки обучения, необходимые для самостоятельного продолжения дальнейшего обучения в изучаемой области.

Умеет грамотно сформулировать задачу моделирования мехатронных и робототехнических систем, вырабатывать требования к системе, выбирать методы моделирования, выявлять основные особенности технологических процессов с целью их автоматизации на основе мехатронных принципов построения систем. Применяет знания и понимание фактов, явлений, теорий и сложных зависимостей между ними в изучаемой области.

Демонстрирует актуальные знания прикладных экономических, юридических, естественно - научных дисциплин, способствующих реализации основных направлений модернизации общественного сознания, анализирут теории и подходы к изучению общества и подсистем. Утверждает в своей профессиональной деятельности собственную гражданскую позицию на приоритетах конкурентоспособности, прагматизма, взаимопонимания, толерантности и демократических ценностей современного общества.

Свободно владеет знаниями об обществе как целостной системе и человеке, роли духовных процессов в современном обществе, правовых интересах сторон в сфере защиты прав физических и юридических лиц, в принципах и культуре академической честности, экономических и социальных условия осуществления предпринимательской деятельности, воздействия вредных и опасных факторов на человека и природную среду. Осуществляет сбор и интерпретацию информации для формирования суждений с учетом социальных, этических и научных соображений.