《农业机器人》课程教学大纲（本科）

1、农业机器人(Agricultural Robot)课程代码：05410172学分：2学时：32 (其中：课题教学学时：26 实验学时：6上机学时：0 课程实践学 时:0)先修课程：自动控制原理、现代控制理论、计算机技术、传感器技术、机械工程学 适用专业：农业电气化与自动化教 材：关节型机械手臂，殷际英等，化学化工出版社，2003年8月第1版一、课程性质与课程目标(-)课程性质农业机器人是一门多学科综合交叉的边缘学科，它涉及机械、电子、运动学、动力学控制理论、 传感检测、计算机技术和人机工程，是一门理论与应用相结合的专业方向课程。机械手臂是典型的 机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，而是

2、机械、电子、控制、检测、通信和计算机的 有机融合，通过本课程的学习，使学生了解农业机械手臂的机构设计，掌握其运动学与动力学分析 以及机械手臂控制和使用的技术要点和基础理论，综合运用所使学生对机械手臂有一个全面、深入 的认识。培养学生利用基础理论和专业知识进行机械手臂相关设计的能力。(二)课程目标农业机器人介绍农业机械手臂的运动学，动力学，轨迹规划，传感装置以及农业机械手臂 的驱动与控制。通过本课程，学生需要掌握农业机械手臂的运动学与动力学分析以及机械手臂传感 技术和驱动控制方法，培养学生利用基础理论和专业知识进行机械手臂相关设计的能力。课程目标 如下：课程目标1:掌握农业机械手臂运动学与动力学

3、分析、控制和使用的技术要点和基础理论；课程目标2：对机械手臂有一个全面、深入的认识，培养学生利用基础理论和专业知识进行机 械手臂相关设计的能力。本课程支撑专业培养计划中的毕业要求指标点1-4和2-2o.毕业要求14掌握自动化工程专业基础知识，具有分析和解决复杂自动化工程问题的初步能力。.毕业要求2-2.具备对分解后的复杂自动化工程问题进行表达和建模的能力。课程目标毕业要求指标课程目标1课程目标21-4q2-2二、课程内容与教学要求(按章撰写)第一章绪论(-)课程内容(1)农业机器人的概念；(2)农业机器人的特点；一般农业机器人的基本组成结构和控制方式;(4)农业机器人发展状况。(-)教学要求了

4、解农业机器人的分类与组成；了解农业机器人的发展概况。第二章农业机器人运动学分析(一)课程内容农业机械手臂的正向运动学；A、手抓位置和姿态的表示方法；B、平移运动时的坐标变换；C、旋转运动时的坐标变换；D、平移和旋转运动时的坐标变换；E、齐次坐标变换。农业机械手臂的雅克比矩阵；A、雅克比矩阵的定义；B、雅克比矩阵的物理意义。(二)教学要求了解点与平面的表示方法；(2)掌握齐次坐标变换方法；(3)掌握旋转变换方法；(4)掌握机械手臂的雅克比矩阵；(5)掌握机械手臂逆运动学求法。(三)重点与难点(1)重点是掌握机械手臂坐标变换的几个基础概念；(2)难点是机械手臂逆运动学求解方法。第三章农业机械手臂动

5、力学(-)课程内容(1)刚体动力学；A、拉格朗日功能平衡法；B、牛顿-欧拉动态平衡法；(2)机械手臂连杆系统动力学方程；(3)机械手臂动态特性。(二)教学要求(1)掌握农业机械手臂连杆系统拉格朗日方程；(2)掌握农业机械手臂连杆系统牛顿-欧拉方程。(三)重点与难点(1)重点和难点是运用拉格朗日功能平衡法进行机械手臂动力学分析。第四章农业机械手臂轨迹规划(一)课程内容(1)机械手臂关节轨迹的插值计算；(2)农业机械手臂手部操作路径的轨迹规划；(3)机械手臂轨迹的实时生成。(二)教学要求(1)掌握机械手臂关节轨迹的插值计算方法；(2)掌握农业机械手臂关节空间的轨迹规划方法。(三)重点与难点(1)重

6、点和难点是农业机械手臂关节空间的轨迹规划方法。第五章农业机械手臂控制系统(-)课程内容(1)农业机械手臂控制系统组成。(2)农业机械手臂传感器技术；A、传感器的分类；B、光电编码器；C、视觉传感器；D、多传感器信息融合技术介绍。（3）机械手臂的驱动与开放式运动控制系统设计；A、介绍运动控制器；B、开放式运动控制卡；C、嵌入式PC104工控机。（4）机械手臂控制理论及算法实现；A、PEWIN32PRO调试软件的使用；B、VC+动态链接库的编写；C、神经网络PID自适应控制。（二）教学要求了解农业机械手臂控制系统组成；了解农业机械手臂各种传感器类型和工作原理；了解机械手臂控制器的实现方法；了解开放

7、式运动控制器（PMAC2A-PC104）硬件设计及其软件设置及调试程序;了解嵌入式PC104工控机在机械手臂领域的应用；了解VC+调用动态链接库编写用户通讯界面；了解神经网络PID自适应控制算法。（三）重点与难点重点是掌握农业机械手臂传感器类型和工作原理；重点是掌握开放式运动控制器的使用；点是了解机械手臂控制理论及算法。三、本课程开设的实验项目（如课程不含实验，该项可不填）编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1机械手臂认识和演示实验2综合必做课程目标1,22机械手臂编程仿真综合设计4综合必做课程目标1,2注：L “类型”填验证性、综合性、设计性等;“要求”填必做、选做。实验1：机械手臂认

8、识和演示实验.实验目的及要求1）理解机械手臂的机械结构和工作方式2）验证机械手臂的运动学规律.实验主要内容1）参观机械手臂的运行2）通过MATLAB仿真验证机械手臂的运动学规律.重难点机械手臂的运动学规律实验2：机械手臂编程仿真综合设计.实验目的及要求1）掌握机械手臂的轨迹规划算法2）通过MATLAB仿真验证轨迹规划.实验主要内容1）设计机械手臂的轨迹规划算法2）通过MATLAB仿真验证轨迹规划算法.重难点机械手臂的轨迹规划算法注：本课程为专业选修课，授课对象为大四学生，实验类型主要包括验证性和综合性实验，均 需要提交实验报告，实验报告主要包括实验目的、要求和内容，数据的分析以及思考题的回答。

9、实 验评价内容和评分细则参见附录lo四、学时分配及教学方法章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学实验上 机课程 实践小 计第一章2讲授课程目标1第二章6讲授，讨论课程目标1第三章3讲授，讨论课程目标1第四章62讲授，讨论课程目标1第五章94讲授，讨论课程目标1,2合计266注：1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；2.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例 等教学方法）等。五、课程考核序号考核方式或途径考核要求考核权重备注1课堂表现、平时作业课后完成4-6个习题，查 阅科技文献，写两到二篇 小报告15%根据平时 作业得分

10、 取平均值 或结合平 时测试情 况2实验实验课表现和相应成绩15%评分细则见附录13大作业、小论文期末完成一项大作业或提交一篇小论文70%提交大报 告形式注：1 .分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。.考核方式或途径主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作 业、小论文、项目设计和作品等。.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、参考书目及学习资料.农业机械手臂技术，郭洪红，西安电子科技大学出版社，2006年3月.关节型机械手臂，殷际英，何广平，化学工业出版社，2003年8月.先进机械手臂控制

11、，谭民、徐德，高等教育出版社，2007年5月.机械手臂学，蔡自兴，清华大学出版社，2000年5月七、大纲说明.本课程的实验具体要求见机械手臂及控制实验教学大纲。.本课程采用多媒体教学。.本大纲将课程教学内容和要求分为三个档次，即了解、理解、掌握。了解是对教学内容具有 基本知识，为今后进一步学习打下基础；理解是对教学内容理解清楚并能进行应用；掌握是指对教 学内容理解透彻，清楚并具有应用所学知识理解实际问题的能力。2017年 9 月 10 日附录1:实验考核方式及评分细则本实验以考查为主，考核的内容包括实验过程的表现（其中包含分析与解决问题的能力）、实验 报告的质量等。分析与解决问题的能力采用提问和现场操作的方式进行。实验成绩中出勤、预习占 10%,实验过程表现占60%、实验报告及思考题占30%。成绩组成考核/评价环节分值考核/评价细则对应的毕业 要求指标点出勤、预 习10%出勤状况， 预习评价10能按时到勤，遵守实验规定，不损坏实验设备（占 5%）；能够预习，并理解实验原理及目的（占5%）。1-4实验过程 60%实验中的表现60按照预设方案操作实验设备、仪表，正确完成