《机器人学》教学大纲

《机器人学》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：01150521课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：机械控制工程、机电传动控制、机电一体化系统设计后续课程：机器视觉技术适用专业：机械电子工程开课单位：机械工程学院一、课程说明《机器人学》课程是机械电子工程专业的一门专业选修课，其目标在于为本科生提供机器人学的基础理论、机器人设计、机器人控制及机器人编程等方面的知识，为从事机器人研究、开发奠定坚实的基础。同时，结合OBE（以能力为导向的教育）模式，培养本科生全面发展的能力。本课程将详细探讨机器人的运动学、动力学、感知以及控制等关键领域，使学生能够全面了解机器人的结构与行为。学生将通过深入研究坐标变换、动力学建模、传感器技术、路径规划等内容，培养解决实际机器人学问题的能力。课程将结合理论讲解、案例分析和实验实践，使学生掌握机器人编程工具与方法，同时培养团队协作与创新思维。通过本课程的学习，学生将不仅掌握扎实的机器人学知识，还能积极探索创新，锤炼团队合作能力，培养独立思考和解决问题的能力，以及将技术与社会价值结合的思维。这将有助于学生成为具有国际竞争力和社会责任感的未来机器人技术领域的专业人才。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：理解机器人学的核心理论，了解常见机器人的种类以及应用范围，掌握机器人领域的关键技术术语和运动学、动力学相关的基础理论知识，用于机器人控制问题的分析。课程目标2：具备运用所学知识分析和解决实际机器人学问题的实践能力，掌握常见的仿真、分析软件的使用方法，用于对机器人进行运动学和动力学等性能进行仿真分析。课程目标3：了解机器人的安全原则和风险评估，了解机器人系统设计过程中的环境可持续性以及相关的伦理规范，具备在机器人设计和应用过程中的社会和行业责任感。三、课程目标与毕业要求《机器人学》课程教学目标对机械电子工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。2.2能根据数学、自然科学和工程科学的基本原理分析机电领域复杂工程问题，获得多种解决方案；课程目标1：理解机器人学的核心理论，了解常见机器人的种类以及应用范围，掌握机器人领域的关键技术术语和运动学、动力学相关的基础理论知识，用于机器人控制问题的分析。H5.使用现代工具：能够针对机电工程领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.2能够选择和使用恰当的仪器、信息资源，工程工具和专业模拟软件等，用于机电工程领域复杂工程问题的分析、计算与设计；课程目标2：具备运用所学知识分析和解决实际机器人学问题的实践能力，掌握常见的仿真、分析软件的使用方法，用于对机器人进行运动学和动力学等性能进行仿真分析。M6.工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。6.2能分析并正确评价针对机电工程领域复杂工程问题的工程实践，尤其是新技术、新工艺、新材料、新产品的开发和应用对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。课程目标3：了解机器人的安全原则和风险评估，了解机器人系统设计过程中的环境可持续性以及相关的伦理规范，具备在机器人设计和应用过程中的社会和行业责任感。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.绪论简述机器人学的起源与发展，讨论机器人学的定义，分析机器人的特点、结构与分类教学要求：了解机器人的基本概念，了解机器人的种类，对机器人在不同领域的应用有初步认识。重点：机器人的分类。难点：机器人的自由度。21，32.机器人学的数学基础空间任意点的位置和姿态变换、坐标变换、齐次坐标变换、物体的变换和逆变换，以及通用旋转变换等。教学要求：掌握机器人的数理基础，掌握位姿描述方法和坐标变换。重点：机器人的位姿描述方法，齐次坐标变换。难点：齐次坐标变换。421，23.机器人运动学机械手运动姿态、方向角、运动位置和坐标的运动方程以及连杆变换矩阵的表示，欧拉变换、滚-仰-偏变换和球面变换等求解方法，机器人微分运动及其雅可比矩阵等。教学要求：掌握机器人运动方程的表示方法，掌握典型机械手的运动方程求解方法。重点：机器人运动方程的求解。难点：广义连杆和广义变换矩阵。61，24.机器人动力学机器人动力学方程、动态特性和静态特性；着重分析机械手动力学方程的两种求法，即拉格朗日功能平衡法和牛顿-欧拉动态平衡法；然后总结出建立拉格朗日方程的步骤教学要求：理解动力学方程的概念，掌握动力方程的求解方法，理解机械手动力学方程的推导方法。重点：动力学方程的概念。难点：动力学方程求解的拉格朗日功能平衡法和牛顿-欧拉动态平衡法。41，25.机器人控制机器人基本控制原理、机器人位置控制、机器人智能控制原理、路径规划和轨迹生成。教学要求：了解机器人控制器的分类以及主要控制变量，了解常见的伺服控制系统，掌握机器人位置控制方法；建立机器人路径规划的概念，了解常见的机器人路径规划方法。重点：机器人位置控制方法。难点：机器人位置控制系统的建模以及传递函数。421，2，36.机器人传感器机器人传感器的特点与分类、机器人的内传感器、机器人的外传感器、机器人的视觉装置教学要求：了解机器人常用传感器的种类、作用、性能指标以及使用方法；了解机器人视觉装置的分类以及使用方法。重点：机器人的视觉装置。221，2，37.机器人编程机器人编程语言要求与语言类型、机器人语言的结构与基本功能、机器人操作系统ROS、常见的工业机器人编程语言、仿真系统、机器人的离线编程教学要求：使学生了解常见的机器人编程语言及其使用方法；了解常见的机器人上位机控制系统；了解机器人离线编程和仿真的概念。重点：常见的机器人编程语言；机器人的离线编程。难点：机器人操作系统ROS。221，2，3合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.机器人的位姿描述与坐标变换实验内容：通过编程仿真的方法，实现坐标系的描述与位姿变换。实验要求：掌握Matlab机器人工具箱RoboticsToolbox的使用方法，通过软件进行编程，绘制坐标变换的示意图。21，22.机器人搬运实验内容：对一台四轴机器人进行编程，实现物块的定点搬运。实验要求：建立机器人的运动学模型，对机器人各轴的旋转进行控制，实现物块的定点安全搬运。21，2，33.机器人传感器的使用实验内容：使用计算机读取传感器的测量数据。实验要求：掌握常见机器人传感器的原理，合理设计器电路并通过上位机读取传感器数据。21，2，34.工业机器人离线编程软件的使用实验内容：使用RobotStudio完成机器人虚拟工作站的建立。实验要求：掌握ABBRobotStudio的使用方法，针对具体的使用情景设计机器人工作站并进行仿真。21，2，3合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式教学和案例教学等，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；应从学生的现有水平出发，采用由浅入深、由实践到理论、由问题引导、由整体到局部再到整体、理论与实际密切结合和充分发挥学生的主动性的教学方法。使用“教一学—做”相结合的引探教学法，实现知识、理论和实践内容的一体化教学，以促进学生的创造能力的培养。在教学过程中穿插生产和科研成果和案例，将科研项目与教学相结合。实验教学着重强调学生的软件仿真能力和动手能力，针对应用型高校的特点，着重设计贴近与行业实际的实验项目，使其了解行业常用的软件和工具。鼓励学生的主动创新，让学生独立解决实验过程中遇到的问题和自己设计可行性方案，培养学生的科研素养和科研能力，提高学生的解决实际问题的能力和创新能力。六、课程资源库1.推荐教材：（1）蔡自兴.《机器人学基础（第三版）》[M].北京:机械工业出版社，2021.2.参考书：（1）JohonJ.Craig（贠超译）.《机器人学导论（原书第4版）》[M].北京:机械工业出版社.2018.（2）WyattNewman（李笔锋祝朝政刘锦涛译）《ROS机器人编程：原理与应用》[M].北京:机械工业出版社.2019.（3）熊有伦.《机器人学建模控制与视觉（第2版）》[M].武汉:华中科技大学出版社.20203.期刊：（1）控制于决策[J]ISSN:1001-0920.东北大学.（2）控制理论与应用[J]ISSN:1000-8152.华南理工大学，中国科学院系统科学研究所.（3）机器人[J].ISSN:1002-0446.中国科学院沈阳自动化研究所.（4）AUTOMATICA[J].ISSN:0005-1098.ElsevierLtd.（5）ACTAINFORMATICA[J].ISSN:0001-5903.SpringerBerlinHeidelberg.4.网络资源：（1）ABB官方网站，https://global.abb/group/（2）KUKA官方网站：/七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂参与教学活动情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√55实验30（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√15105期末大作业60（1）（1）大作业成绩100分，以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）要求学生分为若干小组，以完成不同任务为目标，设计一具有6自由度的机器人。要求对机械臂的设计提出具体方案，对机械臂建立D-H数学模型，完成机械臂的运动学和动力学分析，进行进一步的结构设计，在MATLAB下使用RoboticsToolbox工具箱进行可视化仿真分析。同时，要求学生应用软件对6自由度的机器人进行3D物理仿真。（3）设计文档中应至少包含以下内容：项目的背景及意义，国内外研究现状，设计思路，相关原理和零件图等内容。要求学生制作相应的PPT对其设计过程进行介绍。√√√301515合计：100分503020八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、大作业等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由大作业成绩和过程性考核成绩组成。其中：大作业成绩为100分（权重60%），需撰写3000字以上的设计文档，制作不少于8页的PPT进行汇报；课堂表现、实验等过程性考核成绩为100分（权重40%）；过程性考核分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。大作业撰写严禁使用大语言模型如GPT等完成，一经发现则取消该部分的成绩。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现10积极参与教学活动，参与次数大于90%。认真参与教学活动，参与次数大于80%。偶尔参与教学活动，参与次数大于70%。上课不认真，偶尔参与教学活动。参与次数大于60%上课不认真，不参与教学活动。实验30实验预习认真，能够熟练掌握方法与步骤，实验操作过程熟练、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果详实、结论清晰、讨论合理实验前有预习，能够掌握方法与步骤，实验操作过程正确、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果正确、讨论适当实验前有预习，基本能够掌握方法与步骤，实验操作过程基本