《机器人工程学》教学大纲

《机器人工程学》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：22140161课程性质：专业必修课学分：2.5学分学时：40学时（理论34学时，实验6学时）先修课程：机器人工程导论、机器人机械基础等后续课程：机器人检测技术与传感器、机器人编程与系统集成等适用专业：机器人工程专业开课单位：智能工程学院一、课程说明《机器人工程学》是机器人工程专业必修的一门专业必修课。本课程主要任务是学习机器人学的起源与发展、数理基础、运动学的表示与求解、动力学方程、控制原则和方法、传感器、轨迹规划、程序设计及机器人的应用和展望。通过本课程的学习，使学生掌握机器人运动方程和动力学方程的表示及求解，提高学生的自学能力、逻辑推理能力、分析计算能力及解决问题的能力，同时为后续课程的学习打下良好基础。本课程注重基本理论知识的深入学习，以提高学生的自学能力、逻辑推理能力、分析计算能力及解决问题的能力为目的，强调培养运用基础理论知识解决实际中问题的能力，培养“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的人才。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：学习机器人学的起源与发展，了解机器人的发展史，掌握机器人运动中的数理基础、运动学和动力学的表示及求解；学习机器人系统的控制原则与方法、程序设计等。课程目标2：培养学生的科学思维能力、分析计算能力、科学归纳能力、运用机器人学的理论知识分析和解决工程实际问题的能力，具备机器人结构分析、运动控制、传感器技术和智能控制等专业知识，能够适应不断变化的工作需求，并具有独立解决问题的能力。课程目标3：培养学生的科学思维、创新意识与学术素养；团队协作意识、大胆探索、勇于创新的精神；知行合一、勇于实践的奋斗者精神；具有爱国情怀，把知识用于社会主义现代化建设的伟大实践中，加速我国从制造大国向智造强国转变的进程。三、课程目标与毕业要求《机器人工程学》课程教学目标对机器人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1.工程知识：具有从事机器人工程领域所需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，并能够综合应用这些知识解决机器人工程领域复杂工程问题。1.1掌握机器人工程领域所需数学、自然科学知识，具备理解和表述复杂工程的计算和分析能力。课程目标1：学习机器人学的起源与发展，了解机器人的发展史，掌握机器人运动中的数理基础、运动学和动力学的表示及求解；学习机器人系统的控制原则与方法、程序设计等。H2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，针对机器人工程领域的复杂工程问题，通过查阅文献资料进行识别、表达和研究分析，掌握对象特性，以获得有效结论。2.1应用数学、物理、计算机、机电控制等基本原理，正确识别表述机器人工程类复杂问题。课程目标2：培养学生的科学思维能力、分析计算能力、科学归纳能力、运用机器人学的理论知识分析和解决工程实际问题的能力，具备机器人结构分析、运动控制、传感器技术和智能控制等专业知识，能够适应不断变化的工作需求，并具有独立解决问题的能力。H3.设计/开发解决方案：能够设计针对机器人工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的硬件部件、智能算法、系统集成应用，并能够在设计环节中体现创新意识，并考虑社会、环境、健康、安全、法律、文化等因素。3.3能够通过单元集成和优化，进行机械电子结构、智能算法、系统集成等部件的应用与设计。课程目标2：培养学生的科学思维能力、分析计算能力、科学归纳能力、运用机器人学的理论知识分析和解决工程实际问题的能力，具备机器人结构分析、运动控制、传感器技术和智能控制等专业知识，能够适应不断变化的工作需求，并具有独立解决问题的能力。课程目标3：培养学生的科学思维、创新意识与学术素养；团队协作意识、大胆探索、勇于创新的精神；知行合一、勇于实践的奋斗者精神；具有爱国情怀，把知识用于社会主义现代化建设的伟大实践中，加速我国从制造大国向智造强国转变的进程。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1.1机器人学的发展；1.2机器人的特点、结构与分类；1.3机器人学与人工智能。思政1：我国机器人的发展史，引入“战略科学家，中国机器人之父——蒋新松院士”事迹，培养学生的爱国情怀。教学要求：理解机器人的由来、定义及机器人学的发展；掌握机器人的主要特点、系统结构及分类；了解机器人学与人工智能的关系及其研究领域有哪些。重点:机器人的定义、主要特点及系统的结构。难点:机器人的分类。21、32.数理基础2.1位置和姿态的表示、坐标变换、齐次坐标变换；2.2物体的变换及逆变换、通用旋转变换。教学要求：了解如何描述位置、方位和位姿；理解两种不同的坐标变换，即平移坐标变换和旋转坐标变换；掌握齐次坐标变换、物体的变换及逆变换和通用旋转变换。重点：齐次变换、齐次变换的逆变换、通用旋转变换公式难点：齐次变换的逆变换6223.机器人运动学3.1机器人运动方程的表示；3.2机械手运动方程的求解；3.3PUMA560机器人运动方程。思政2：波斯顿动力公司的发展史，向处在行业前端的公司学习，培养学生的社会责任感，更加宽阔的视野思考和分析专业问题。教学要求：了解运动姿态和方向角、运动位置和坐标及连杆变换矩阵；掌握三种不同机械手运动方程的求解方法；理解PUMA560机器人运动方程。重点：欧拉变换解、滚、仰、偏变换解、球面变换解难点：球面变换解821、2、34.机器人动力学4.1刚体动力学；4.2机械手动力学方程。思政3：动力学的发展史。使同学们了解世界近代科学的发展与我国近代科学的发展对比，坚定中国共产党的领导，增强文化自信，加深科技报国的家国情怀教学要求：了解动力学方程的两种方法；掌握速度、动能和位能的计算；理解并掌握动力学方程的推导。重点：动力学方程的推导难点：动力学方程的推导61、2、35.机器人控制5.1机器人的基本控制原则；5.2机器人的位置控制、力和位置的混合控制；5.3机器人的智能控制。教学要求：了解机器人的基本控制原则；掌握机器人的位置控制、力和位置混合控制；理解机器人的智能控制。重点：机器人的力和位置混合控制、机器人的智能控制难点：机器人的智能控制42、36.机器人轨迹规划6.1关节轨迹的插值计算；6.2笛卡尔路径轨迹规划；6.3规划轨迹的实时生成。思政4：讲解机器人的运动轨迹映射到人生规划要树立正确的人生观、价值观。教学要求：了解轨迹规划应考虑的问题；熟练掌握三次多项式插值、过路径点的三次多项式插值、高阶多项式插值及线性插值；理解并掌握轨迹的规划及实时生成。重点：不同的插值计算方法、轨迹规划及实时生成难点：轨迹的实时生成422、37.机器人编程7.1机器人的编程要求与语言类型、语言系统结构和基本功能、常用的机器人编程语言；7.2机器人的离线编程及仿真。教学要求：了解机器人的编程要求与语言类型、语言系统结构和基本功能；掌握常用的机器人编程语言；理解机器人的离线编程及仿真。重点：常用的机器人编程语言、机器人的离线编程及仿真难点：机器人的离线编程及仿真22、38.机器人应用及展望8.1应用工业机器人必须考虑的因素；8.2机器人的应用领域；8.3机器人技术的发展现状、趋势及计划。思政5：机器人应用。以中国近几年自主研发的深海高端装备，如“蛟龙号”“海马号”等为引入点，让学生体会中国“走向深蓝”的决心以及“中国制造2025”实现的信心。民族自豪感与专业责任感。教学要求：掌握机器人的三要素、经验准则和采用步骤；掌握机器人的不同应用领域；机器人技术的发展现状、趋势及计划。重点：机器人的应用领域难点：应用工业机器人必须考虑的因素22、3合计3462.实验/实践或上机部分见表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.机器人空间位姿描述实验实验内容：了解如何用Matlab描述位置、方位和位姿；理解用Matlab两种不同的坐标变换，即平移坐标变换和旋转坐标变换。实验要求：能安装Matlab和toolbox文件夹；理解位姿的表示方法，不同坐标之间的变换。21、22.机器人正运动学实验实验内容：学习机器人连杆坐标系的建立；学习DH参数的建立方法；学习连杆变换；学习建立机器人的正运动学方程。实验要求：掌握运动姿态和方向角、运动位置和坐标及连杆变换矩阵；掌握机械手运动方程的表示方法。22、33.移动机器人动力学控制实验内容：掌握全向移动机器人各个软硬件模块；对构建的机器人进行运动学和动力学分析；能够使用无线手柄遥控机器人做各种动作。实验要求：搭建全向移动机器人硬件模块化电路，并根据实际实物连接电路进行编程；调整系统软件程序使全向移动机器人能够正确运动；联调全向移动机器人软硬件，使机器人能够直线前进、后退，以及进行转弯驱动运动，计算全向移动机器人动力学方程。22、3合计6五、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、线上线下结合等，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。学生比较全面地理解机器人学的起源与发展、位姿变化中的数理关系、运动学的表示与求解、机器人动力学方程的求解、在掌握基本原理和方法的基础上，具有进行机器人位姿、运动、动力学方案设计的初步能力。课程为省级线上线下一流课程，提供灵活的自主学习平台。在实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学培养学生机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源库1.推荐教材：（1）蔡自兴,谢斌.《机器人学》（第四版）[M].北京:清华大学出版社.2022年.2.参考书：（1）约翰.克雷格.《机器人学导论》（原书第4版）[M].北京:机械工业出版社.2018年.（2）（美）SaeedB.Niku.《机器人学导论—分析、控制及应用》（第二版）[M].北京:电子工业出版社.2018年.（3）熊有伦.《机器人学：建模、控制与视觉》（第2版）[M].北京:华中科技大学出版社.2022年.（4）贾瑞清等.《机器人学——规划、控制及应用》[M].北京:清华大学出版社.2022年.3.期刊：（1）P.Liang,X.Gao,Q.Zhang,M.Li,R.Gao,andY.Xu,Analysisandexperimentalresearchonmotionstabilityofwall-climbingrobotwithdoublepropellers[J].AdvancesinMechanicalEngineering,2021,13(9):1–13.（2）S.Nansai,R.E.Mohan,Asurveyofwallclimbingrobots:recentadvancesandchallenges[J].Robotics,2016,5(3):14-19.（3）郭家伟,谈波等.爬壁机器人底盘结构全向移动自主控制设计[J].机械设计与制造,2021(11):158-161.（4）阮晓钢,郭威等.机器人信息增益RRT环境探索算法[J].控制与决策,2021,36(11):2683-2689.（5）刘冰,李宁等.等上肢康复外骨骼机器人控制方法进展研究[J].电子科技大学学报,2020,49(05):643-651.（6）吴超群,郜广磊等.ABB机器人控制系统I/O模块扩展方法及工业应用[J].机械设计与制造.2020(04):274-277.4.网络资源：（1）中国机器人网./.（2）机器人之家./.（3）机器人工程学省级线上线下混合式一流课程/course/214535201.html.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回答问题情况进行考核，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。√√√442实验15（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。√15作业15（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）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。√√√663期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面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）主要考核机器人的位姿变化、运动学方程的建立及应用、动力学方程的建议及作用、机器人手臂的轨迹规划及最优解和机器人Matlab建模等内容。（3）考试题型为：填空题、选择题、判断题、简答题、计算题和分析题等。√√√252510合计：100分355015八、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、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为填空题、选择题、判断题、简答题、计算题和分析题