《工业机器人原理及应用》教学大纲

《工业机器人原理及应用》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：01150441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：高等数学、线性代数、机械原理、机械原理后续课程：毕业设计适用专业：机械设计制造及其自动化（专升本）开课单位：机械工程学院一、课程说明《工业机器人原理与应用》是机械类专业的选修的一门专业技术选修课。本课程主要介绍机器人学的基础理论和方法，为学习其他有关课程及以后从事技术工作打下必要的基础。本课程在保证基础理论讲授的同时，注重机器人技术的应用，结合具体的仿真、实验项目和应用实例，协助学生对理论进行进一步理解。本课程强调理论与实践相结合，兼顾学科前沿技术和发展方向的介绍，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：了解工业机器人的种类、概念、发展、现状及产业应用；理解机器人的基本原理及常用结构形式；理解机器人常用的传感器、控制器以及基本结构。课程目标2：能够综合应用所学知识对工业机器人进行抽象和机构分析；熟悉工业机器人的运动学、动力学相关概念，能够通过软件对机器人进行基本的运动学建模分析；了解工业机器人的控制软件和控制方法，能够根据具体的行业应用需求设计相应的机器人末端执行器。课程目标3：能够正确客观地评价工业机器人及相关产品对环境和可持续发展的影响。培养全局意识和工匠精神，能够对产品的市场价值和应用前景进行客观的评价。理解机电系统有关的国家标准、行业标准、企业标准、法律法规以及相关知识产权、行业政策。三、课程目标与毕业要求《工业机器人原理与应用》课程教学目标对机械设计制造及其自动化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:具备数学、自然科学、工程基础和专业知识，并能用于解决机械设计、机械制造、机电控制等复杂工程问题。1．4能够将机械制造技术基础、液压传动、机电传动控制等专业知识用于解决机械设计、机械制造、机电控制等复杂工程问题。课程目标1：了解工业机器人的种类、概念、发展、现状及产业应用；理解机器人的基本原理及常用结构形式；理解机器人常用的传感器、控制器以及基本结构。M2.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的机械电子领域工程问题，以获得有效结论。2.1能应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和方法，对机械设计、制造及其自动化领域/系统的复杂工程问题进行识别和描述。课程目标2：能够综合应用所学知识对工业机器人进行抽象和机构分析；熟悉工业机器人的运动学、动力学相关概念，能够通过软件对机器人进行基本的运动学建模分析；了解工业机器人的控制软件和控制方法，能够根据具体的行业应用需求设计相应的机器人末端执行器。H5.使用现代工具：能够针对机械电子领域的复杂工程问题，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能在机械电子产品或系统的设计开发的过程中，利用现代信息技术及工具，获取或开发所需设计资源，并能选用恰当的设计/分析方法及软件工具，建立产品对象的模拟及预测模型，进行设计方案的验证与评价。课程目标2：能够综合应用所学知识对工业机器人进行抽象和机构分析；熟悉工业机器人的运动学、动力学相关概念，能够通过软件对机器人进行基本的运动学建模分析；了解工业机器人的控制软件和控制方法，能够根据具体的行业应用需求设计相应的机器人末端执行器。M6.工程与社会：能够基于机械工程相关背景知识进行合理分析，评价机械设计、机械制造、机电控制等工程实践和复杂工程解决方案对社会进步、人类健康、公共安全、法律法规以及文化传承的影响，并理解应承担的责任。6.2能分析并正确评价针对复杂智能制造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，并能理解和承担工程科技人员的社会责任。课程目标3：能够正确客观地评价工业机器人及相关产品对环境和可持续发展的影响。培养全局意识和工匠精神，能够对产品的市场价值和应用前景进行客观的评价。理解机电系统有关的国家标准、行业标准、企业标准、法律法规以及相关知识产权、行业政策。L注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”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机器人概述1.2机器人的分类；1.3机器人的组成和技术参数教学要求：使学生了解了解机器人的产生和发展过程；掌握机器人的概念、特点、及基本分类；熟悉机器人的应用、组成以及主要性能参数；了解机器人发展现状和趋势；重点：机器人的概念、特点、及基本分类；机器人的应用、组成以及主要性能参数；难点：主要性能参数。201、22.工业机器人机械系统设计2.1工业机器人总体设计2.2驱动机构2.3机身和臂部设计2.4腕部设计2.5手部设计2.6行走机构设计教学要求：使学生熟悉工业机器人的基本组成；掌握工业机器人机械结构、工作原理与运动；熟悉工业机器人的驱动机构；重点：机器人机械结构、工作原理与运动；机器人的驱动机构；难点：机器人的驱动机构。421、2、33.工业机器人运动学3.1概述3.2机器人的坐标系与位姿描述3.3D-H参数3.4机器人的正运动学3.5机器人逆运动学的基本概念教学要求：使学生掌握机器人的位置和姿态的表示方法；掌握机器人位姿描述、坐标变换、齐次坐标变换；掌握机器人技术常用的坐标变换方法；重点：六点定位原理；组合定位时各定位元件所限制的自由度；过定位对加工的影响；定位误差的分析与计算；设计夹紧装置的基本准则；夹具设计基本步骤；难点：定位误差的分析与计算。421、2、3、44.工业机器人动力学概述4.1速度雅各比矩阵与速度分析4.2力雅各比矩阵与静力计算4.3工业机器人动力学分析4.4机器人动力学仿真和建模教学要求：使学生了解机器人动力学的初步知识；熟悉机器人的静力学问题和描述；掌握机器人动力学方程式；重点：机器人的静力学问题和描述；机器人动力学方程式；难点：机器人动力学方程式。401、25.工业机器人的控制5.1机器人控制系统与控制方式5.2机器人的控制硬件及接口5.3机器人的控制系统实例5.4机器人末端执行器与控制教学要求：使学生了解机器人的伺服控制系统；掌握机器人控制系统的硬件结构及接口；理解机器人控制系统；掌握机器人的编程控制；重点：机器人的编程控制方法；机器人控制系统的硬件结构及接口；难点：机器人的编程语言。441、2、3、46.工业机器人的传感器6.1工业机器人用传感器的特点和分类6.2工业机器人传感器的结构原理6.3机器视觉概述教学要求：使学生了解机器人用传感器的特点和分类；掌握机器人内传感器的结构原理；掌握机器人外传感器的结构原理；机器视觉的原理与应用；重点：机器人用传感器的特点和分类；机器人内、外传感器的结构原理；机器视觉的原理；难点：机器人内、外传感器的结构原理。201、27工业机器人的应用7.1工业机器人的应用准则、步骤及安全实施规范7.2机器人的典型行业应用教学要求：使学生了解机器人的使用准则，具体的使用方法和相应的安全规范；了解机器人的典型行业应用；重点：焊接机器人系统及应用；喷涂机器人组成及应用。402、3、4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.工业机器人的认知实验内容：了解四轴机械臂的基本使用方法；实验要求：了解教学机械臂的基本结构，掌握机器人的拖动示教方法，掌握机器人的定点搬运控制。222.工业机器人系统的参数的计算实验内容：基于Matlab编写机器人末端位姿的求解；实验要求：了解Matlab软件的基本语法和使用方法；能够通过Matlab进行机器人齐次变换矩阵的求解；了解Matlab机器人工具箱的使用方法。233.工业机器人的编程码垛实验内容：通过图形化编程完成机器人的循环码垛实验；实验要求：通过编程实现机器人的循环搬运，在无人干预的前提下，将6个以上色块搬运至另一位置。45合计8五、教学方法及手段本课程以讲授为主，以实例为引导，完成课程的教学任务和相关能力的培养。通过综合应用动画、图片以及仿真软件，协助学生理解机器人的相关概念，同时适时插入机器人的具体操作实验，促进学生对抽象概念的形象化，激发学生的学习兴趣，促进其自主学习，激发其创新思维。实验教学应结合理论教学以不同形式展开，首先应让学生实际接触工业机械臂并简单讲述其使用方法，使其对工业机器人形成基本的认知。随后要求学生结合相关的仿真软件进行机器人的运动学计算，加深其对概念的掌握程度。最后通过实操机器人完成简单地项目实验，进一步促进对相关抽象概念的理解和消化。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1.教材：（1）韩建海.《工业机器人技术》（第四版）.华中科技大学出版社.2019年.2.参考书：（1）约翰·J·克雷格.《机器人学导论》（原书第4版）.机械工业出版社.2021年.（2）Peter·Croke.《机器人学、机器视觉与控制——Matlab算法基础》.电子工业出版社.2016年.（3）熊有伦等.《机器人学建模、控制与视觉》.华中科技大学出版社.2018年.3.期刊：（1）TheInternationalJournalofRoboticsResearch，SAGEPublicationsInc.（2）机械工程学报，中国机械工程学会（3）机器人，中国科学院沈阳自动化研究所（4）TransactionsonRobotics，InstituteofElectricalandElectronicsEngineersInc.（5）RoboticsandComputer-integratedManufacturing，ElsevierLtd.4.网络资源：（1）RoboticsToolbox./toolboxes/robotics-toolbox/.（2）机器人TV.https://www.robot.tv/.（3）ABBGroup.https://global.abb/group/en.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15（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。√√√663项目实训25（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。√1015期末考核60（1）大作业包含设计和答辩两部分，其中大作业占60%，答辩成绩占40%，各项满分100分，以实际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）大作业内容由教师结合热点需求设计题目，给定具体的需求和性能指标。要求学生综合利用课程所学的知识完成机器人系统设计并编写相应的设计文档。（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。（4）要求学生制作相应的PPT对其设计产品和设计思路进行介绍。√√√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、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。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40笔记完整，积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。笔记完整，认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。笔记不完整，偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，上课不记笔记，偶尔参与教学活动。上课不认真，上课不记笔记，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、结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、结论适当实验前有预习，基本能够掌握方法与步骤，实验操作过程基本正确、无协作，实验结果基本正确，结论一般实验前有预习，不能掌握方法与步骤，实