《工业机器人设计与集成》课程教学大纲

PAGEPAGE10《工业机器人设计与集成》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称工业机器人设计与集成课程编号课程性质选修课课程类别专业选修课程开课单位机电教研室授课学期第7学期学分/学时2/32课内学时32理论授课32上机学时0课内实践0实验学时0课外学时32适用专业机械电子工程专业是否双语否先修课程高等数学、线性代数、计算方法、C语言程序设计、理论力学、电工电子学、控制工程基础、机械原理、机械设计后续课程机器人编程与实践工业机器人应用技术二、课程简介工业机器人设计与集成是机械电子工程专业的一门专业必修课，主要介绍机器人学的基本理论、工业机器人的基本概念、分类、结构特点、控制技术、编程技术及应用维护技术、机器人实际设计及工程应用中应该注意的问题和一些关键技术。机器人技术是融合了机械工程、电子技术、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术，是一门理论与应用相结合的课程，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，工业机器人设计与应用课程涵盖了机械工程、控制论、计算机技术、信息与传感技术、人工智能等诸多学科领域的知识，包括工业机器人的分类、机械系统设计、控制系统设计、机器人测试、机器人编程及应用，是一门理论与应用相结合的课程。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标课程目标1：素质思政目标厚植中华传统美德，弘扬民族精神和时代精神，激发学生求知热情、探索和创新精神，使学生善于思考、勇于实践，重视自主研发、注重自主知识产权，同时让学生意识到国内科技发展的突出实力，增强学生对祖国的自信心、民族自豪感和责任心。课程目标2：知识目标通过本课程的学习，使学生了解工业机器人关键技术，使学生对机器人及其相关理论和技术有一个全面、深入的认识，培养学生综合运用所学基础理论和专业知识进行机器人及其它机电装备的分析、研究及创新设计能力，并了解机器人技术领域的最新发展动态。课程目标3：能力目标学会设计工业机器人；具备机器人的应用能力。掌握机器人的设计、操作、系统集成、现场应用及维护技术。通过本课程的学习，能够培养学生综合运用所学知识，解决机器人应用方面的相关问题的能力。（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标16.2能够分析评价本专业工程实践和工程方案对社会、健康、安全、法律以及文化方面的影响，并理解应承担的责任。6.工程与社会课程目标21.4能够将机械设计、制造的专门知识用于机械工程问题解决方案的设计与改进。1-工程知识课程目标33.3能够设计满足特定需求的机械系统、单元（部件）或电气控制系统或测控系统，并能够在设计环节中体现创新意识。4.1能够基于科学原理并采用科学方法，针对机械电子工程领域复杂工程问题，探讨分析解决方案；3.设计/开发解决方案4.研究四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容理论课程第一单元工业机器人绪论（学时数：2学时）1.课程主要内容工业机器人的机器人定义、工业机器人的分类、战略地位、发展状况和行业应用。工业机器人的组成、机械结构和技术指标；工业机器人关键技术。2.重点和难点重点：工业机器人的组成、工业机器人关键技术。难点：工业机器人关键技术。3.教学方法课堂讲授、案例分析、实验操作。4.学生学习预期成果说出工业机器人的战略地位、发展状况和行业应用；描述工业机器人的组成、机械结构；描述工业机器人技术指标；说出运工业机器人关键技术。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第二单元机器人运动学及动力学（学时数：2学时）1.课程主要内容位姿和坐标系描述，平移和旋转齐次坐标变换、机器人运动方程的表示，机器人运动方程的正解与逆解求解方法。机器人运动分析及综合，机器人运动方程的表示，操作臂动力学方程的计算方法，复杂操作臂动力学方程的计算。2.重点和难点重点：机器人运动方程的表示；操作臂动力学方程的计算方法。难点：操作臂动力学方程的计算方法，复杂操作臂动力学方程的计算。。3.教学方法课堂讲授、案例分析。4.学生学习预期成果描述位置位姿、旋转矩阵、平移坐标变换、旋转变换、复合变换等概念，能进行机器人运动分析写出机器人运动方程。能根据具体操作臂求出操作臂动力学方程。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第三单元工业机器人机械设计及性能测试（学时数：8学时）1.课程主要内容工业机器人的机械系统组成、机器人关节及自由度。工业机器人本体材料，机器人传动机构，典型的工业机器人机构，工业机器人系统性能测试指标。 2.重点和难点重点：工业机器人本体材料，机器人传动机构，典型的工业机器人机构。难点：机器人传动机构，典型的工业机器人机构。3.教学方法课堂讲授、案例分析、分组讨论、实验操作。4.学生学习预期成果说出工业机器人的机械系统组成、机器人关节及自由度。能根据工业机器人本体的使用工况选择本体材料，能设计选择机器人传动机构，能设计典型的工业机器人，说出工业机器人系统性能测试指标。 5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第四单元工业机器人驱动与控制（学时数：4学时）1.课程主要内容工业机器人驱动系统中的电机驱动器、液压驱动器、气动驱动器的工作原理、结构、特点，工业机器人控制器技术现状，机器人控制系统的主要构成、各功能单元、经典控制方法，机器人现代控制方法。2.重点和难点重点：工业机器人驱动系统中的电机驱动器，机器人控制系统的主要构成。难点：机器人现代控制方法。3.教学方法课堂讲授、案例分析、分组讨论。4.学生学习预期成果说出工业机器人驱动系统中的电机驱动器、液压驱动器、气动驱动器的工作原理、结构、特点，工业机器人控制器技术现状，掌握机器人控制系统的主要构成、各功能单元、经典控制方法，说出机器人现代控制方法。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第五单元机器人机构及驱动系统优化（学时数：4学时）1.课程主要内容机器人机构优化形式、优化指标、优化流程、优化算法，机器人有限元建模、机器人弹性动力仿真、机器人动态特性优化方法，混合变量遗传算法、优化模型求解方法。2.重点和难点重点：机器人机构优化形式、优化指标、优化流程、优化算法。难点：机器人动态特性优化方法，混合变量遗传算法、优化模型求解方法。3.教学方法课堂讲授、案例分析、分组讨论。4.学生学习预期成果阐述机器人机构优化形式、优化指标、优化流程、优化算法，了解机器人有限元建模、机器人弹性动力仿真、机器人动态特性优化方法，了解混合变量遗传算法、优化模型求解方法。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第六单元机器人编程及操作（学时数：4学时）1.课程主要内容在线编程、离线编程，上位机软件设计方法、下位机软件设计方法，工业机器人硬件连接、I/O设置，机器人操作安全注意事项和设备的维护。2.重点和难点重点：工业机器人硬件连接、I/O设置。难点：上位机软件设计方法、下位机软件设计方法。3.教学方法课堂讲授、案例分析。4.学生学习预期成果描述在线编程、离线编程，上位机软件设计方法、下位机软件设计方法。阐述机器人操作安全注意事项和设备的维护，能进行工业机器人硬件连接、I/O设置。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第七单元典型工业机器人系统应用（学时数：6学时）1.课程主要内容焊接机器人、搬运机器人、喷涂机器人、装配机器人的应用。工业机器人柔性制造线应用。2.重点和难点重点：工业机器人柔性制造线应用。难点：工业机器人柔性制造线应用。3.教学方法课堂讲授、案例分析、实验操作。4.学生学习预期成果能对工业机器人柔性制造线进行软硬件配置，描述焊接机器人、搬运机器人、喷涂机器人、装配机器人的应用。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第八单元工业机器人智能应用技术（学时数：2学时）1.课程主要内容工业机器人传感器，视觉传感器，触觉传感器，位置传感器，接近觉传感器选型及应用，多感觉智能机器人系统结构。2.重点和难点重点：接近觉传感器选型及应用。难点：多感觉智能机器人系统结构。3.教学方法课堂讲授、案例分析、分组讨论。4.学生学习预期成果描述对工业机器人传感器，视觉传感器，触觉传感器，位置传感器。能根据具体情况选择接近觉传感器并能应用。描述多感觉智能机器人系统结构5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑理论课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排课内课外学时比例第一单元工业机器人绪论课堂讲授、案例分析课程目标1、221:1第二单元机器人运动学及动力学课堂讲授、案例分析课程目标1、2、321:1第三单元工业机器人机械设计及性能测试课堂讲授、案例分析分组讨论、实验操作课程目标1、2、381:1第四单元工业机器人驱动与控制课堂讲授、案例分析分组讨论课程目标1、2、341:1第五单元机器人机构及驱动系统优化课堂讲授、案例分析分组讨论课程目标1、2、341:1第六单元机器人编程及操作课堂讲授、案例分析、实验操作课程目标1、2、341:1第七单元典型工业机器人系统应用课堂讲授、案例分析课程目标1、2、361:1第八单元工业机器人智能应用技术课堂讲授、案例分析分组讨论课程目标1、221:1合计321:1五、课程考核及对课程目标的支撑（一）课程考核课程成绩构成（百分制）课程成绩构成比例考核环节目标分值考核/评价细则平时成绩65%课后作业40作业的成绩给定均10分满分记。最终折算为40分小组讨论20根据讨论内容优劣给小组打分，各小组内根据任务分派组内为每个人打分。最终总成绩按比例折算为20分。随堂测验30课堂根据需要随时安排测验，根据题目难度，数量灵活设置分值。最终按比例折算为30分。课堂表现10根据课堂反馈，讨论，发言等情况打分，次数不限，每次1~2分，最终按比例折算为10分。期末考试35%知识401.考核内容：所有教学内容2.考试题型：简答题；分析题3.评价细则：采用线下答题，共计100分。能力40综合应用15创新5（二）课程考核对课程目标的支撑教学内容考核内容考核方式支撑的课程目标第一单元工业机器人绪论1．1机器人的定义与发展1．2工业机器人的分类1．3工业机器人的应用1．4工业机器人的关键技术1．5工业机器人发展现状和趋势课堂表现随堂测验期末考试课程目标1、2第二单元机器人运动学及动力学2．1机器人运动方程表示2．2机器人运动方程求解2．3机器人运动分析2．4机器人系统动力学课堂表现随堂测验小组讨论期末考试课程目标1、2、3第三单元工业机器人机械设计及性能测试3．1工业机器人的机械系统组成3．2机器人关节及自由度3．3工业机器人本体材料选择3．4机器人传动机构3．5典型工业机器人设计3．6工业机器人系统性能测试课堂表现随堂测验课后作业小组讨论实验过程期末考试课程目标1、2、3第四单元工业机器人驱动与控制4．1工业机器人驱动系统4．2工业机器人控制系统结构4．3机器人控制理论及方法4．4机器人控制系统工程实现课堂表现随堂测验课后作业小组讨论期末考试课程目标1、2、3第五单元机器人机构及驱动系统优化5．1工业机器人优化指标及方法5．2面向动态性能的机器人机构系统优化5．3面向动态性能的机器人驱动系统优化课堂表现随堂测验课后作业小组讨论期末考试课程目标1、2、3第六单元机器人编程及操作6．1机器人编程6．2机器人软件设计6．3机器人操作课堂表现随堂测验实验过程期末考试课程目标1、2、3第七单元典型工业机器人系统应用7．1焊接机器人应用7．2搬运机器人应用7．3喷涂机器人应用7．4装配机器人应用7．5工业机器人柔性制造线应用实例课堂表现随堂测验课后作业期末考试课程目标1、2、3第八单元工业机器人智能应用技术8．1工业机器人传感及控制8．2视觉传感及应用8．3力觉传感及应用课堂表现随堂测验课后作业小组讨论期末考试课程目标1、2六、使用教材、相关推荐书目及课程资源（一）使用教材李瑞峰编著，工业机器人设计与应用.哈尔滨工业大学出版社，2015（二）相关推荐书目[1]（美）克来格（Craig,J.J）著，贠超等译.机器人学导论（原书第3版），机械工业出版社，2006[2]（美）克来格（Craig,J.J）著，机器人学导论（英文版第3版），机械工业出版社，2005[3]蔡自兴，谢斌编著，机器人学（第三版），清华大学出版社，2015[4]叶晖编著，工业机器人实操与应用技巧（第2版）.机械工业出版社，2017[5]叶晖编著，工业机器人工程应用虚拟仿真教程.机械工业出版社，2014（三）课程资源1.工业机器人技术：学习通.唐山学院.李慎旺./mooc-ans/mycourse/teachercourse?moocId=2127