《机器人技术基础》课程教学大纲

PAGEPAGE11《机器人技术基础》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称机器人技术基础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6学期学分/学时2/32课内学时32理论授课28上机学时0课内实践0实验学时4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设计与集成二、课程简介机器人技术基础是机械电子专业的一门专业必修课，主要介绍机器人运动学和动力学分析，以及控制理论等方面的基本知识。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，机器人技术基础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，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：知识目标能够清楚表述机器人技术的基本概念；运用机器人技术的运动学、动力学、控制理论和传感器技术等相关基础知识和技术，建立完整、清晰的机器人整体概念。课程目标3：能力目标能够运用课程中学到的知识，通过文献研究，分析相关领域复杂工程问题的解决过程和影响因素，达到对机器人整体进行分析和研究的能力。能够运用机器人的基本组成和运动学、动力学、控制理论原理，明确机器人的末端执行器位姿调整过程及各硬件部分的联系，明确数据流和控制流在机内的流动，并使用现代工具对相关的理论和实际问题进行求解。（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32.2能够将相关基础理论和基本原理综合运用于机械设计、制造及控制等复杂工程问题的表述中，对机械复杂工程问题的解决途径进行分析、对比并试图改进；2-问题分析四、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机器人绪论（学时数：2学时）1.课程主要内容工业机器人的战略地位、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；运动学正解和逆解、动力学、轨迹规划和运动控制等概念。2.重点和难点重点：工业机器人的组成、机械结构和技术指标。难点：运动学正解和逆解、动力学、轨迹规划和运动控制等概念。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；说出运动学正解和逆解、动力学、轨迹规划和运动控制等概念。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第二单元机器人数理基础（学时数：4学时）1.课程主要内容位姿和坐标系描述，平移和旋转坐标系映射，平移和旋转齐次坐标变换、物体的变换和变换方程。2.重点和难点重点：位姿和坐标系描述；平移和旋转齐次坐标变换。难点：位姿和坐标系描述；物体的变换和变换方程。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描述、方位描述、旋转矩阵、平移坐标变换、旋转变换、复合变换等概念，熟练进行平移坐标变换、旋转变换、复合变换。熟练应用齐次变换、旋转矩阵、平移齐次坐标变换、旋转齐次坐标变换进行物体的变换及逆换变。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第三单元机器人运动学（学时数：4学时）1.课程主要内容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。运用matlab软件进行简单的机器人运动学计算。2.重点和难点重点：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。难点：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。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（1）描述滚动角、俯仰角和偏航角及欧拉角。姿态的正运动学方程；描述机器人正运动学方程的D-H表示；能根据具体机器人列出正运动学方程、逆运动学方程5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第四单元机器人动力学（学时数：4学时）1.课程主要内容刚体的动力学方程，操作臂动力学方程的计算，复杂操作臂动力学方程的计算，机器人的动态特性，静态特性。2.重点和难点重点：操作臂动力学方程的计算。难点：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、分组讨论。4.学生学习预期成果说出机器人的动态特性，静态特性；能基于拉格朗日函数建立机械臂的动力学建模；能分析复杂操作臂动力学方程。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第五单元机器人控制（学时数：4学时）1.课程主要内容机器人的基本控制原则、直流传动系统的建模、位置控制的基本结构、单关节位置控制器。2.重点和难点重点：直流传动系统的建模、位置控制的基本结构。难点：典单关节位置控制器。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的基本控制原则，控制器分类，控制变量，主要控制层次。解释基于伺服电动机的单关节控制器，增益常数的确定，关节控制器的静态误差。解释力和位置混合控制方案、递阶控制系统、专家控制系统5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第六单元机器人传感器（学时数：4学时）1.课程主要内容机器人传感器的特点与分类、应用传感器时应考虑的问题，位移位置传感、速度和加速度传感器、力觉传感器的原理与应用，触觉传感器、接近度传感器、机器人视觉装置的原理。2.重点和难点重点：机器人传感器的特点与分类、应用传感器时应考虑的问题，位移位置传感、速度和加速度传感器、力觉传感器的原理与应用。难点：力觉传感器的原理与应用。3.教学方法课堂讲授、案例分析。4.学生学习预期成果描述传感器的定义，传感器的组成，传感器的分类、代号、主要参数，说明位移位置传感、速度和加速度传感器、力觉传感器的原理与应用，触觉传感器、接近度传感器、机器人视觉装置的原理。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第七单元机器人轨迹规划（学时数：2学时）1.课程主要内容路径描述与路径生成，关节空间规划方法，笛卡儿路径轨迹规划、规划轨迹的实时生成。2.重点和难点重点：关节空间规划方法。难点：笛卡儿路径轨迹规划、规划轨迹的实时生成。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关节空间进行规划计算，描述路径与路径的区别；描述打笛卡儿路径轨迹规划、规划轨迹的实时生成。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。第八单元机器人编程、应用与展望（学时数：4学时）1.课程主要内容机器人编程要求与语言类型、机器人语言系统的结构、机器人编程语言的基本功能。机器人离线编程仿真系统，机器人运行程序。机器人的应用领域，机器人技术和市场的现状，机器人技术的发展趋势2.重点和难点重点：机器人运行程序。难点：机器人语言系统的结构。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机器人编程的要求，机器人编程语言的类型，机器人编程语言的基本功能。描述常用的机器人编程语言，机器人离线编程系统的结构，机器人离线编程仿真系统。能编制机器人运行程序。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。实验课程实验一机器人认识及运动学计算实验（学时数：2学时）1.课程主要内容实验讲授：操作人员安全注意事项，使用机器人前的准备。工业机器人组成：机器人本体（操作机）、控制柜、示教器机器连接。自动化生产线认识：plc、plc与机器人的通讯、生产线及传感器等。伺服电机认识：电机、编码器、伺服驱动。实验操作：利用已知点数据编程计算旋转平移后的数据，用matlab_Robotic_Toolbox的相应函数完成上述计算。2.重点和难点工业机器人组成，运动学计算。3.实施方式理论+实验4.学习要求理解工业机器人组成，运动学计算。5.实验要求（1）实验属性：验证性实验（2）开出要求：必做（3）分组要求：1-2人1组（4）实验准备：工业机器人实验平台，运动学计算实验平台（5）其他要求：无6.学生学习预期成果认知机器人本体（操作机）、控制柜、示教器机器。plc、plc与机器人的通讯、生产线及传感器等。伺服电机。并根据能利用已知点数据编程计算旋转平移后的数据。7.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。实验二机器人关节轨迹计算实验（学时数：2学时）1.课程主要内容实验讲授：关节空间的五次多项式轨迹规划，用matlab_Robotic_Toolbox的相应函数进行关节空间的轨迹规划的优势，关节空间的五次多项式轨迹规划与工业机器人机器人末端执行器作直线轨迹运动编程的比较。实验操作：关节空间的五次多项式轨迹规划编程，关节空间的五次多项式轨迹规划与用matlab_Robotic_Toolbox的相应函数进行关节空间的轨迹规划和工业机器人机器人末端执行器作直线轨迹运动的比较。2.重点和难点关节空间的五次多项式轨迹规划编程。3.实施方式理论+实验4.学习要求能进行关节空间的五次多项式轨迹规划编程，理解关节空间的五次多项式轨迹规划、用matlab_Robotic_Toolbox的相应函数进行关节空间的轨迹规划和工业机器人机器人末端执行器作直线轨迹运动的不同。5.实验要求（1）实验属性：验证性实验（2）开出要求：必做（3）分组要求：1-2人1组（4）实验准备：工业机器人实验平台，轨迹规划计算实验平台（5）其他要求：无6.学生学习预期成果熟练编制关节空间的五次多项式轨迹规划程需，对关节空间的五次多项式轨迹规划、用matlab_Robotic_Toolbox的相应函数进行关节空间的轨迹规划和工业机器人机器人末端执行器作直线轨迹运动的不同充分理解。7.支撑课程目标课程目标1、课程目标2、课程目标3。（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第二单元机器人数理基础课堂讲授、案例分析课程目标1、2、341:1第三单元机器人运动学课堂讲授、案例分析分组讨论、实验操作课程目标1、2、341:1第四单元机器人动力学课堂讲授、案例分析分组讨论课程目标1、2、341:1第五单元机器人控制课堂讲授、案例分析分组讨论课程目标1、2、341:1第六单元机器人传感器课堂讲授、案例分析课程目标1、2、341:1第七单元机器人轨迹规划课堂讲授、案例分析、实验操作课程目标1、2、321:1第八单元机器人编程、应用与展望课堂讲授、案例分析分组讨论课程目标1、241:1合计281:1实验课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排实验一机器人认识及运动学计算实验课堂讲授、小组实验课程目标1、2、32实验二机器人关节轨迹计算实验课堂讲授、小组实验课程目标1、2、32合计4五、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60%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。实践成绩10%实验表现30根据实验课堂反馈、讨论、发言以及实验过程表现，最终折算为30分。实验报告30根据2次实验报告情况，最终折算为30分。实验结果40根据实验操作过程、实验操作结果、实验步骤描述等进行赋分，最终折算为40分。期末考试30%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机器人绪论1.1机器人学的发展1.2机器人的点、结构与分类1.3机器人学与人工智能课堂表现随堂测验期末考试课程目标1、2第二单元机器人数理基础2.1位置和姿态的表示2.3齐次坐标变换2.4物体的变换及逆变换2.5通用旋转变换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第三单元机器人运动学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第四单元机器人动力学4.1刚体动力学4.2机械手动力学方程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第五单元机器人控制5.1机器人的基本控制原则5.2机器人的位置控制5.3机器人的力和位置混合控制5.4机器人的智能控制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第六单元机器人传感器6.1机器人传感器概述6.2内传感器6.3外传感器课堂表现随堂测验课后作业期末考试课程目标1、2、3第七单元机器人轨迹规划7.1轨迹规划应考虑的问题7.2关节轨迹的插值计算7.3笛卡儿路径轨迹规划7.4规划轨迹的实时生成课堂表现随堂测验课后作业实验过程期末考试课程目标1、2、3第八单元机器人编程、应用与展望8.1机器人编程要求与语言类型8.2机器人语言系统结构和基本功能8.3常用的机器人编程语言8.4机器人的离线编程8.5