《農(nóng)業(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)大綱（本科）

1、農(nóng)業(yè)機(jī)器人(Agricultural Robot)課程代碼：05410172學(xué)分：2學(xué)時(shí)：32 (其中：課題教學(xué)學(xué)時(shí)：26 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6上機(jī)學(xué)時(shí)：0 課程實(shí)踐學(xué) 時(shí):0)先修課程：自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械工程學(xué) 適用專業(yè)：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化教 材：關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂，殷際英等，化學(xué)化工出版社，2003年8月第1版一、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)(-)課程性質(zhì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一門多學(xué)科綜合交叉的邊緣學(xué)科，它涉及機(jī)械、電子、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)控制理論、 傳感檢測(cè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人機(jī)工程，是一門理論與應(yīng)用相結(jié)合的專業(yè)方向課程。機(jī)械手臂是典型的 機(jī)電一體化裝置，它不是機(jī)械、電子的簡(jiǎn)單組合，而是

2、機(jī)械、電子、控制、檢測(cè)、通信和計(jì)算機(jī)的 有機(jī)融合，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 以及機(jī)械手臂控制和使用的技術(shù)要點(diǎn)和基礎(chǔ)理論，綜合運(yùn)用所使學(xué)生對(duì)機(jī)械手臂有一個(gè)全面、深入 的認(rèn)識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生利用基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行機(jī)械手臂相關(guān)設(shè)計(jì)的能力。(二)課程目標(biāo)農(nóng)業(yè)機(jī)器人介紹農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，軌跡規(guī)劃，傳感裝置以及農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂 的驅(qū)動(dòng)與控制。通過本課程，學(xué)生需要掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析以及機(jī)械手臂傳感 技術(shù)和驅(qū)動(dòng)控制方法，培養(yǎng)學(xué)生利用基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行機(jī)械手臂相關(guān)設(shè)計(jì)的能力。課程目標(biāo) 如下：課程目標(biāo)1:掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)

3、分析、控制和使用的技術(shù)要點(diǎn)和基礎(chǔ)理論；課程目標(biāo)2：對(duì)機(jī)械手臂有一個(gè)全面、深入的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生利用基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行機(jī) 械手臂相關(guān)設(shè)計(jì)的能力。本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1-4和2-2o.畢業(yè)要求14掌握自動(dòng)化工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，具有分析和解決復(fù)雜自動(dòng)化工程問題的初步能力。.畢業(yè)要求2-2.具備對(duì)分解后的復(fù)雜自動(dòng)化工程問題進(jìn)行表達(dá)和建模的能力。課程目標(biāo)畢業(yè)要求指標(biāo)課程目標(biāo)1課程目標(biāo)21-4q2-2二、課程內(nèi)容與教學(xué)要求(按章撰寫)第一章緒論(-)課程內(nèi)容(1)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的概念；(2)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)；一般農(nóng)業(yè)機(jī)器人的基本組成結(jié)構(gòu)和控制方式;(4)農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r。(-)教學(xué)要求了

4、解農(nóng)業(yè)機(jī)器人的分類與組成；了解農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展概況。第二章農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(一)課程內(nèi)容農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)；A、手抓位置和姿態(tài)的表示方法；B、平移運(yùn)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)變換；C、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)變換；D、平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)變換；E、齊次坐標(biāo)變換。農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂的雅克比矩陣；A、雅克比矩陣的定義；B、雅克比矩陣的物理意義。(二)教學(xué)要求了解點(diǎn)與平面的表示方法；(2)掌握齊次坐標(biāo)變換方法；(3)掌握旋轉(zhuǎn)變換方法；(4)掌握機(jī)械手臂的雅克比矩陣；(5)掌握機(jī)械手臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求法。(三)重點(diǎn)與難點(diǎn)(1)重點(diǎn)是掌握機(jī)械手臂坐標(biāo)變換的幾個(gè)基礎(chǔ)概念；(2)難點(diǎn)是機(jī)械手臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法。第三章農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂動(dòng)

5、力學(xué)(-)課程內(nèi)容(1)剛體動(dòng)力學(xué)；A、拉格朗日功能平衡法；B、牛頓-歐拉動(dòng)態(tài)平衡法；(2)機(jī)械手臂連桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程；(3)機(jī)械手臂動(dòng)態(tài)特性。(二)教學(xué)要求(1)掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂連桿系統(tǒng)拉格朗日方程；(2)掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂連桿系統(tǒng)牛頓-歐拉方程。(三)重點(diǎn)與難點(diǎn)(1)重點(diǎn)和難點(diǎn)是運(yùn)用拉格朗日功能平衡法進(jìn)行機(jī)械手臂動(dòng)力學(xué)分析。第四章農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂軌跡規(guī)劃(一)課程內(nèi)容(1)機(jī)械手臂關(guān)節(jié)軌跡的插值計(jì)算；(2)農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂手部操作路徑的軌跡規(guī)劃；(3)機(jī)械手臂軌跡的實(shí)時(shí)生成。(二)教學(xué)要求(1)掌握機(jī)械手臂關(guān)節(jié)軌跡的插值計(jì)算方法；(2)掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法。(三)重點(diǎn)與難點(diǎn)(1)重

6、點(diǎn)和難點(diǎn)是農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃方法。第五章農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)(-)課程內(nèi)容(1)農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)組成。(2)農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂傳感器技術(shù)；A、傳感器的分類；B、光電編碼器；C、視覺傳感器；D、多傳感器信息融合技術(shù)介紹。（3）機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)與開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；A、介紹運(yùn)動(dòng)控制器；B、開放式運(yùn)動(dòng)控制卡；C、嵌入式PC104工控機(jī)。（4）機(jī)械手臂控制理論及算法實(shí)現(xiàn)；A、PEWIN32PRO調(diào)試軟件的使用；B、VC+動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的編寫；C、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制。（二）教學(xué)要求了解農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)組成；了解農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂各種傳感器類型和工作原理；了解機(jī)械手臂控制器的實(shí)現(xiàn)方法；了解開放

7、式運(yùn)動(dòng)控制器（PMAC2A-PC104）硬件設(shè)計(jì)及其軟件設(shè)置及調(diào)試程序;了解嵌入式PC104工控機(jī)在機(jī)械手臂領(lǐng)域的應(yīng)用；了解VC+調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)編寫用戶通訊界面；了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制算法。（三）重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)是掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂傳感器類型和工作原理；重點(diǎn)是掌握開放式運(yùn)動(dòng)控制器的使用；點(diǎn)是了解機(jī)械手臂控制理論及算法。三、本課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如課程不含實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)可不填）編號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)類型要求支撐的課程目標(biāo)1機(jī)械手臂認(rèn)識(shí)和演示實(shí)驗(yàn)2綜合必做課程目標(biāo)1,22機(jī)械手臂編程仿真綜合設(shè)計(jì)4綜合必做課程目標(biāo)1,2注：L “類型”填驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性等;“要求”填必做、選做。實(shí)驗(yàn)1：機(jī)械手臂認(rèn)

8、識(shí)和演示實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?）理解機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作方式2）驗(yàn)證機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律.實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容1）參觀機(jī)械手臂的運(yùn)行2）通過MATLAB仿真驗(yàn)證機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律.重難點(diǎn)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律實(shí)驗(yàn)2：機(jī)械手臂編程仿真綜合設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?）掌握機(jī)械手臂的軌跡規(guī)劃算法2）通過MATLAB仿真驗(yàn)證軌跡規(guī)劃.實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容1）設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的軌跡規(guī)劃算法2）通過MATLAB仿真驗(yàn)證軌跡規(guī)劃算法.重難點(diǎn)機(jī)械手臂的軌跡規(guī)劃算法注：本課程為專業(yè)選修課，授課對(duì)象為大四學(xué)生，實(shí)驗(yàn)類型主要包括驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)，均 需要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?nèi)容，數(shù)據(jù)的分析以及思考題的回答。

9、實(shí) 驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)分細(xì)則參見附錄lo四、學(xué)時(shí)分配及教學(xué)方法章（按序填寫）教學(xué)形式及學(xué)時(shí)分配主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)課堂 教學(xué)實(shí)驗(yàn)上 機(jī)課程 實(shí)踐小 計(jì)第一章2講授課程目標(biāo)1第二章6講授，討論課程目標(biāo)1第三章3講授，討論課程目標(biāo)1第四章62講授，討論課程目標(biāo)1第五章94講授，討論課程目標(biāo)1,2合計(jì)266注：1.課程實(shí)踐學(xué)時(shí)按相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃列入表格；2.主要教學(xué)方法包括講授法、討論法、演示法、研究型教學(xué)方法（基于問題、項(xiàng)目、案例 等教學(xué)方法）等。五、課程考核序號(hào)考核方式或途徑考核要求考核權(quán)重備注1課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)課后完成4-6個(gè)習(xí)題，查 閱科技文獻(xiàn)，寫兩到二篇 小報(bào)告15%根據(jù)平時(shí) 作業(yè)得分

10、 取平均值 或結(jié)合平 時(shí)測(cè)試情 況2實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課表現(xiàn)和相應(yīng)成績(jī)15%評(píng)分細(xì)則見附錄13大作業(yè)、小論文期末完成一項(xiàng)大作業(yè)或提交一篇小論文70%提交大報(bào) 告形式注：1 .分學(xué)期設(shè)置和考核的課程應(yīng)按學(xué)期分別填寫上表。.考核方式或途徑主要包括課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)、階段測(cè)試、期中考試、期末考試、大作 業(yè)、小論文、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和作品等。.考核要求包括作業(yè)次數(shù)、考試方式（開卷、閉卷）、項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求等。.考核權(quán)重指該考核方式或途徑在總成績(jī)中所占比重。六、參考書目及學(xué)習(xí)資料.農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂技術(shù)，郭洪紅，西安電子科技大學(xué)出版社，2006年3月.關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂，殷際英，何廣平，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年8月.先進(jìn)機(jī)械手臂控制

11、，譚民、徐德，高等教育出版社，2007年5月.機(jī)械手臂學(xué)，蔡自興，清華大學(xué)出版社，2000年5月七、大綱說明.本課程的實(shí)驗(yàn)具體要求見機(jī)械手臂及控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。.本課程采用多媒體教學(xué)。.本大綱將課程教學(xué)內(nèi)容和要求分為三個(gè)檔次，即了解、理解、掌握。了解是對(duì)教學(xué)內(nèi)容具有 基本知識(shí)，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；理解是對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解清楚并能進(jìn)行應(yīng)用；掌握是指對(duì)教 學(xué)內(nèi)容理解透徹，清楚并具有應(yīng)用所學(xué)知識(shí)理解實(shí)際問題的能力。2017年 9 月 10 日附錄1:實(shí)驗(yàn)考核方式及評(píng)分細(xì)則本實(shí)驗(yàn)以考查為主，考核的內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)過程的表現(xiàn)（其中包含分析與解決問題的能力）、實(shí)驗(yàn) 報(bào)告的質(zhì)量等。分析與解決問題的能力采用提問和現(xiàn)場(chǎng)操作的方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)成績(jī)中出勤、預(yù)習(xí)占 10%,實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)占60%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及思考題占30%。成績(jī)組成考核/評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)分值考核/評(píng)價(jià)細(xì)則對(duì)應(yīng)的畢業(yè) 要求指標(biāo)點(diǎn)出勤、預(yù) 習(xí)10%出勤狀況， 預(yù)習(xí)評(píng)價(jià)10能按時(shí)到勤，遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)定，不損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備（占 5%）；能夠預(yù)習(xí)，并理解實(shí)驗(yàn)原理及目的（占5%）。1-4實(shí)驗(yàn)過程 60%實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)60按照預(yù)設(shè)方案操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀表，正確完成