《機(jī)器人學(xué)》教學(xué)大綱

《機(jī)器人學(xué)》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：01150521課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)選修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)（理論24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)）先修課程：機(jī)械控制工程、機(jī)電傳動(dòng)控制、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)后續(xù)課程：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)適用專(zhuān)業(yè)：機(jī)械電子工程開(kāi)課單位：機(jī)械工程學(xué)院一、課程說(shuō)明《機(jī)器人學(xué)》課程是機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課，其目標(biāo)在于為本科生提供機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論、機(jī)器人設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制及機(jī)器人編程等方面的知識(shí)，為從事機(jī)器人研究、開(kāi)發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合OBE（以能力為導(dǎo)向的教育）模式，培養(yǎng)本科生全面發(fā)展的能力。本課程將詳細(xì)探討機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、感知以及控制等關(guān)鍵領(lǐng)域，使學(xué)生能夠全面了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與行為。學(xué)生將通過(guò)深入研究坐標(biāo)變換、動(dòng)力學(xué)建模、傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃等內(nèi)容，培養(yǎng)解決實(shí)際機(jī)器人學(xué)問(wèn)題的能力。課程將結(jié)合理論講解、案例分析和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，使學(xué)生掌握機(jī)器人編程工具與方法，同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作與創(chuàng)新思維。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將不僅掌握扎實(shí)的機(jī)器人學(xué)知識(shí)，還能積極探索創(chuàng)新，錘煉團(tuán)隊(duì)合作能力，培養(yǎng)獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，以及將技術(shù)與社會(huì)價(jià)值結(jié)合的思維。這將有助于學(xué)生成為具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和社會(huì)責(zé)任感的未來(lái)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人才。二、課程目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：理解機(jī)器人學(xué)的核心理論，了解常見(jiàn)機(jī)器人的種類(lèi)以及應(yīng)用范圍，掌握機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)術(shù)語(yǔ)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，用于機(jī)器人控制問(wèn)題的分析。課程目標(biāo)2：具備運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際機(jī)器人學(xué)問(wèn)題的實(shí)踐能力，掌握常見(jiàn)的仿真、分析軟件的使用方法，用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等性能進(jìn)行仿真分析。課程目標(biāo)3：了解機(jī)器人的安全原則和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，了解機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的環(huán)境可持續(xù)性以及相關(guān)的倫理規(guī)范，具備在機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中的社會(huì)和行業(yè)責(zé)任感。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《機(jī)器人學(xué)》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的支撐見(jiàn)表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度2.問(wèn)題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問(wèn)題，以獲得有效結(jié)論。2.2能根據(jù)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理分析機(jī)電領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題，獲得多種解決方案；課程目標(biāo)1：理解機(jī)器人學(xué)的核心理論，了解常見(jiàn)機(jī)器人的種類(lèi)以及應(yīng)用范圍，掌握機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)術(shù)語(yǔ)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，用于機(jī)器人控制問(wèn)題的分析。H5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對(duì)機(jī)電工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題，開(kāi)發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的預(yù)測(cè)與模擬，并能夠理解其局限性。5.2能夠選擇和使用恰當(dāng)?shù)膬x器、信息資源，工程工具和專(zhuān)業(yè)模擬軟件等，用于機(jī)電工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)；課程目標(biāo)2：具備運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際機(jī)器人學(xué)問(wèn)題的實(shí)踐能力，掌握常見(jiàn)的仿真、分析軟件的使用方法，用于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等性能進(jìn)行仿真分析。M6.工程與社會(huì)：能夠基于工程相關(guān)背景知識(shí)進(jìn)行合理分析，評(píng)價(jià)專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐和復(fù)雜工程問(wèn)題解決方案對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。6.2能分析并正確評(píng)價(jià)針對(duì)機(jī)電工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的工程實(shí)踐，尤其是新技術(shù)、新工藝、新材料、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。課程目標(biāo)3：了解機(jī)器人的安全原則和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，了解機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的環(huán)境可持續(xù)性以及相關(guān)的倫理規(guī)范，具備在機(jī)器人設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中的社會(huì)和行業(yè)責(zé)任感。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.緒論簡(jiǎn)述機(jī)器人學(xué)的起源與發(fā)展，討論機(jī)器人學(xué)的定義，分析機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與分類(lèi)教學(xué)要求：了解機(jī)器人的基本概念，了解機(jī)器人的種類(lèi)，對(duì)機(jī)器人在不同領(lǐng)域的應(yīng)用有初步認(rèn)識(shí)。重點(diǎn)：機(jī)器人的分類(lèi)。難點(diǎn)：機(jī)器人的自由度。21，32.機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)空間任意點(diǎn)的位置和姿態(tài)變換、坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉(zhuǎn)變換等。教學(xué)要求：掌握機(jī)器人的數(shù)理基礎(chǔ)，掌握位姿描述方法和坐標(biāo)變換。重點(diǎn)：機(jī)器人的位姿描述方法，齊次坐標(biāo)變換。難點(diǎn)：齊次坐標(biāo)變換。421，23.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、方向角、運(yùn)動(dòng)位置和坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程以及連桿變換矩陣的表示，歐拉變換、滾-仰-偏變換和球面變換等求解方法，機(jī)器人微分運(yùn)動(dòng)及其雅可比矩陣等。教學(xué)要求：掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的表示方法，掌握典型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程求解方法。重點(diǎn)：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的求解。難點(diǎn)：廣義連桿和廣義變換矩陣。61，24.機(jī)器人動(dòng)力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程、動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性；著重分析機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程的兩種求法，即拉格朗日功能平衡法和牛頓-歐拉動(dòng)態(tài)平衡法；然后總結(jié)出建立拉格朗日方程的步驟教學(xué)要求：理解動(dòng)力學(xué)方程的概念，掌握動(dòng)力方程的求解方法，理解機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)方法。重點(diǎn)：動(dòng)力學(xué)方程的概念。難點(diǎn)：動(dòng)力學(xué)方程求解的拉格朗日功能平衡法和牛頓-歐拉動(dòng)態(tài)平衡法。41，25.機(jī)器人控制機(jī)器人基本控制原理、機(jī)器人位置控制、機(jī)器人智能控制原理、路徑規(guī)劃和軌跡生成。教學(xué)要求：了解機(jī)器人控制器的分類(lèi)以及主要控制變量，了解常見(jiàn)的伺服控制系統(tǒng)，掌握機(jī)器人位置控制方法；建立機(jī)器人路徑規(guī)劃的概念，了解常見(jiàn)的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法。重點(diǎn)：機(jī)器人位置控制方法。難點(diǎn)：機(jī)器人位置控制系統(tǒng)的建模以及傳遞函數(shù)。421，2，36.機(jī)器人傳感器機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)與分類(lèi)、機(jī)器人的內(nèi)傳感器、機(jī)器人的外傳感器、機(jī)器人的視覺(jué)裝置教學(xué)要求：了解機(jī)器人常用傳感器的種類(lèi)、作用、性能指標(biāo)以及使用方法；了解機(jī)器人視覺(jué)裝置的分類(lèi)以及使用方法。重點(diǎn)：機(jī)器人的視覺(jué)裝置。221，2，37.機(jī)器人編程機(jī)器人編程語(yǔ)言要求與語(yǔ)言類(lèi)型、機(jī)器人語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)與基本功能、機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS、常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人編程語(yǔ)言、仿真系統(tǒng)、機(jī)器人的離線(xiàn)編程教學(xué)要求：使學(xué)生了解常見(jiàn)的機(jī)器人編程語(yǔ)言及其使用方法；了解常見(jiàn)的機(jī)器人上位機(jī)控制系統(tǒng)；了解機(jī)器人離線(xiàn)編程和仿真的概念。重點(diǎn)：常見(jiàn)的機(jī)器人編程語(yǔ)言；機(jī)器人的離線(xiàn)編程。難點(diǎn)：機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS。221，2，3合計(jì)2482.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表3。表3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.機(jī)器人的位姿描述與坐標(biāo)變換實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過(guò)編程仿真的方法，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的描述與位姿變換。實(shí)驗(yàn)要求：掌握Matlab機(jī)器人工具箱RoboticsToolbox的使用方法，通過(guò)軟件進(jìn)行編程，繪制坐標(biāo)變換的示意圖。21，22.機(jī)器人搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：對(duì)一臺(tái)四軸機(jī)器人進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)物塊的定點(diǎn)搬運(yùn)。實(shí)驗(yàn)要求：建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人各軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)物塊的定點(diǎn)安全搬運(yùn)。21，2，33.機(jī)器人傳感器的使用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：使用計(jì)算機(jī)讀取傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)要求：掌握常見(jiàn)機(jī)器人傳感器的原理，合理設(shè)計(jì)器電路并通過(guò)上位機(jī)讀取傳感器數(shù)據(jù)。21，2，34.工業(yè)機(jī)器人離線(xiàn)編程軟件的使用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：使用RobotStudio完成機(jī)器人虛擬工作站的建立。實(shí)驗(yàn)要求：掌握ABBRobotStudio的使用方法，針對(duì)具體的使用情景設(shè)計(jì)機(jī)器人工作站并進(jìn)行仿真。21，2，3合計(jì)8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等，促進(jìn)學(xué)生積極思考，開(kāi)發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；應(yīng)從學(xué)生的現(xiàn)有水平出發(fā)，采用由淺入深、由實(shí)踐到理論、由問(wèn)題引導(dǎo)、由整體到局部再到整體、理論與實(shí)際密切結(jié)合和充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性的教學(xué)方法。使用“教一學(xué)—做”相結(jié)合的引探教學(xué)法，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、理論和實(shí)踐內(nèi)容的一體化教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。在教學(xué)過(guò)程中穿插生產(chǎn)和科研成果和案例，將科研項(xiàng)目與教學(xué)相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生的軟件仿真能力和動(dòng)手能力，針對(duì)應(yīng)用型高校的特點(diǎn)，著重設(shè)計(jì)貼近與行業(yè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使其了解行業(yè)常用的軟件和工具。鼓勵(lì)學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)新，讓學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和自己設(shè)計(jì)可行性方案，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和科研能力，提高學(xué)生的解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。六、課程資源庫(kù)1.推薦教材：（1）蔡自興.《機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)（第三版）》[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2021.2.參考書(shū)：（1）JohonJ.Craig（贠超譯）.《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論（原書(shū)第4版）》[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2018.（2）WyattNewman（李筆鋒祝朝政劉錦濤譯）《ROS機(jī)器人編程：原理與應(yīng)用》[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2019.（3）熊有倫.《機(jī)器人學(xué)建?？刂婆c視覺(jué)（第2版）》[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社.20203.期刊：（1）控制于決策[J]ISSN:1001-0920.東北大學(xué).（2）控制理論與應(yīng)用[J]ISSN:1000-8152.華南理工大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所.（3）機(jī)器人[J].ISSN:1002-0446.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所.（4）AUTOMATICA[J].ISSN:0005-1098.ElsevierLtd.（5）ACTAINFORMATICA[J].ISSN:0001-5903.SpringerBerlinHeidelberg.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）ABB官方網(wǎng)站，https://global.abb/group/（2）KUKA官方網(wǎng)站：/七、課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐課程成績(jī)由過(guò)程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表4。表4課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)123過(guò)程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂參與教學(xué)活動(dòng)情況進(jìn)行考核，滿(mǎn)分100分。（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭?5實(shí)驗(yàn)30（1）根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量單獨(dú)評(píng)分，滿(mǎn)分100分；（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評(píng)分，取各次實(shí)驗(yàn)成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以實(shí)驗(yàn)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?5105期末大作業(yè)60（1）（1）大作業(yè)成績(jī)100分，以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。（2）要求學(xué)生分為若干小組，以完成不同任務(wù)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一具有6自由度的機(jī)器人。要求對(duì)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提出具體方案，對(duì)機(jī)械臂建立D-H數(shù)學(xué)模型，完成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在MATLAB下使用RoboticsToolbox工具箱進(jìn)行可視化仿真分析。同時(shí)，要求學(xué)生應(yīng)用軟件對(duì)6自由度的機(jī)器人進(jìn)行3D物理仿真。（3）設(shè)計(jì)文檔中應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：項(xiàng)目的背景及意義，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)思路，相關(guān)原理和零件圖等內(nèi)容。要求學(xué)生制作相應(yīng)的PPT對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹。√√√301515合計(jì)：100分503020八、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、大作業(yè)等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽?jī)由大作業(yè)成績(jī)和過(guò)程性考核成績(jī)組成。其中：大作業(yè)成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重60%），需撰寫(xiě)3000字以上的設(shè)計(jì)文檔，制作不少于8頁(yè)的PPT進(jìn)行匯報(bào)；課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)等過(guò)程性考核成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過(guò)程性考核分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時(shí)基本成比例。大作業(yè)撰寫(xiě)嚴(yán)禁使用大語(yǔ)言模型如GPT等完成，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)則取消該部分的成績(jī)。2.過(guò)程性考核成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見(jiàn)表5。表5過(guò)程性考核方式評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)10積極參與教學(xué)活動(dòng)，參與次數(shù)大于90%。認(rèn)真參與教學(xué)活動(dòng)，參與次數(shù)大于80%。偶爾參與教學(xué)活動(dòng)，參與次數(shù)大于70%。上課不認(rèn)真，偶爾參與教學(xué)活動(dòng)。參與次數(shù)大于60%上課不認(rèn)真，不參與教學(xué)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)30實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)認(rèn)真，能夠熟練掌握方法與步驟，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程熟練、規(guī)范，遵規(guī)守紀(jì)、團(tuán)結(jié)協(xié)作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳實(shí)、結(jié)論清晰、討論合理實(shí)驗(yàn)前有預(yù)習(xí)，能夠掌握方法與步驟，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程正確、規(guī)范，遵規(guī)守紀(jì)、團(tuán)結(jié)協(xié)作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確、討論適當(dāng)實(shí)驗(yàn)前有預(yù)習(xí)，基本能夠掌握方法與步驟，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程基本