《工業(yè)機(jī)器人原理及應(yīng)用》教學(xué)大綱

《工業(yè)機(jī)器人原理及應(yīng)用》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：01150441課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：2學(xué)分學(xué)時：32學(xué)時（理論24學(xué)時，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時）先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械原理后續(xù)課程：畢業(yè)設(shè)計(jì)適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化（專升本）開課單位：機(jī)械工程學(xué)院一、課程說明《工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用》是機(jī)械類專業(yè)的選修的一門專業(yè)技術(shù)選修課。本課程主要介紹機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論和方法，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課程及以后從事技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。本課程在保證基礎(chǔ)理論講授的同時，注重機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合具體的仿真、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和應(yīng)用實(shí)例，協(xié)助學(xué)生對理論進(jìn)行進(jìn)一步理解。本課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，兼顧學(xué)科前沿技術(shù)和發(fā)展方向的介紹，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強(qiáng)能力”的人才。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：了解工業(yè)機(jī)器人的種類、概念、發(fā)展、現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；理解機(jī)器人的基本原理及常用結(jié)構(gòu)形式；理解機(jī)器人常用的傳感器、控制器以及基本結(jié)構(gòu)。課程目標(biāo)2：能夠綜合應(yīng)用所學(xué)知識對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抽象和機(jī)構(gòu)分析；熟悉工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)相關(guān)概念，能夠通過軟件對機(jī)器人進(jìn)行基本的運(yùn)動學(xué)建模分析；了解工業(yè)機(jī)器人的控制軟件和控制方法，能夠根據(jù)具體的行業(yè)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。課程目標(biāo)3：能夠正確客觀地評價(jià)工業(yè)機(jī)器人及相關(guān)產(chǎn)品對環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的影響。培養(yǎng)全局意識和工匠精神，能夠?qū)Ξa(chǎn)品的市場價(jià)值和應(yīng)用前景進(jìn)行客觀的評價(jià)。理解機(jī)電系統(tǒng)有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)以及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)、行業(yè)政策。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用》課程教學(xué)目標(biāo)對機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表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1.工程知識:具備數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并能用于解決機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電控制等復(fù)雜工程問題。1．4能夠?qū)C(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、液壓傳動、機(jī)電傳動控制等專業(yè)知識用于解決機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電控制等復(fù)雜工程問題。課程目標(biāo)1：了解工業(yè)機(jī)器人的種類、概念、發(fā)展、現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；理解機(jī)器人的基本原理及常用結(jié)構(gòu)形式；理解機(jī)器人常用的傳感器、控制器以及基本結(jié)構(gòu)。M2.問題分析：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，識別、表達(dá)、并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜的機(jī)械電子領(lǐng)域工程問題，以獲得有效結(jié)論。2.1能應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理和方法，對機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及其自動化領(lǐng)域/系統(tǒng)的復(fù)雜工程問題進(jìn)行識別和描述。課程目標(biāo)2：能夠綜合應(yīng)用所學(xué)知識對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抽象和機(jī)構(gòu)分析；熟悉工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)相關(guān)概念，能夠通過軟件對機(jī)器人進(jìn)行基本的運(yùn)動學(xué)建模分析；了解工業(yè)機(jī)器人的控制軟件和控制方法，能夠根據(jù)具體的行業(yè)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。H5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對機(jī)械電子領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，開發(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，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。5.2能在機(jī)械電子產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中，利用現(xiàn)代信息技術(shù)及工具，獲取或開發(fā)所需設(shè)計(jì)資源，并能選用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)/分析方法及軟件工具，建立產(chǎn)品對象的模擬及預(yù)測模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證與評價(jià)。課程目標(biāo)2：能夠綜合應(yīng)用所學(xué)知識對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抽象和機(jī)構(gòu)分析；熟悉工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)相關(guān)概念，能夠通過軟件對機(jī)器人進(jìn)行基本的運(yùn)動學(xué)建模分析；了解工業(yè)機(jī)器人的控制軟件和控制方法，能夠根據(jù)具體的行業(yè)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。M6.工程與社會：能夠基于機(jī)械工程相關(guān)背景知識進(jìn)行合理分析，評價(jià)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電控制等工程實(shí)踐和復(fù)雜工程解決方案對社會進(jìn)步、人類健康、公共安全、法律法規(guī)以及文化傳承的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任。6.2能分析并正確評價(jià)針對復(fù)雜智能制造工程問題的工程實(shí)踐，尤其是新技術(shù)、新工藝、新材料、新產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并能理解和承擔(dān)工程科技人員的社會責(zé)任。課程目標(biāo)3：能夠正確客觀地評價(jià)工業(yè)機(jī)器人及相關(guān)產(chǎn)品對環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的影響。培養(yǎng)全局意識和工匠精神，能夠?qū)Ξa(chǎn)品的市場價(jià)值和應(yīng)用前景進(jìn)行客觀的評價(jià)。理解機(jī)電系統(tǒng)有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)以及相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)、行業(yè)政策。L注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”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)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時實(shí)驗(yàn)學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.緒論1.1機(jī)器人概述1.2機(jī)器人的分類；1.3機(jī)器人的組成和技術(shù)參數(shù)教學(xué)要求：使學(xué)生了解了解機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展過程；掌握機(jī)器人的概念、特點(diǎn)、及基本分類；熟悉機(jī)器人的應(yīng)用、組成以及主要性能參數(shù)；了解機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；重點(diǎn)：機(jī)器人的概念、特點(diǎn)、及基本分類；機(jī)器人的應(yīng)用、組成以及主要性能參數(shù)；難點(diǎn)：主要性能參數(shù)。201、22.工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)2.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)2.3機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)2.4腕部設(shè)計(jì)2.5手部設(shè)計(jì)2.6行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)要求：使學(xué)生熟悉工業(yè)機(jī)器人的基本組成；掌握工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理與運(yùn)動；熟悉工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；重點(diǎn)：機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理與運(yùn)動；機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)；難點(diǎn)：機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。421、2、33.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)3.1概述3.2機(jī)器人的坐標(biāo)系與位姿描述3.3D-H參數(shù)3.4機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)3.5機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的基本概念教學(xué)要求：使學(xué)生掌握機(jī)器人的位置和姿態(tài)的表示方法；掌握機(jī)器人位姿描述、坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)變換；掌握機(jī)器人技術(shù)常用的坐標(biāo)變換方法；重點(diǎn)：六點(diǎn)定位原理；組合定位時各定位元件所限制的自由度；過定位對加工的影響；定位誤差的分析與計(jì)算；設(shè)計(jì)夾緊裝置的基本準(zhǔn)則；夾具設(shè)計(jì)基本步驟；難點(diǎn)：定位誤差的分析與計(jì)算。421、2、3、44.工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)概述4.1速度雅各比矩陣與速度分析4.2力雅各比矩陣與靜力計(jì)算4.3工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)分析4.4機(jī)器人動力學(xué)仿真和建模教學(xué)要求：使學(xué)生了解機(jī)器人動力學(xué)的初步知識；熟悉機(jī)器人的靜力學(xué)問題和描述；掌握機(jī)器人動力學(xué)方程式；重點(diǎn)：機(jī)器人的靜力學(xué)問題和描述；機(jī)器人動力學(xué)方程式；難點(diǎn)：機(jī)器人動力學(xué)方程式。401、25.工業(yè)機(jī)器人的控制5.1機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式5.2機(jī)器人的控制硬件及接口5.3機(jī)器人的控制系統(tǒng)實(shí)例5.4機(jī)器人末端執(zhí)行器與控制教學(xué)要求：使學(xué)生了解機(jī)器人的伺服控制系統(tǒng)；掌握機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及接口；理解機(jī)器人控制系統(tǒng)；掌握機(jī)器人的編程控制；重點(diǎn)：機(jī)器人的編程控制方法；機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及接口；難點(diǎn)：機(jī)器人的編程語言。441、2、3、46.工業(yè)機(jī)器人的傳感器6.1工業(yè)機(jī)器人用傳感器的特點(diǎn)和分類6.2工業(yè)機(jī)器人傳感器的結(jié)構(gòu)原理6.3機(jī)器視覺概述教學(xué)要求：使學(xué)生了解機(jī)器人用傳感器的特點(diǎn)和分類；掌握機(jī)器人內(nèi)傳感器的結(jié)構(gòu)原理；掌握機(jī)器人外傳感器的結(jié)構(gòu)原理；機(jī)器視覺的原理與應(yīng)用；重點(diǎn)：機(jī)器人用傳感器的特點(diǎn)和分類；機(jī)器人內(nèi)、外傳感器的結(jié)構(gòu)原理；機(jī)器視覺的原理；難點(diǎn)：機(jī)器人內(nèi)、外傳感器的結(jié)構(gòu)原理。201、27工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用7.1工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則、步驟及安全實(shí)施規(guī)范7.2機(jī)器人的典型行業(yè)應(yīng)用教學(xué)要求：使學(xué)生了解機(jī)器人的使用準(zhǔn)則，具體的使用方法和相應(yīng)的安全規(guī)范；了解機(jī)器人的典型行業(yè)應(yīng)用；重點(diǎn)：焊接機(jī)器人系統(tǒng)及應(yīng)用；噴涂機(jī)器人組成及應(yīng)用。402、3、4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)時分配見表3。表3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：了解四軸機(jī)械臂的基本使用方法；實(shí)驗(yàn)要求：了解教學(xué)機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)，掌握機(jī)器人的拖動示教方法，掌握機(jī)器人的定點(diǎn)搬運(yùn)控制。222.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的參數(shù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：基于Matlab編寫機(jī)器人末端位姿的求解；實(shí)驗(yàn)要求：了解Matlab軟件的基本語法和使用方法；能夠通過Matlab進(jìn)行機(jī)器人齊次變換矩陣的求解；了解Matlab機(jī)器人工具箱的使用方法。233.工業(yè)機(jī)器人的編程碼垛實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過圖形化編程完成機(jī)器人的循環(huán)碼垛實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)要求：通過編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循環(huán)搬運(yùn)，在無人干預(yù)的前提下，將6個以上色塊搬運(yùn)至另一位置。45合計(jì)8五、教學(xué)方法及手段本課程以講授為主，以實(shí)例為引導(dǎo)，完成課程的教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。通過綜合應(yīng)用動畫、圖片以及仿真軟件，協(xié)助學(xué)生理解機(jī)器人的相關(guān)概念，同時適時插入機(jī)器人的具體操作實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對抽象概念的形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其自主學(xué)習(xí)，激發(fā)其創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)結(jié)合理論教學(xué)以不同形式展開，首先應(yīng)讓學(xué)生實(shí)際接觸工業(yè)機(jī)械臂并簡單講述其使用方法，使其對工業(yè)機(jī)器人形成基本的認(rèn)知。隨后要求學(xué)生結(jié)合相關(guān)的仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)計(jì)算，加深其對概念的掌握程度。最后通過實(shí)操機(jī)器人完成簡單地項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步促進(jìn)對相關(guān)抽象概念的理解和消化。在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；在實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，要認(rèn)真完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、課程資源1.教材：（1）韓建海.《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》（第四版）.華中科技大學(xué)出版社.2019年.2.參考書：（1）約翰·J·克雷格.《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》（原書第4版）.機(jī)械工業(yè)出版社.2021年.（2）Peter·Croke.《機(jī)器人學(xué)、機(jī)器視覺與控制——Matlab算法基礎(chǔ)》.電子工業(yè)出版社.2016年.（3）熊有倫等.《機(jī)器人學(xué)建模、控制與視覺》.華中科技大學(xué)出版社.2018年.3.期刊：（1）TheInternationalJournalofRoboticsResearch，SAGEPublicationsInc.（2）機(jī)械工程學(xué)報(bào)，中國機(jī)械工程學(xué)會（3）機(jī)器人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所（4）TransactionsonRobotics，InstituteofElectricalandElectronicsEngineersInc.（5）RoboticsandComputer-integratedManufacturing，ElsevierLtd.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）RoboticsToolbox./toolboxes/robotics-toolbox/.（2）機(jī)器人TV.https://www.robot.tv/.（3）ABBGroup.https://global.abb/group/en.七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價(jià)細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)15（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績。√√√663項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)25（1）根據(jù)每個實(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)評分，滿分100分；（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評分，取各次實(shí)驗(yàn)成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實(shí)驗(yàn)成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績。√1015期末考核60（1）大作業(yè)包含設(shè)計(jì)和答辯兩部分，其中大作業(yè)占60%，答辯成績占40%，各項(xiàng)滿分100分，以實(shí)際成績乘以其在總評成績中所占的比例計(jì)入課程總評成績。（2）大作業(yè)內(nèi)容由教師結(jié)合熱點(diǎn)需求設(shè)計(jì)題目，給定具體的需求和性能指標(biāo)。要求學(xué)生綜合利用課程所學(xué)的知識完成機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)并編寫相應(yīng)的設(shè)計(jì)文檔。（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。（4）要求學(xué)生制作相應(yīng)的PPT對其設(shè)計(jì)產(chǎn)品和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹。√√√252510合計(jì)：100分355015八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、大作業(yè)等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價(jià)?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇纱笞鳂I(yè)成績和過程性考核成績組成。其中：大作業(yè)成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），需撰寫3000字以上的設(shè)計(jì)文檔，制作不少于8頁的PPT進(jìn)行匯報(bào)；課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時基本成比例。2.過程性考核成績的標(biāo)準(zhǔn)過程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價(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)40筆記完整，積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準(zhǔn)確率大于90%。筆記完整，認(rèn)真參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于80%。筆記不完整，偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準(zhǔn)確率大于70%。上課不認(rèn)真，上課不記筆記，偶爾參與教學(xué)活動。上課不認(rèn)真，上課不記筆記，不參與教學(xué)活動。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、結(jié)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、結(jié)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)操作過程基本正確、無協(xié)作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本正確，結(jié)論一般實(shí)驗(yàn)前有預(yù)習(xí)，不能掌握方法與步驟，實(shí)