《工業(yè)機器人原理及應(yīng)用》教學大綱

《工業(yè)機器人原理及應(yīng)用》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：01140431課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學分：2學分學時：32學時（理論26學時，實驗6學時）先修課程：高等數(shù)學、線性代數(shù)、復變函數(shù)與積分變換、電工與電子技術(shù)等后續(xù)課程：智能工廠集成技術(shù)、畢業(yè)實習、畢業(yè)設(shè)計等適用專業(yè)：智能制造工程開課單位：機械工程學院一、課程說明《工業(yè)機器人原理與應(yīng)用》是智能制造工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。本課程主要介紹工業(yè)機器人的機械運動及路徑規(guī)劃、運動控制理論、視覺系統(tǒng)圖像處理，為學習其他有關(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，注重機器人的運動控制理論和視覺智能技術(shù)。本課程強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，兼顧學科前沿技術(shù)和發(fā)展方向的介紹，培養(yǎng)學生工業(yè)機器人操作編程能力和視覺圖像處理能力。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：能夠設(shè)計開發(fā)工業(yè)機器人運動學的矩陣表示；能夠設(shè)計開發(fā)工業(yè)機器人的微分運動；能夠設(shè)計開發(fā)工業(yè)機器人常用的傳感器、驅(qū)動器與驅(qū)動系統(tǒng)。課程目標2：能夠?qū)⒐I(yè)機器人動力學和軌跡規(guī)劃理論用于解決工業(yè)機器人的運動路徑問題；能夠建立工業(yè)機器人的運動控制數(shù)學模型；能夠?qū)⒁曈X系統(tǒng)圖像處理基礎(chǔ)理論用于解決工業(yè)機器人的數(shù)據(jù)處理問題，并養(yǎng)成理論聯(lián)系實際、科學嚴謹、實事求是的科學態(tài)度。課程目標3：能夠構(gòu)建并實現(xiàn)工業(yè)機器人的路徑與位置控制并得到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并實現(xiàn)工業(yè)機器人的仿真控制模型并得到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并實現(xiàn)工業(yè)機器人的視覺圖像處理算法并得到合理有效結(jié)論。三、課程目標與畢業(yè)要求《工業(yè)機器人原理與應(yīng)用》課程教學目標對智能制造工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。

表1課程教學目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識：能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和智能制造專業(yè)知識用于分析解決智能制造領(lǐng)域的復雜工程問題。1.4能夠?qū)I(yè)知識用于智能制造相關(guān)復雜工程問題解決方案的比較、綜合和交流。課程目標2：能夠?qū)⒐I(yè)機器人動力學和軌跡規(guī)劃理論用于解決工業(yè)機器人的運動路徑問題；能夠建立工業(yè)機器人的運動控制數(shù)學模型；能夠?qū)⒁曈X系統(tǒng)圖像處理基礎(chǔ)理論用于解決工業(yè)機器人的數(shù)據(jù)處理問題，并養(yǎng)成理論聯(lián)系實際、科學嚴謹、實事求是的科學態(tài)度。H3.設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠設(shè)計針對智能制造工程領(lǐng)域復雜工程問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)與單元（部件），并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。3.3能夠在設(shè)計開發(fā)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，并考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。課程目標1：能夠設(shè)計開發(fā)工業(yè)機器人運動學的矩陣表示；能夠設(shè)計開發(fā)工業(yè)機器人的微分運動；能夠設(shè)計開發(fā)工業(yè)機器人常用的傳感器、驅(qū)動器與驅(qū)動系統(tǒng)。M4.研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對智能制造工程領(lǐng)域相關(guān)復雜工程問題進行研究，包括問題的提出與判斷，研究方案的設(shè)計與實施，實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)信息的分析與關(guān)聯(lián)，通過研究得到合理有效的結(jié)論。4.3能夠根據(jù)實驗方案構(gòu)建并開展實驗，能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標3：能夠構(gòu)建并實現(xiàn)工業(yè)機器人的路徑與位置控制并得到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并實現(xiàn)工業(yè)機器人的仿真控制模型并得到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并實現(xiàn)工業(yè)機器人的視覺圖像處理算法并得到合理有效結(jié)論。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、教學內(nèi)容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內(nèi)容、基本要求與學時分配教學內(nèi)容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應(yīng)的課程目標1.基礎(chǔ)知識1.1引言1.2機器人的分類；1.3機器人的優(yōu)缺點；1.4機器人的組成部件；1.5機器人的坐標；1.6機器人的參考坐標系。教學要求：使學生了解了解機器人的產(chǎn)生和發(fā)展過程；掌握機器人的概念、特點、及基本分類；熟悉機器人的應(yīng)用、組成以及主要性能參數(shù)；了解機器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；重點：機器人的坐標與參考坐標系；難點：機器人的坐標與參考坐標系。2012.工業(yè)機器人位置運動學2.1工業(yè)機器人運動學的矩陣表示；2.2齊次變換矩陣；2.3變換的表示；2.4變換矩陣的逆；2.5位置的正逆運動學方程；2.6姿態(tài)的正逆運動學方程；2.7D-H表示。教學要求：使學生熟悉工業(yè)機器人的矩陣表示；掌握工業(yè)機器人齊次變換；熟悉工業(yè)機器人的正逆運動學方程；熟悉D-H表示。重點：工業(yè)機器人的矩陣表示；難點：D-H表示。401、2、33.微分運動與速度3.1概述；3.2微分關(guān)系及雅可比矩陣；3.3微分運動及坐標系的微分運動；3.4坐標系之間的微分變化；3.5機器人逆運動學的基本概念；3.6雅可比矩陣求逆。教學要求：使學生理解微分關(guān)系及雅可比矩陣，微分運動及坐標系的微分運動，雅可比矩陣求逆；掌握坐標系之間的微分變化。重點：坐標系的微分運動；難點：雅可比矩陣求逆。2014.軌跡規(guī)劃4.1路徑與軌跡；4.2關(guān)節(jié)空間與直角坐標空間；4.3軌跡規(guī)劃基本原理；4.3關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃；4.4直角坐標的軌跡規(guī)劃。教學要求：使學生了解路徑與軌跡；熟悉關(guān)節(jié)空間域直角坐標空間；理解軌跡規(guī)劃基本原理；掌握關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃；直角坐標的軌跡規(guī)劃。重點：關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃；難點：關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。221、2、35.運動控制系統(tǒng)5.1基本組成與結(jié)構(gòu)；5.2系統(tǒng)動力學與拉氏變換；5.3傳遞函數(shù)與結(jié)構(gòu)圖；5.4一階與二階傳遞函數(shù)特性；5.5特征方程與穩(wěn)態(tài)誤差；5.6根軌跡法；5.7PID控制器；5.8伯德圖與頻域分析；5.9狀態(tài)空間控制方法。教學要求：使學生了解基本組成與結(jié)構(gòu)；理解系統(tǒng)動力學與拉氏變換；傳遞函數(shù)與結(jié)構(gòu)圖；一階與二階傳遞函數(shù)特性；特征方程與穩(wěn)態(tài)誤差；掌握根軌跡法；PID控制器；伯德圖與頻域分析；狀態(tài)空間控制方法。重點：根軌跡法；PID控制器；難點：伯德圖與頻域分析；狀態(tài)空間控制方法。421、2、36.驅(qū)動器和驅(qū)動系統(tǒng)6.1驅(qū)動系統(tǒng)的特性；6.2驅(qū)動系統(tǒng)的比較；6.3液壓與氣動驅(qū)動器；6.4電機；6.5電機的微處理器控制；6.6減速器和其他系統(tǒng)。教學要求：使學生了解驅(qū)動系統(tǒng)的特性；驅(qū)動系統(tǒng)的比較；理解液壓與氣動驅(qū)動器；電機；掌握電機的微處理器控制；了解減速器和其他系統(tǒng)。重點：電機的微處理器控制；難點：電機的微處理器控制。2017.工業(yè)機器人傳感器7.1工業(yè)機器人用傳感器的特性與使用；7.2工業(yè)機器人位置傳感器；7.3速度傳感器；7.4加速度傳感器；7.5力和壓力傳感器；7.6可見光和紅外傳感器；7.7視覺和語音系統(tǒng)。教學要求：使學生了解工業(yè)機器人用傳感器的特性與使用；熟悉工業(yè)機器人位置傳感器；速度傳感器；加速度傳感器；力和壓力傳感器；掌握可見光和紅外傳感器；視覺和語音系統(tǒng)。重點：可見光和紅外傳感器；難點：視覺和語音系統(tǒng)。2018.視覺系統(tǒng)圖像處理和分析8.1基本概念；8.2傅里葉變換及頻譜；8.3噪聲與邊緣；8.4分辨率和量化；8.5采樣理論和圖像處理技術(shù)；8.6直方圖和閾值；8.7空域操作與連通性；8.8降噪與邊緣檢測；8.9銳化與霍夫變換；8.10分割與二值形態(tài)；8.11灰度形態(tài)與圖像分析；8.12特征與深度測量；8.13數(shù)據(jù)壓縮與彩色圖像。教學要求：使學生掌握傅里葉變換及頻譜；噪聲與邊緣；分辨率和量化；采樣理論和圖像處理技術(shù)；直方圖和閾值；空域操作與連通性；降噪與邊緣檢測；銳化與霍夫變換；分割與二值形態(tài)；灰度形態(tài)與圖像分析；特征與深度測量；數(shù)據(jù)壓縮與彩色圖像。重點：采樣理論和圖像處理技術(shù)；難點：特征與深度測量。821、2、3合計2662.實驗部分實驗部分的教學內(nèi)容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學時對應(yīng)的課程目標1.工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃實驗內(nèi)容：根據(jù)要求對工業(yè)機器人的軌跡進行規(guī)劃；實驗要求：了解工業(yè)機器人的操作方法方法；能夠正確合理進行路徑規(guī)劃；工業(yè)機器人的實際路徑與規(guī)劃一致。22、32.工業(yè)機器人的運動控制實驗內(nèi)容：基于Matlab進行工業(yè)機器人的PID控制；實驗要求：了解Matlab軟件的基本語法和使用方法；能夠通過Matlab對工業(yè)機器人進行仿真建模；能夠通過Matlab對工業(yè)機器人進行PID控制。22、33.視覺系統(tǒng)圖像處理與分析實驗內(nèi)容：對視覺系統(tǒng)獲取的圖像進行處理與分析；實驗要求：能正確獲取視覺系統(tǒng)的圖像；能選擇合理的圖像處理方法；能選擇適當?shù)膱D像處理軟件；能獨立寫出圖像處理程序；能得到適用的圖像處理結(jié)果。22、3合計6五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學和案例教學等，促進學生積極思考，開發(fā)學生的潛能，培養(yǎng)學生思考問題、分析問題和解決問題的能力；以“少而精”為原則，精選教學內(nèi)容，精講多練；通過課堂教學雙方互相提問，與學生互動，鼓勵學生在課堂上發(fā)表自己的對于智能制造過程中對工業(yè)機器人的見解，加深對知識點的理解，達到課程目標。六、課程資源1.推薦教材：（1）SaeedB,Niku.《機器人學導論》（第二版）[M].電子工業(yè)出版社.2018年.2.參考書：（1）約翰·J·克雷格.《機器人學導論》（原書第4版）[M].機械工業(yè)出版社.2021年.（2）Peter·Croke.《機器人學、機器視覺與控制——Matlab算法基礎(chǔ)》[M].電子工業(yè)出版社.2016年.（3）熊有倫等.《機器人學建模、控制與視覺》[M].華中科技大學出版社.2018年.3.期刊：（1）《機器人》[J].ISSN1002-0446.中國自動化學會與中國科學院沈陽自動化研究所.（2）《機器人技術(shù)與應(yīng)用》[J].ISSN1004-6437.中國兵器工業(yè)集團第二一〇研究所.（3）《計算機工程》[J].ISSN：11396121.中國電子科技集團（4）RoboticsandComputer-integratedManufacturing[J].ElsevierLtd.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）OFweek機器人網(wǎng)./.（2）中國工控網(wǎng)./.（3）中國機器人網(wǎng)./.(4)中國機器人網(wǎng)./.(5)機器人之家./.(6)中國大學MOOC（慕課):/.七、課程考核對課程目標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/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)5（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，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入課程總評成績?！獭獭?13實驗20（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?510作業(yè)15（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?55期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核工業(yè)機器人的機械運動，運動控制理論，驅(qū)動器和傳感器，圖像處理等內(nèi)容。（3）考試題型為：選擇題、簡答題、計算題和編程題等。√√20355合計：100分314623八、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)、實驗、作業(yè)、期末考試等方式對學生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┰嚲沓煽兒瓦^程性考核成績組成。其中：期末試卷成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），試題類型為填空題、選擇題、判斷題、簡答題、計算題和分析題等類型，試卷中基本知識、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%，綜合應(yīng)用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）；過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學大綱各章節(jié)的學時基本成比例。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)12.5%積極參與教學活動，踴躍回答問題、全程參與討論，準確率大于90%。認真參與教學活動，回答問題、參與討論準確率大于80%。偶爾參與教學活動，回答問題、線上討論準確率大于70%。上課不認真，偶爾參與教學活動。上課不認真，不參