《機器人工程學(xué)》教學(xué)大綱

《機器人工程學(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：22140161課程性質(zhì)：專業(yè)必修課學(xué)分：2.5學(xué)分學(xué)時：40學(xué)時（理論34學(xué)時，實驗6學(xué)時）先修課程：機器人工程導(dǎo)論、機器人機械基礎(chǔ)等后續(xù)課程：機器人檢測技術(shù)與傳感器、機器人編程與系統(tǒng)集成等適用專業(yè)：機器人工程專業(yè)開課單位：智能工程學(xué)院一、課程說明《機器人工程學(xué)》是機器人工程專業(yè)必修的一門專業(yè)必修課。本課程主要任務(wù)是學(xué)習(xí)機器人學(xué)的起源與發(fā)展、數(shù)理基礎(chǔ)、運動學(xué)的表示與求解、動力學(xué)方程、控制原則和方法、傳感器、軌跡規(guī)劃、程序設(shè)計及機器人的應(yīng)用和展望。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機器人運動方程和動力學(xué)方程的表示及求解，提高學(xué)生的自學(xué)能力、邏輯推理能力、分析計算能力及解決問題的能力，同時為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。本課程注重基本理論知識的深入學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生的自學(xué)能力、邏輯推理能力、分析計算能力及解決問題的能力為目的，強調(diào)培養(yǎng)運用基礎(chǔ)理論知識解決實際中問題的能力，培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、高素質(zhì)、強能力”的人才。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：學(xué)習(xí)機器人學(xué)的起源與發(fā)展，了解機器人的發(fā)展史，掌握機器人運動中的數(shù)理基礎(chǔ)、運動學(xué)和動力學(xué)的表示及求解；學(xué)習(xí)機器人系統(tǒng)的控制原則與方法、程序設(shè)計等。課程目標(biāo)2：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計算能力、科學(xué)歸納能力、運用機器人學(xué)的理論知識分析和解決工程實際問題的能力，具備機器人結(jié)構(gòu)分析、運動控制、傳感器技術(shù)和智能控制等專業(yè)知識，能夠適應(yīng)不斷變化的工作需求，并具有獨立解決問題的能力。課程目標(biāo)3：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新意識與學(xué)術(shù)素養(yǎng)；團隊協(xié)作意識、大膽探索、勇于創(chuàng)新的精神；知行合一、勇于實踐的奮斗者精神；具有愛國情懷，把知識用于社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的偉大實踐中，加速我國從制造大國向智造強國轉(zhuǎn)變的進程。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《機器人工程學(xué)》課程教學(xué)目標(biāo)對機器人工程專業(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)點課程目標(biāo)支撐強度1.工程知識：具有從事機器人工程領(lǐng)域所需的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并能夠綜合應(yīng)用這些知識解決機器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題。1.1掌握機器人工程領(lǐng)域所需數(shù)學(xué)、自然科學(xué)知識，具備理解和表述復(fù)雜工程的計算和分析能力。課程目標(biāo)1：學(xué)習(xí)機器人學(xué)的起源與發(fā)展，了解機器人的發(fā)展史，掌握機器人運動中的數(shù)理基礎(chǔ)、運動學(xué)和動力學(xué)的表示及求解；學(xué)習(xí)機器人系統(tǒng)的控制原則與方法、程序設(shè)計等。H2.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，針對機器人工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，通過查閱文獻資料進行識別、表達和研究分析，掌握對象特性，以獲得有效結(jié)論。2.1應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、計算機、機電控制等基本原理，正確識別表述機器人工程類復(fù)雜問題。課程目標(biāo)2：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計算能力、科學(xué)歸納能力、運用機器人學(xué)的理論知識分析和解決工程實際問題的能力，具備機器人結(jié)構(gòu)分析、運動控制、傳感器技術(shù)和智能控制等專業(yè)知識，能夠適應(yīng)不斷變化的工作需求，并具有獨立解決問題的能力。H3.設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠設(shè)計針對機器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的硬件部件、智能算法、系統(tǒng)集成應(yīng)用，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，并考慮社會、環(huán)境、健康、安全、法律、文化等因素。3.3能夠通過單元集成和優(yōu)化，進行機械電子結(jié)構(gòu)、智能算法、系統(tǒng)集成等部件的應(yīng)用與設(shè)計。課程目標(biāo)2：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計算能力、科學(xué)歸納能力、運用機器人學(xué)的理論知識分析和解決工程實際問題的能力，具備機器人結(jié)構(gòu)分析、運動控制、傳感器技術(shù)和智能控制等專業(yè)知識，能夠適應(yīng)不斷變化的工作需求，并具有獨立解決問題的能力。課程目標(biāo)3：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新意識與學(xué)術(shù)素養(yǎng)；團隊協(xié)作意識、大膽探索、勇于創(chuàng)新的精神；知行合一、勇于實踐的奮斗者精神；具有愛國情懷，把知識用于社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的偉大實踐中，加速我國從制造大國向智造強國轉(zhuǎn)變的進程。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)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.緒論1.1機器人學(xué)的發(fā)展；1.2機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類；1.3機器人學(xué)與人工智能。思政1：我國機器人的發(fā)展史，引入“戰(zhàn)略科學(xué)家，中國機器人之父——蔣新松院士”事跡，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷。教學(xué)要求：理解機器人的由來、定義及機器人學(xué)的發(fā)展；掌握機器人的主要特點、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分類；了解機器人學(xué)與人工智能的關(guān)系及其研究領(lǐng)域有哪些。重點:機器人的定義、主要特點及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。難點:機器人的分類。21、32.數(shù)理基礎(chǔ)2.1位置和姿態(tài)的表示、坐標(biāo)變換、齊次坐標(biāo)變換；2.2物體的變換及逆變換、通用旋轉(zhuǎn)變換。教學(xué)要求：了解如何描述位置、方位和位姿；理解兩種不同的坐標(biāo)變換，即平移坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換；掌握齊次坐標(biāo)變換、物體的變換及逆變換和通用旋轉(zhuǎn)變換。重點：齊次變換、齊次變換的逆變換、通用旋轉(zhuǎn)變換公式難點：齊次變換的逆變換6223.機器人運動學(xué)3.1機器人運動方程的表示；3.2機械手運動方程的求解；3.3PUMA560機器人運動方程。思政2：波斯頓動力公司的發(fā)展史，向處在行業(yè)前端的公司學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感，更加寬闊的視野思考和分析專業(yè)問題。教學(xué)要求：了解運動姿態(tài)和方向角、運動位置和坐標(biāo)及連桿變換矩陣；掌握三種不同機械手運動方程的求解方法；理解PUMA560機器人運動方程。重點：歐拉變換解、滾、仰、偏變換解、球面變換解難點：球面變換解821、2、34.機器人動力學(xué)4.1剛體動力學(xué)；4.2機械手動力學(xué)方程。思政3：動力學(xué)的發(fā)展史。使同學(xué)們了解世界近代科學(xué)的發(fā)展與我國近代科學(xué)的發(fā)展對比，堅定中國共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)，增強文化自信，加深科技報國的家國情懷教學(xué)要求：了解動力學(xué)方程的兩種方法；掌握速度、動能和位能的計算；理解并掌握動力學(xué)方程的推導(dǎo)。重點：動力學(xué)方程的推導(dǎo)難點：動力學(xué)方程的推導(dǎo)61、2、35.機器人控制5.1機器人的基本控制原則；5.2機器人的位置控制、力和位置的混合控制；5.3機器人的智能控制。教學(xué)要求：了解機器人的基本控制原則；掌握機器人的位置控制、力和位置混合控制；理解機器人的智能控制。重點：機器人的力和位置混合控制、機器人的智能控制難點：機器人的智能控制42、36.機器人軌跡規(guī)劃6.1關(guān)節(jié)軌跡的插值計算；6.2笛卡爾路徑軌跡規(guī)劃；6.3規(guī)劃軌跡的實時生成。思政4：講解機器人的運動軌跡映射到人生規(guī)劃要樹立正確的人生觀、價值觀。教學(xué)要求：了解軌跡規(guī)劃應(yīng)考慮的問題；熟練掌握三次多項式插值、過路徑點的三次多項式插值、高階多項式插值及線性插值；理解并掌握軌跡的規(guī)劃及實時生成。重點：不同的插值計算方法、軌跡規(guī)劃及實時生成難點：軌跡的實時生成422、37.機器人編程7.1機器人的編程要求與語言類型、語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能、常用的機器人編程語言；7.2機器人的離線編程及仿真。教學(xué)要求：了解機器人的編程要求與語言類型、語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本功能；掌握常用的機器人編程語言；理解機器人的離線編程及仿真。重點：常用的機器人編程語言、機器人的離線編程及仿真難點：機器人的離線編程及仿真22、38.機器人應(yīng)用及展望8.1應(yīng)用工業(yè)機器人必須考慮的因素；8.2機器人的應(yīng)用領(lǐng)域；8.3機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及計劃。思政5：機器人應(yīng)用。以中國近幾年自主研發(fā)的深海高端裝備，如“蛟龍?zhí)枴薄昂ｑR號”等為引入點，讓學(xué)生體會中國“走向深藍”的決心以及“中國制造2025”實現(xiàn)的信心。民族自豪感與專業(yè)責(zé)任感。教學(xué)要求：掌握機器人的三要素、經(jīng)驗準(zhǔn)則和采用步驟；掌握機器人的不同應(yīng)用領(lǐng)域；機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及計劃。重點：機器人的應(yīng)用領(lǐng)域難點：應(yīng)用工業(yè)機器人必須考慮的因素22、3合計3462.實驗/實踐或上機部分見表3表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.機器人空間位姿描述實驗實驗內(nèi)容：了解如何用Matlab描述位置、方位和位姿；理解用Matlab兩種不同的坐標(biāo)變換，即平移坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。實驗要求：能安裝Matlab和toolbox文件夾；理解位姿的表示方法，不同坐標(biāo)之間的變換。21、22.機器人正運動學(xué)實驗實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)機器人連桿坐標(biāo)系的建立；學(xué)習(xí)DH參數(shù)的建立方法；學(xué)習(xí)連桿變換；學(xué)習(xí)建立機器人的正運動學(xué)方程。實驗要求：掌握運動姿態(tài)和方向角、運動位置和坐標(biāo)及連桿變換矩陣；掌握機械手運動方程的表示方法。22、33.移動機器人動力學(xué)控制實驗內(nèi)容：掌握全向移動機器人各個軟硬件模塊；對構(gòu)建的機器人進行運動學(xué)和動力學(xué)分析；能夠使用無線手柄遙控機器人做各種動作。實驗要求：搭建全向移動機器人硬件模塊化電路，并根據(jù)實際實物連接電路進行編程；調(diào)整系統(tǒng)軟件程序使全向移動機器人能夠正確運動；聯(lián)調(diào)全向移動機器人軟硬件，使機器人能夠直線前進、后退，以及進行轉(zhuǎn)彎驅(qū)動運動，計算全向移動機器人動力學(xué)方程。22、3合計6五、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)、線上線下結(jié)合等，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。學(xué)生比較全面地理解機器人學(xué)的起源與發(fā)展、位姿變化中的數(shù)理關(guān)系、運動學(xué)的表示與求解、機器人動力學(xué)方程的求解、在掌握基本原理和方法的基礎(chǔ)上，具有進行機器人位姿、運動、動力學(xué)方案設(shè)計的初步能力。課程為省級線上線下一流課程，提供靈活的自主學(xué)習(xí)平臺。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生機構(gòu)學(xué)和機器動力學(xué)的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。采用教師講授和學(xué)生動手操作的方法；在實驗前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實驗有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認真閱讀實驗指導(dǎo)書；在實驗中要嚴(yán)格遵守實驗紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實驗結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源庫1.推薦教材：（1）蔡自興,謝斌.《機器人學(xué)》（第四版）[M].北京:清華大學(xué)出版社.2022年.2.參考書：（1）約翰.克雷格.《機器人學(xué)導(dǎo)論》（原書第4版）[M].北京:機械工業(yè)出版社.2018年.（2）（美）SaeedB.Niku.《機器人學(xué)導(dǎo)論—分析、控制及應(yīng)用》（第二版）[M].北京:電子工業(yè)出版社.2018年.（3）熊有倫.《機器人學(xué)：建模、控制與視覺》（第2版）[M].北京:華中科技大學(xué)出版社.2022年.（4）賈瑞清等.《機器人學(xué)——規(guī)劃、控制及應(yīng)用》[M].北京:清華大學(xué)出版社.2022年.3.期刊：（1）P.Liang,X.Gao,Q.Zhang,M.Li,R.Gao,andY.Xu,Analysisandexperimentalresearchonmotionstabilityofwall-climbingrobotwithdoublepropellers[J].AdvancesinMechanicalEngineering,2021,13(9):1–13.（2）S.Nansai,R.E.Mohan,Asurveyofwallclimbingrobots:recentadvancesandchallenges[J].Robotics,2016,5(3):14-19.（3）郭家偉,談波等.爬壁機器人底盤結(jié)構(gòu)全向移動自主控制設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2021(11):158-161.（4）阮曉鋼,郭威等.機器人信息增益RRT環(huán)境探索算法[J].控制與決策,2021,36(11):2683-2689.（5）劉冰,李寧等.等上肢康復(fù)外骨骼機器人控制方法進展研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2020,49(05):643-651.（6）吳超群,郜廣磊等.ABB機器人控制系統(tǒng)I/O模塊擴展方法及工業(yè)應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造.2020(04):274-277.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）中國機器人網(wǎng)./.（2）機器人之家./.（3）機器人工程學(xué)省級線上線下混合式一流課程/course/214535201.html.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/評價細則及對課程目標(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/評價細則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)10（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?42實驗15（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?！?5作業(yè)15（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、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?63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）主要考核機器人的位姿變化、運動學(xué)方程的建立及應(yīng)用、動力學(xué)方程的建議及作用、機器人手臂的軌跡規(guī)劃及最優(yōu)解和機器人Matlab建模等內(nèi)容。（3）考試題型為：填空題、選擇題、判斷題、簡答題、計算題和分析題等?！獭獭?52510合計：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)、實驗、作業(yè)、期末考試等方式對學(xué)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