《機器人應用技術》教學大綱

《機器人應用技術》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：22159011課程性質：專業(yè)選修課學分：2學分學時：32學時（理論24學時，實驗8學時）先修課程：高等數(shù)學、線性代數(shù)、機械原理和理論力學等后續(xù)課程：機電一體化系統(tǒng)設計、機電綜合創(chuàng)新設計適用專業(yè)：機械電子工程專業(yè)、機械電子工程專業(yè)（專升本）開課單位：智能工程學院一、課程說明《機器人應用技術》是機械電子工程專業(yè)的專業(yè)選修課。本課程主要是學習機器人學的基礎知識，包括機器人的機械結構、運動學、動力學、控制基礎以及機器人常用傳感器等。注重機械人學的運動學、動力學部分的學習，包括齊次坐標變換、D-H參數(shù)法等內(nèi)容，培養(yǎng)學生能夠將簡單的實際問題抽象為數(shù)學模型并加以分析的能力。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：能正確運用機器人技術參數(shù)、機械結構、機器人運動學與動力學、機器人控制技術、機器人傳感器等主要內(nèi)容知識分析工程需求，具備機器人產(chǎn)品設計與開發(fā)、運動學及動力學建模與仿真、機器人控制等能力；了解工業(yè)機器人發(fā)展歷史、發(fā)展趨勢、其它應用等。課程目標2：掌握工業(yè)機器人分類、機械結構組成、坐標系變換、動力學建模等基本知識，能夠合理選擇機器人種類和設計機器人應用方案。課程目標3：引導學生利用科學辯證法看待和解決問題；激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當，培養(yǎng)學生的大國工匠精神、團隊協(xié)作能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維；樹立正確的勞動觀念，形成良好的勞動習慣，具有勞動精神和勞動能力。三、課程目標與畢業(yè)要求《機器人應用技術》課程教學目標對機械電子工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度1.工程知識:能夠將數(shù)學、自然科學、工程基礎和機械電子工程專業(yè)知識用于解決復雜工程問題。1．1掌握數(shù)學知識并能將其用于解決機械電子工程問題。課程目標1：掌握機器人學的基礎知識，包括機器人機械機構組成、運動學、動力學、控制基礎等內(nèi)容。M2.問題分析：能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜的機械電子領域工程問題，以獲得有效結論。2．2能應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理和方法，對機械設計、制造及其自動化領域/系統(tǒng)的復雜工程問題進行識別和描述。課程目標2：能夠對于實際較為復雜的機器人系統(tǒng)，通過數(shù)學的方法建立其模型，并加以分析；培養(yǎng)學生不怕困難，勇于迎接挑戰(zhàn)的科學精神。M注：表中“H（高）、M（中）、L（弱）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(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的課程目標1.概述1.1機器人概述1.2機器人的分類1.3工業(yè)機器人的組成與技術參數(shù)1.4春秋時期的木鳥、三國時期的木牛流馬、張衡發(fā)明的“候風地動儀”——幾千年的文明史和悠久的傳統(tǒng)文化，進而激發(fā)學生的愛國情懷。教學要求：（1）了解機器人的由來及發(fā)展；（2）掌握機器人的分類、組成以及主要技術參數(shù)。重點：機器人的分類、組成。難點：機器人的技術參數(shù)。、21、32.機器人的機械結構2.1驅動機構2.2機身和臂部結構2.3腕部結構2.4手部結構2.5行走機構2.6中國第一臺弧焊機器人華宇I型背后的故事—自主創(chuàng)新精神、責任與擔當。教學要求：（1）掌握機器人的機械結構組成；（2）熟悉機器人的驅動機構組成及原理；（3）熟悉機器人其他各部分機構的組成及原理。重點：機器人的機械結構組成、驅動機構以及其他各部分機構。難點：機器人的驅動機構。422、33.機器人的運動學3.1概述3.2物體在空間中的位姿描述3.3其次坐標變換3.4變換方程的建立3.5RPY角和歐拉角3.6機器人連桿D-H參數(shù)及其坐標變換3.7中國在機器人運動學研究方面的最新成果和技術，致敬默默無私奉獻的國家科技工作者教學要求：（1）掌握機器人的位置和姿態(tài)的表示方法；（2）掌握機器人位姿描述、坐標變換、齊次坐標變換；（3）掌握機器人的連桿D-H參數(shù)，并可以簡單實際應用的正運動學求解。重點：機器人的齊次坐標變換、D-H參數(shù)。難點：D-H參數(shù)。641、34.機器人的動力學初步4.1速度雅克比矩陣及速度分析4.2力雅克比矩陣及靜力分析4.3動力學分析教學要求：（1）掌握速度雅克比矩陣、力雅克比矩陣；（2）掌握利用拉格朗日法對機器人的簡單動力學問題求解。重點：速度雅克比矩陣、力雅克比矩陣。難點：機器人動力學分析。421、25.機器人的控制基礎5.1機器人的控制系統(tǒng)和控制方式5.2單關節(jié)機器人模型和控制5.3基于關節(jié)坐標的控制教學要求：（1）掌握機器人的控制系統(tǒng)與控制方式；（2）熟悉單關節(jié)機器人模型的建立過程；（3）了解基于關節(jié)坐標的控制。重點：單關節(jié)機器人模型與控制。難點：基于關節(jié)坐標的控制。41、26.機器人的感覺系統(tǒng)6.1機器人傳感器概述6.2位置和位移傳感器6.3速度傳感器6.4中天智領人機交互系統(tǒng)——核心技術應牢牢掌握教學要求：（1）熟悉機器人傳感技術；（2）了解不同的內(nèi)、外傳感器在機器人中應用。重點：機器人傳感技術、內(nèi)、外傳感器。難點：內(nèi)、外傳感器。21、37.機器人在不同應用領域的舉例7.1機器人的應用準則和步驟7.2焊接機器人系統(tǒng)及應用7.3噴涂機器人機系統(tǒng)應用教學要求：了解機器人在不同領域的應用。重點：焊接、噴涂機器人系統(tǒng)及應用。難點：焊接、噴涂機器人系統(tǒng)及應用。21、2合計2482.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的課程目標1.機構認識實驗實驗內(nèi)容：介紹機器人的各種機構組成及機械結構組成。實驗要求：清楚觀察機器人的傳動機構組成。21、32.機器人運動學實驗實驗內(nèi)容：利用仿真軟件學習齊次坐標變換、D-H參數(shù)得建立以及求解正、逆運動學問題。實驗要求：對實驗室機器人進行粗略測繪，并建立起其D-H參數(shù)41、2、33.機器人動力學實驗實驗內(nèi)容：利用仿真軟件對機器人進行簡單的動力學分析并求解。實驗要求：已知六關節(jié)機器人的位移、速度以及加速度，求解加在各個關機的驅動力矩。21、2合計8五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，結合討論、案例、實驗等教學手段完成課程教學任務和相關能力的培養(yǎng)。使學生掌握仿機器人學的基礎知識，同時使學生具備對簡單的實際的機器人系統(tǒng)建立其模型并加以分析的能力。在實驗教學環(huán)節(jié)中，通過任務式教學、討論式教學加深學生對機器人機構、運動學、動力學的認識，培養(yǎng)學生自主學習能力、激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。六、課程資源庫1.教材：韓建海著.《工業(yè)機器人》（第四版）[M].武漢：華中科技大學出版社,2022年.2.參考書：（1）芮延年主編.《機器人技術及其應用》[M].北京：化學工業(yè)出版社,2008年.（2）張憲民主編.《機器人技術及其應用》（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社,2017年.（3）楊杰忠主編.《工業(yè)機器人技術及其應用》[M].北京：機械工業(yè)出版社,2017年.3.期刊：（1） 范李平,熊威,吳喜春等.一種高壓開關室懸掛軌道式智能巡檢機器人的設計與應用[J].電氣開關.2021,59(04):14-18.（2） 董鵬濤.焊接機器人在結構件生產(chǎn)制造中的應用[J].陜西煤炭.2021,40(S1):158-160.（3） 林雅峰.一種軌道式巡檢機器人系統(tǒng)技術開發(fā)與應用[J].機械制造與自動化.2021,50(04):162-165.（4） 羅傳孝,劉輝,張子彬.焊接機器人的選擇和應用[J].科學技術創(chuàng)新.2021,(24):173-174.（5） A.S.M.,AkhtarH.F.,HabibahH.Robotapplicationsforautism:acomprehensivereview[J].DisabilityandRehabilitation:AssistiveTechnology.2021,16(6).4.網(wǎng)絡資源：（1）/course/1452.html.東南大學《機器人技術》精品專業(yè)課.（2）/中國機器人網(wǎng).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課程報告成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表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)8（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?32實驗12（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質量單獨評分，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?52作業(yè)20（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?84期末課程報告60（1）報告成績100分，以報告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）主要考核機器人機械結構、運動學、動力學、控制基礎、傳感器等內(nèi)容。（3）報告內(nèi)容為：背景現(xiàn)狀、內(nèi)容設計、總結、參考文獻、報告質量格式等?！獭獭?03010合計：100分364618八、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)、期末課程報告等方式對學生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┱n程報告和過程性考核成績組成。其中：期末課程報告成績?yōu)?00分（權重60%），包括背景現(xiàn)狀、內(nèi)容設計、總結、參考文獻、報告質量格式等；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權重40%）。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)20積極參與教學活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。認真參與教學活動，回答問題準確率大于80%。偶爾參與教學活動，回答問題準確率大于70%。上課不認真，偶爾參與教學活動。上課不認真，不參與教學活動。作業(yè)50作業(yè)完整，思路清晰，準確率大于90%，字跡工整。作業(yè)完整，準確率大于80%，字跡工整。不交作業(yè)2次以內(nèi)，準確率大于7