《工業(yè)機器人設計與集成》課程教學大綱

PAGEPAGE10《工業(yè)機器人設計與集成》課程教學大綱一、課程基本信息課程名稱工業(yè)機器人設計與集成課程編號課程性質選修課課程類別專業(yè)選修課程開課單位機電教研室授課學期第7學期學分/學時2/32課內學時32理論授課32上機學時0課內實踐0實驗學時0課外學時32適用專業(yè)機械電子工程專業(yè)是否雙語否先修課程高等數(shù)學、線性代數(shù)、計算方法、C語言程序設計、理論力學、電工電子學、控制工程基礎、機械原理、機械設計后續(xù)課程機器人編程與實踐工業(yè)機器人應用技術二、課程簡介工業(yè)機器人設計與集成是機械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，主要介紹機器人學的基本理論、工業(yè)機器人的基本概念、分類、結構特點、控制技術、編程技術及應用維護技術、機器人實際設計及工程應用中應該注意的問題和一些關鍵技術。機器人技術是融合了機械工程、電子技術、傳感器、計算機硬件、軟件、人工智能等許多學科的知識，涉及到當今許多前沿領域的技術，是一門理論與應用相結合的課程，代表了機電一體化的最高成就，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，工業(yè)機器人設計與應用課程涵蓋了機械工程、控制論、計算機技術、信息與傳感技術、人工智能等諸多學科領域的知識，包括工業(yè)機器人的分類、機械系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計、機器人測試、機器人編程及應用，是一門理論與應用相結合的課程。三、課程目標及對畢業(yè)要求指標點的支撐（一）課程目標課程目標1：素質思政目標厚植中華傳統(tǒng)美德，弘揚民族精神和時代精神，激發(fā)學生求知熱情、探索和創(chuàng)新精神，使學生善于思考、勇于實踐，重視自主研發(fā)、注重自主知識產權，同時讓學生意識到國內科技發(fā)展的突出實力，增強學生對祖國的自信心、民族自豪感和責任心。課程目標2：知識目標通過本課程的學習，使學生了解工業(yè)機器人關鍵技術，使學生對機器人及其相關理論和技術有一個全面、深入的認識，培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎理論和專業(yè)知識進行機器人及其它機電裝備的分析、研究及創(chuàng)新設計能力，并了解機器人技術領域的最新發(fā)展動態(tài)。課程目標3：能力目標學會設計工業(yè)機器人；具備機器人的應用能力。掌握機器人的設計、操作、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場應用及維護技術。通過本課程的學習，能夠培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，解決機器人應用方面的相關問題的能力。（二）課程目標對畢業(yè)要求指標點的支撐課程目標支撐畢業(yè)要求指標點畢業(yè)要求課程目標16.2能夠分析評價本專業(yè)工程實踐和工程方案對社會、健康、安全、法律以及文化方面的影響，并理解應承擔的責任。6.工程與社會課程目標21.4能夠將機械設計、制造的專門知識用于機械工程問題解決方案的設計與改進。1-工程知識課程目標33.3能夠設計滿足特定需求的機械系統(tǒng)、單元（部件）或電氣控制系統(tǒng)或測控系統(tǒng)，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。4.1能夠基于科學原理并采用科學方法，針對機械電子工程領域復雜工程問題，探討分析解決方案；3.設計/開發(fā)解決方案4.研究四、課程基本教學內容及對課程目標的支撐（一）課程基本教學內容理論課程第一單元工業(yè)機器人緒論（學時數(shù)：2學時）1.課程主要內容工業(yè)機器人的機器人定義、工業(yè)機器人的分類、戰(zhàn)略地位、發(fā)展狀況和行業(yè)應用。工業(yè)機器人的組成、機械結構和技術指標；工業(yè)機器人關鍵技術。2.重點和難點重點：工業(yè)機器人的組成、工業(yè)機器人關鍵技術。難點：工業(yè)機器人關鍵技術。3.教學方法課堂講授、案例分析、實驗操作。4.學生學習預期成果說出工業(yè)機器人的戰(zhàn)略地位、發(fā)展狀況和行業(yè)應用；描述工業(yè)機器人的組成、機械結構；描述工業(yè)機器人技術指標；說出運工業(yè)機器人關鍵技術。5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2。第二單元機器人運動學及動力學（學時數(shù)：2學時）1.課程主要內容位姿和坐標系描述，平移和旋轉齊次坐標變換、機器人運動方程的表示，機器人運動方程的正解與逆解求解方法。機器人運動分析及綜合，機器人運動方程的表示，操作臂動力學方程的計算方法，復雜操作臂動力學方程的計算。2.重點和難點重點：機器人運動方程的表示；操作臂動力學方程的計算方法。難點：操作臂動力學方程的計算方法，復雜操作臂動力學方程的計算。。3.教學方法課堂講授、案例分析。4.學生學習預期成果描述位置位姿、旋轉矩陣、平移坐標變換、旋轉變換、復合變換等概念，能進行機器人運動分析寫出機器人運動方程。能根據(jù)具體操作臂求出操作臂動力學方程。5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2、課程目標3。第三單元工業(yè)機器人機械設計及性能測試（學時數(shù)：8學時）1.課程主要內容工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)組成、機器人關節(jié)及自由度。工業(yè)機器人本體材料，機器人傳動機構，典型的工業(yè)機器人機構，工業(yè)機器人系統(tǒng)性能測試指標。 2.重點和難點重點：工業(yè)機器人本體材料，機器人傳動機構，典型的工業(yè)機器人機構。難點：機器人傳動機構，典型的工業(yè)機器人機構。3.教學方法課堂講授、案例分析、分組討論、實驗操作。4.學生學習預期成果說出工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)組成、機器人關節(jié)及自由度。能根據(jù)工業(yè)機器人本體的使用工況選擇本體材料，能設計選擇機器人傳動機構，能設計典型的工業(yè)機器人，說出工業(yè)機器人系統(tǒng)性能測試指標。 5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2、課程目標3。第四單元工業(yè)機器人驅動與控制（學時數(shù)：4學時）1.課程主要內容工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)中的電機驅動器、液壓驅動器、氣動驅動器的工作原理、結構、特點，工業(yè)機器人控制器技術現(xiàn)狀，機器人控制系統(tǒng)的主要構成、各功能單元、經典控制方法，機器人現(xiàn)代控制方法。2.重點和難點重點：工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)中的電機驅動器，機器人控制系統(tǒng)的主要構成。難點：機器人現(xiàn)代控制方法。3.教學方法課堂講授、案例分析、分組討論。4.學生學習預期成果說出工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)中的電機驅動器、液壓驅動器、氣動驅動器的工作原理、結構、特點，工業(yè)機器人控制器技術現(xiàn)狀，掌握機器人控制系統(tǒng)的主要構成、各功能單元、經典控制方法，說出機器人現(xiàn)代控制方法。5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2、課程目標3。第五單元機器人機構及驅動系統(tǒng)優(yōu)化（學時數(shù)：4學時）1.課程主要內容機器人機構優(yōu)化形式、優(yōu)化指標、優(yōu)化流程、優(yōu)化算法，機器人有限元建模、機器人彈性動力仿真、機器人動態(tài)特性優(yōu)化方法，混合變量遺傳算法、優(yōu)化模型求解方法。2.重點和難點重點：機器人機構優(yōu)化形式、優(yōu)化指標、優(yōu)化流程、優(yōu)化算法。難點：機器人動態(tài)特性優(yōu)化方法，混合變量遺傳算法、優(yōu)化模型求解方法。3.教學方法課堂講授、案例分析、分組討論。4.學生學習預期成果闡述機器人機構優(yōu)化形式、優(yōu)化指標、優(yōu)化流程、優(yōu)化算法，了解機器人有限元建模、機器人彈性動力仿真、機器人動態(tài)特性優(yōu)化方法，了解混合變量遺傳算法、優(yōu)化模型求解方法。5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2、課程目標3。第六單元機器人編程及操作（學時數(shù)：4學時）1.課程主要內容在線編程、離線編程，上位機軟件設計方法、下位機軟件設計方法，工業(yè)機器人硬件連接、I/O設置，機器人操作安全注意事項和設備的維護。2.重點和難點重點：工業(yè)機器人硬件連接、I/O設置。難點：上位機軟件設計方法、下位機軟件設計方法。3.教學方法課堂講授、案例分析。4.學生學習預期成果描述在線編程、離線編程，上位機軟件設計方法、下位機軟件設計方法。闡述機器人操作安全注意事項和設備的維護，能進行工業(yè)機器人硬件連接、I/O設置。5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2。第七單元典型工業(yè)機器人系統(tǒng)應用（學時數(shù)：6學時）1.課程主要內容焊接機器人、搬運機器人、噴涂機器人、裝配機器人的應用。工業(yè)機器人柔性制造線應用。2.重點和難點重點：工業(yè)機器人柔性制造線應用。難點：工業(yè)機器人柔性制造線應用。3.教學方法課堂講授、案例分析、實驗操作。4.學生學習預期成果能對工業(yè)機器人柔性制造線進行軟硬件配置，描述焊接機器人、搬運機器人、噴涂機器人、裝配機器人的應用。5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2、課程目標3。第八單元工業(yè)機器人智能應用技術（學時數(shù)：2學時）1.課程主要內容工業(yè)機器人傳感器，視覺傳感器，觸覺傳感器，位置傳感器，接近覺傳感器選型及應用，多感覺智能機器人系統(tǒng)結構。2.重點和難點重點：接近覺傳感器選型及應用。難點：多感覺智能機器人系統(tǒng)結構。3.教學方法課堂講授、案例分析、分組討論。4.學生學習預期成果描述對工業(yè)機器人傳感器，視覺傳感器，觸覺傳感器，位置傳感器。能根據(jù)具體情況選擇接近覺傳感器并能應用。描述多感覺智能機器人系統(tǒng)結構5.支撐課程目標課程目標1、課程目標2。（二）課程基本教學內容對課程目標的支撐理論課程課程教學內容教學方法支撐的課程目標學時安排課內課外學時比例第一單元工業(yè)機器人緒論課堂講授、案例分析課程目標1、221:1第二單元機器人運動學及動力學課堂講授、案例分析課程目標1、2、321:1第三單元工業(yè)機器人機械設計及性能測試課堂講授、案例分析分組討論、實驗操作課程目標1、2、381:1第四單元工業(yè)機器人驅動與控制課堂講授、案例分析分組討論課程目標1、2、341:1第五單元機器人機構及驅動系統(tǒng)優(yōu)化課堂講授、案例分析分組討論課程目標1、2、341:1第六單元機器人編程及操作課堂講授、案例分析、實驗操作課程目標1、2、341:1第七單元典型工業(yè)機器人系統(tǒng)應用課堂講授、案例分析課程目標1、2、361:1第八單元工業(yè)機器人智能應用技術課堂講授、案例分析分組討論課程目標1、221:1合計321:1五、課程考核及對課程目標的支撐（一）課程考核課程成績構成（百分制）課程成績構成比例考核環(huán)節(jié)目標分值考核/評價細則平時成績65%課后作業(yè)40作業(yè)的成績給定均10分滿分記。最終折算為40分小組討論20根據(jù)討論內容優(yōu)劣給小組打分，各小組內根據(jù)任務分派組內為每個人打分。最終總成績按比例折算為20分。隨堂測驗30課堂根據(jù)需要隨時安排測驗，根據(jù)題目難度，數(shù)量靈活設置分值。最終按比例折算為30分。課堂表現(xiàn)10根據(jù)課堂反饋，討論，發(fā)言等情況打分，次數(shù)不限，每次1~2分，最終按比例折算為10分。期末考試35%知識401.考核內容：所有教學內容2.考試題型：簡答題；分析題3.評價細則：采用線下答題，共計100分。能力40綜合應用15創(chuàng)新5（二）課程考核對課程目標的支撐教學內容考核內容考核方式支撐的課程目標第一單元工業(yè)機器人緒論1．1機器人的定義與發(fā)展1．2工業(yè)機器人的分類1．3工業(yè)機器人的應用1．4工業(yè)機器人的關鍵技術1．5工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢課堂表現(xiàn)隨堂測驗期末考試課程目標1、2第二單元機器人運動學及動力學2．1機器人運動方程表示2．2機器人運動方程求解2．3機器人運動分析2．4機器人系統(tǒng)動力學課堂表現(xiàn)隨堂測驗小組討論期末考試課程目標1、2、3第三單元工業(yè)機器人機械設計及性能測試3．1工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)組成3．2機器人關節(jié)及自由度3．3工業(yè)機器人本體材料選擇3．4機器人傳動機構3．5典型工業(yè)機器人設計3．6工業(yè)機器人系統(tǒng)性能測試課堂表現(xiàn)隨堂測驗課后作業(yè)小組討論實驗過程期末考試課程目標1、2、3第四單元工業(yè)機器人驅動與控制4．1工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)4．2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)結構4．3機器人控制理論及方法4．4機器人控制系統(tǒng)工程實現(xiàn)課堂表現(xiàn)隨堂測驗課后作業(yè)小組討論期末考試課程目標1、2、3第五單元機器人機構及驅動系統(tǒng)優(yōu)化5．1工業(yè)機器人優(yōu)化指標及方法5．2面向動態(tài)性能的機器人機構系統(tǒng)優(yōu)化5．3面向動態(tài)性能的機器人驅動系統(tǒng)優(yōu)化課堂表現(xiàn)隨堂測驗課后作業(yè)小組討論期末考試課程目標1、2、3第六單元機器人編程及操作6．1機器人編程6．2機器人軟件設計6．3機器人操作課堂表現(xiàn)隨堂測驗實驗過程期末考試課程目標1、2、3第七單元典型工業(yè)機器人系統(tǒng)應用7．1焊接機器人應用7．2搬運機器人應用7．3噴涂機器人應用7．4裝配機器人應用7．5工業(yè)機器人柔性制造線應用實例課堂表現(xiàn)隨堂測驗課后作業(yè)期末考試課程目標1、2、3第八單元工業(yè)機器人智能應用技術8．1工業(yè)機器人傳感及控制8．2視覺傳感及應用8．3力覺傳感及應用課堂表現(xiàn)隨堂測驗課后作業(yè)小組討論期末考試課程目標1、2六、使用教材、相關推薦書目及課程資源（一）使用教材李瑞峰編著，工業(yè)機器人設計與應用.哈爾濱工業(yè)大學出版社，2015（二）相關推薦書目[1]（美）克來格（Craig,J.J）著，贠超等譯.機器人學導論（原書第3版），機械工業(yè)出版社，2006[2]（美）克來格（Craig,J.J）著，機器人學導論（英文版第3版），機械工業(yè)出版社，2005[3]蔡自興，謝斌編著，機器人學（第三版），清華大學出版社，2015[4]葉暉編著，工業(yè)機器人實操與應用技巧（第2版）.機械工業(yè)出版社，2017[5]葉暉編著，工業(yè)機器人工程應用虛擬仿真教程.機械工業(yè)出版社，2014（三）課程資源1.工業(yè)機器人技術：學習通.唐山學院.李慎旺./mooc-ans/mycourse/teachercourse?moocId=2127