重載機器人技術(shù) 教學(xué)大綱

《重載機器人技術(shù)》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程中文名稱重載機器人技術(shù)課程代號課程英文名稱Heavy-dutyRobotTechnology課程性質(zhì)專業(yè)主干必修課開課學(xué)期3-1總學(xué)時40學(xué)分2.5實驗/上機學(xué)時4授課語言中文適用專業(yè)機器人工程專業(yè)先修課程機械制圖、機械原理、理論力學(xué)等教材熊曉燕、張金柱.《重載機器人技術(shù)》，機械工業(yè)出版社主要參考資源[1]機器人學(xué)導(dǎo)論約翰J.克雷格著.機械工業(yè)出版社[2]機器人機構(gòu)學(xué)劉辛軍、于靖軍、孔憲文編著機械工業(yè)出版社[3]高等空間機構(gòu)學(xué)黃真、趙永生、趙鐵石著，高等教育出版社二、課程性質(zhì)和目標(biāo)1.課程性質(zhì)《重載機器人技術(shù)》是機器人工程專業(yè)核心課程，聚焦該領(lǐng)域技術(shù)知識傳授。課程注重理論與實踐結(jié)合，包含力學(xué)、運動學(xué)等理論，借助實驗、課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。其基礎(chǔ)性顯著，為后續(xù)深造及科研、工程實踐打基礎(chǔ)。課程具有高度綜合性，融合多學(xué)科知識，要求學(xué)生具備跨學(xué)科知識運用及問題解決能力，凸顯學(xué)科交叉特點。2.課程目標(biāo)課程目標(biāo)1：通過教學(xué)，讓學(xué)生了解工業(yè)機器人發(fā)展歷程，掌握重載機器人定義、組成、參數(shù)、趨勢，熟悉其機構(gòu)種類、組成、自由度分析與運動原理，以及多自由度空間機構(gòu)相關(guān)知識。課程目標(biāo)2：使學(xué)生初步掌握重載機器人機構(gòu)的運動學(xué)、靜力學(xué)、動力學(xué)分析方法，以及機構(gòu)設(shè)計、構(gòu)型綜合、控制與傳感系統(tǒng)等設(shè)計。能運用知識，掌握基于機構(gòu)設(shè)計相關(guān)裝備的技能，具備理論轉(zhuǎn)化為設(shè)計的初步能力。?課程目標(biāo)3：利用工程實例與實踐環(huán)節(jié)，如課后習(xí)題、實驗等，增強學(xué)生工程意識，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，提高解決工程問題的能力，讓學(xué)生掌握機器人工程專業(yè)基礎(chǔ)知識，為后續(xù)工作奠基。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的支撐關(guān)系畢業(yè)要求畢業(yè)要求指標(biāo)點課程目標(biāo)1231具有良好的人文社會科學(xué)素養(yǎng)、較強的社會責(zé)任感和良好的工程職業(yè)道德（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)8）1.1具有良好的人文社會科學(xué)素養(yǎng)，能夠樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀1.2能夠堅持道德上正確的主張，堅持實踐正義的原則；愿為社會做出奉獻，具有較強的社會責(zé)任意識；樹立全心全意為人民服務(wù)的職業(yè)思想，忠于職守，遵紀(jì)守法，團結(jié)協(xié)作，熱愛本職工作，刻苦鉆研職業(yè)技術(shù)與業(yè)務(wù)，在職業(yè)活動中發(fā)揮創(chuàng)造才能1.3能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責(zé)任2具有解決機械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題所需的相關(guān)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)1）2.1掌握機械工程工作所需的相關(guān)數(shù)學(xué)知識，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題√2.2掌握機械工程工作所需的相關(guān)自然科學(xué)的知識，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題√√√2.3掌握機械工程工作所需的相關(guān)力學(xué)及熱流體基礎(chǔ)知識，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題2.4掌握機械工程工作相關(guān)的電工電子技術(shù)、材料科學(xué)及工程圖學(xué)基礎(chǔ)知識，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題√√√2.5掌握機械工程相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題√√√2.6系統(tǒng)掌握機械工程某一專業(yè)方向的專業(yè)知識和技能，并能夠用于解決復(fù)雜機械工程問題√√√3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、并通過文獻研究分析復(fù)雜機械工程問題，以獲得有效結(jié)論。（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)2）3.1能夠運用數(shù)學(xué)與自然科學(xué)的基本概念和語言對工程問題進行識別和描述√3.2能夠運用工程科學(xué)的基本原理對工程問題進行分析和表達√√3.3能夠針對機械系統(tǒng)或過程選擇、建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ停δＰ瓦M行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?，給出解答√√√3.4能夠通過文獻分析，對復(fù)雜工程問題進行研究，獲得有效結(jié)論√√√4能夠針對復(fù)雜機械工程問題設(shè)計滿足特定需求的解決方案，能夠設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、部件、零件，能夠?qū)α慵庸すに嚵鞒毯筒考⑾到y(tǒng)的裝配工藝流程進行設(shè)計，設(shè)計過程中具有創(chuàng)新意識，并能綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)3）4.1能夠根據(jù)用戶需求確定設(shè)計目標(biāo)，針對給定的工程問題提出解決方案√4.2能夠在安全、環(huán)境、法律、技術(shù)經(jīng)濟等現(xiàn)實約束條件下對設(shè)計方案的可行性進行研究√4.3能夠設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、部件、零件4.4能夠?qū)α慵庸すに嚵鞒毯筒考⑾到y(tǒng)的裝配工藝流程進行設(shè)計，對工藝方案進行優(yōu)選，體現(xiàn)創(chuàng)新意識√√4.5能夠用圖紙、報告或?qū)嵨锏刃问匠尸F(xiàn)設(shè)計成果√5能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜機械工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)4）5.1能夠基于科學(xué)原理，通過文獻研究或相關(guān)方法，調(diào)研和分析復(fù)雜工程問題的解決方案5.2能夠根據(jù)對象特征，采用科學(xué)方法，對機械零件、結(jié)構(gòu)、裝置、系統(tǒng)等選擇研究路線、制定實驗方案5.3能夠根據(jù)實驗方案構(gòu)建實驗系統(tǒng)，安全地開展實驗，正確地采集實驗數(shù)據(jù)√5.4能對實驗結(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6掌握文獻檢索、資料查詢及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法，具有在機械工程實踐中開發(fā)、選擇并使用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工程工具的能力，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。（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)5）6.1掌握文獻檢索、資料查詢、調(diào)研的基本方法；掌握運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法；了解專業(yè)常用的現(xiàn)代儀器、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性6.2能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)膬x器、信息資源、工程工具和專業(yè)模擬軟件，對復(fù)雜機械工程問題進行分析、計算與設(shè)計√6.3能夠針對具體的對象，開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，模擬和預(yù)測專業(yè)問題，并能夠分析其局限性7知識面寬廣，了解與機械專業(yè)相關(guān)的職業(yè)和行業(yè)的生產(chǎn)、設(shè)計、研究與開發(fā)的法律、法規(guī)，熟悉環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等方面的方針、政策和法津、法規(guī)等現(xiàn)代社會問題的知識，能正確認(rèn)識機械工程對于客觀世界和社會的影響（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)6、7）7.1了解機械專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)業(yè)政策和法律法規(guī)，理解不同社會文化對機械工程活動的影響√7.2能夠分析和評價機械專業(yè)工程實踐對社會、健康、安全、法律、文化的影響，以及這些制約因素對機械工程項目實施的影響，并理解應(yīng)承擔(dān)的責(zé)任，在法律和制度的框架下展開相應(yīng)工作7.3了解環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的理念和內(nèi)涵，理解科技進步與環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展之間的辯證關(guān)系；能夠站在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度思考專業(yè)工程實踐的可持續(xù)性，評價產(chǎn)品周期中可能對人類和環(huán)境造成的損害和隱患√8具有一定的組織管理能力、溝通協(xié)作能力和人際交往能力以及在團隊中發(fā)揮作用的能力，具有一定的國際視野和跨文化交流、溝通與合作能力；（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)9、10）8.1在復(fù)雜工程活動中，能夠理解和撰寫效果良好的報告和設(shè)計文件，并能進行有效的陳述發(fā)言，表達研究或設(shè)計的具體思想、思路、方案、所采取的措施和效果等，針對交流對象，能夠準(zhǔn)確表達自己的思想8.2具有較強的人際交往能力，能夠在組織內(nèi)外進行較好的交往，包括團隊中成員間的交往、團隊間的交往以及與團隊外環(huán)境的交往，具有良好的理解能力、人際融合能力8.3具有在團隊中發(fā)揮作用的能力，理解團隊合作的重要性，具有在不同的位置上盡其所能、與其他成員協(xié)調(diào)合作的團隊精神和能力8.4具備國際交流能力，能夠與不同國家、不同地域和不同文化背景的專業(yè)工程師和技術(shù)人員開展技術(shù)交流、合作共事9理解并掌握機械工程管理原理與經(jīng)濟決策方法，并能在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)11）9.1掌握機械工程項目中涉及的管理與經(jīng)濟決策方法；了解機械工程及機械產(chǎn)品全周期、全流程的成本構(gòu)成，理解其中涉及的工程管理與經(jīng)濟決策問題。9.2能在多學(xué)科環(huán)境下(包括模擬環(huán)境)，在設(shè)計開發(fā)解決方案的過程中，運用工程管理與經(jīng)濟決策方法?！?0.具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識以及不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力。（對應(yīng)通用標(biāo)準(zhǔn)12）10.1了解知識發(fā)展特點，對終身學(xué)習(xí)的必要性有正確的認(rèn)識10.2掌握自主學(xué)習(xí)的方式方法，具有自我教育和持續(xù)學(xué)習(xí)的能力四、教學(xué)內(nèi)容各環(huán)節(jié)的學(xué)時分配教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容及要求學(xué)時分配理論教學(xué)第一章緒論本章系統(tǒng)性的介紹重載機器人的發(fā)展概況、定義及組成、發(fā)展應(yīng)用、技術(shù)參數(shù)、及發(fā)展趨勢，使學(xué)生對重載機器人技術(shù)課程及歷史有一個基本了解。1重載機器人機構(gòu)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容及基本要求要求學(xué)生了解重載機器人機構(gòu)的基本組成和常見形式，掌握重載機器人自由度分析方法，構(gòu)型綜合方法。培養(yǎng)學(xué)生對機械零部件選型、設(shè)計優(yōu)化的能力。重點：明確自由度的基本概念、計算方法以及與約束的關(guān)系。掌握約束螺旋理論的基本原理。了解構(gòu)型綜合的實際應(yīng)用。難點：自由度約束分析?；诩s束螺旋和集理論的構(gòu)型綜合原理。重載機器人零件設(shè)計。4第三章重載機器人運動學(xué)分析教學(xué)內(nèi)容及基本要求要求學(xué)生掌握機器人位形知識，獲得機器人運動學(xué)模型推導(dǎo)與求解的能力。理解工作空間與速度分析方法。了解運動性能指標(biāo)及誤差分析、建模、標(biāo)定、辨識與補償方法。重點：用旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角、R-P-Y角，旋量的方法描述剛體的運動。學(xué)會推導(dǎo)重載機器人運動學(xué)數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用運動學(xué)模型求解工作空間。難點：旋量描述剛體運動及各旋量關(guān)系。工作空間求解。誤差模型建立與參數(shù)辨識。6重載機器人靜力學(xué)與靜剛度分析教學(xué)內(nèi)容及基本要求要求學(xué)生掌握重載機器人連桿受力分析。理解靜力雅可比矩陣。掌握剛度、柔度概念，學(xué)會基于旋量理論構(gòu)建空間柔度矩陣。掌握機器人靜剛度建模。了解力學(xué)性能評價。重點：連桿受力分析及靜力平衡方程應(yīng)用。靜力雅可比矩陣求解及力映射分析應(yīng)用?；诹ρ趴杀染仃嚨牧W(xué)性能。難點：基于旋量理論的空間柔度矩陣建模。力約束性能評價指標(biāo)。2重載機器人動力學(xué)分析教學(xué)內(nèi)容及基本要求要求學(xué)生掌握重載機器人構(gòu)件線速度、角速度、加速度計算，理解其關(guān)聯(lián)，明確質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、慣性張量概念并能運算。學(xué)會基于牛頓-歐拉和拉格朗日方程進行動力學(xué)建模。了解模態(tài)分析基礎(chǔ)。理解動剛度概念，了解建模及辨識。重點：構(gòu)件加速度、慣性等物理量計算分析。基于牛頓-歐拉與拉格朗日方程的動力學(xué)建模。模態(tài)分析方法。難點：基于拉格朗日方程的動力學(xué)建模。實驗?zāi)B(tài)分析。動剛度建模與辨識。6重載機器人軌跡規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容及基本要求要求學(xué)生掌握重載機器人位形知識，能夠運用運動學(xué)方程、坐標(biāo)系變換等數(shù)學(xué)方法，掌握其位移分析特點與方法，并將這些知識應(yīng)用于軌跡規(guī)劃實踐中。掌握軌跡規(guī)劃的基本方法。掌握軌跡規(guī)劃性能指標(biāo)。重點：掌握運動約束條件，掌握三次多項式軌跡規(guī)劃方法。難點：五次多項式軌跡規(guī)劃方法。時間、能量最優(yōu)軌跡規(guī)劃。8重載機器人運動控制技術(shù)教學(xué)內(nèi)容及基本要求掌握常見通信接口特性、適用場景，能依需求選擇；理解Modbus等常用通信協(xié)議原理。學(xué)習(xí)集中式等控制系統(tǒng)架構(gòu)、原理、優(yōu)缺點，。掌握基于PID的位置控制原理；理解自主任務(wù)規(guī)劃、多機器人協(xié)同控制方法。掌握常用傳感器的工作原理、應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理方法。重點：通信接口與協(xié)議原理及應(yīng)用。搭建控制系統(tǒng)方法。位置、自主任務(wù)規(guī)劃、多機器人協(xié)同控制方法。難點：通信協(xié)議配置。分布式與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)集成調(diào)試。自主任務(wù)規(guī)劃與多機器人協(xié)同控制算法實現(xiàn)與優(yōu)化。6基于強化學(xué)習(xí)的重載機器人的交互控制教學(xué)內(nèi)容及基本要求掌握強化學(xué)習(xí)的基本原理和算法。理解柔順控制算法，掌握算法特點與適用場景。掌握基于力傳感器等外部傳感器的檢測方法和原理。了解基于強化學(xué)習(xí)的碰撞檢測方法。掌握激光雷達等環(huán)境感知與建模理論，了解構(gòu)建環(huán)境地圖的方法。重點：基于強化學(xué)習(xí)重載機器人交互控制策略及碰撞檢測方法。難點：基于強化學(xué)習(xí)的變阻抗位置/力控制策略設(shè)計實現(xiàn)。無外部傳感器的碰撞檢測方法?；趶娀瘜W(xué)習(xí)的在線軌跡規(guī)劃算法。3實驗教學(xué)實驗教學(xué)序號實驗項目名稱學(xué)時實驗類型內(nèi)容提要演示驗證設(shè)計綜合創(chuàng)新1重載機器人的機構(gòu)組成與驅(qū)動方案1√注意實現(xiàn)自鎖與互鎖的方法2重載機器人的運動學(xué)與工作空間驗證1√了解集中控制與分散控制的特點3重載機器人控制系統(tǒng)組成1√正反轉(zhuǎn)控制一定要防止短路，設(shè)置互鎖4重載機器人軌跡規(guī)劃與運動控制1√注意順序控制的邏輯4五、教學(xué)內(nèi)容與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系教學(xué)內(nèi)容課時安排課程目標(biāo)第一章緒論1課程目標(biāo)1第二章重載機器人機構(gòu)設(shè)計4課程目標(biāo)1、2第三章重載機器人的運動學(xué)分析6課程目標(biāo)1、2第四章重載機器人靜力學(xué)與靜剛度分析2課程目標(biāo)1、2第五章重載機器人動力學(xué)分析6課程目標(biāo)1、2第六章重載機器人軌跡規(guī)劃8課程目標(biāo)1、2第七章重載機器人運動控制技術(shù)6課程目標(biāo)1、2第八章基于強化學(xué)習(xí)的重載機器人的交互控制3課程目標(biāo)1、2實驗教學(xué)4課程目標(biāo)3六、課程成績構(gòu)成與考試方式1.課程成績構(gòu)成與考試方式課程成績=平時成績（20%）+期末考試（80%）期末考試方式：閉卷2.課程考核與畢業(yè)要求的關(guān)系課程考核與畢業(yè)要求關(guān)系成績組成考核/評價環(huán)節(jié)所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點平時成績（20分）學(xué)生平時的考勤及作業(yè)（10分）2.5，4.4實驗報告（10分）實驗一5.3實驗二實驗三實驗四期末考試（80分）試題1、2、3、4、5、62.5，4.4，5.3七、課程達成度評價目標(biāo)的依據(jù)與持續(xù)改進目標(biāo)1.課程達成度評價依據(jù)畢業(yè)要求支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點目標(biāo)值2