《机器人技术基础》课程大纲.docx

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《机器人技术基础》课程大纲

《机器人技术基础》课程教学大纲

一、课程名称（中英文）

中文名称：

机器人技术基础

英文名称：

RoboticTechnologyFoundation

二、课程编码及性质

课程编码：

0801051

课程性质：

选修课

三、学时与学分

总学时：

32

学分：

2.0

四、先修课程

机械原理、机械设计、材料加工工程、工业控制

五、授课对象

本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供机械科学与工程专业和机电一体化专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）

本课程是本专业的核心选修课程之一，其教学目的主要包括：

1.系统全面掌握机器人技术专业知识，具备应用这些知识分析、解决机器人应用中的系统集成及其自动化控制等复杂问题的能力；

2.掌握机器人概况、机器人学的数学基础、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制原则与方法、机器人在材料成型加工中的应用以及人工智能，具备针对不同需求设计机器人集成制造/加工系统的能力；

3.理解不同机器人系统架构的特点与共性问题，掌握机器人路径规划与离线仿真分析方法，具备机器人集成系统的性能分析与评价能力；

4.了解机器人技术的发展前沿，掌握其在机械制造、材料成型、医疗、电子、航空航天与资源开发等行业的发展特点与动向，具备研发机器人制造/加工的基础与能力。

表1课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求及其指标点

本课程目标对毕业要求的支撑关系

毕业要求

指标点

毕业要求1：

工程知识

能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。

1.1掌握了用于解决机器人科学与工程复杂问题的数学基础知识。

1.2掌握了用于解决机器人科学与工程复杂问题的物理、化学等自然科学基础知识。

1.3掌握了用于解决机器人科学与工程复杂问题的工程力学基础知识。

1.4掌握了用于解决机器人科学与工程复杂问题的工程检测与控制基础知识。

1.5系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决机器人科学与工程复杂问题。

课程目标1、

课程目标3

毕业要求2：

问题分析

能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

2.1能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

如：

复杂的模具设计。

2.2能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

如：

物理综合实验。

2.3能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

如：

工程力学综合实验。

2.4能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。

如：

工程控制实验中的建模与分析。

毕业要求3：

设计/开发解决方案

能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。

3.1了解机械工程、机器人科学与工程问题特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。

3.2在考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂机器人科学与工程问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定机器人科学与工程需求的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。

课程目标3、

课程目标4

3.3在设计（开发）过程中，具有追求机器人科学与工程复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。

毕业要求4：

研究

能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

4.1掌握材料热加工成形原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计机器人科学与工程（模具）复杂实验、开展科学研究的能力。

4.2掌握机器人科学与工程原理及主要工艺，能够采用科学方法，正确构建并实施机器人科学与工程综合实验，得出正确结果的能力。

4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的机器人科学与工程实验结果进行正确分析能力。

4.4了解常见的机器人科学与工程常用设备、实验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。

课程目标2、

课程目标4

毕业要求5：

使用现代工具

能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

5.1掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。

5.2了解机器人科学与工程专业重要资料来源及获取方法。

5.3具备应用各类文献、信息及资料进行复杂机器人科学与工程实践的能力。

5.4掌握复杂机器人科学与工程问题的预测与模拟方法，理解其局限性。

毕业要求6：

工程与社会

能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

6.1了解与工程相关的国家方针、政策与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。

6.2了解机器人科学与工程专业特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价复杂成型及控制工程问题解决方案的优劣。

6.3能正确认识机器人科学与工程各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能够承担的相应工程和社会责任。

毕业要求7：

环境和可持续发展

能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

7.1了解机器人科学与工程的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。

7.2能正确理解和评价机器人科学与工程复杂问题实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。

7.3在解决复杂的机器人科学与工程的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

毕业要求8：

职业规范

具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。

8.1具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义及其影响。

8.2了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。

8.3在工程实践中，理解工程师的职业性质、职业责任,具备工程师的职业道德

8.4具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。

毕业要求9：

个人和团队

能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。

9.1具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。

9.2具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。

9.3能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。

毕业要求10：

沟通

能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。

并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

10.1较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。

10.2了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。

10.3能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。

毕业要求11：

项目管理

理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

11.1了解机械及材料工程管理和经济决策的基本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。

11.2具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的想法。

11.3具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。

毕业要求12：

终身学习

具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。

12.2能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。

12.3能够适应社会进步与发展，与时代同步。

七、教学重点与难点：

教学重点：

1）机器人应用范围非常广泛，其形式与结构等也多种多样，本课程以介绍机器人系统结构、设计与控制为主体，以讲述机器人集成制造/加工系统为重点；

2）在全面了解与掌握机器人系统种类及结构特点的基础上，重点学习机器人系统设计与控制技术、机器人路径规划、离线仿真以及集成系统设计与实现；

3）课程将重点或详细介绍机器人在机械制造、材料加工工程、先进制造中的典型应用，而对较普遍应用的系统仅作简要介绍或自学。

4）重点学习的章节内容包括：

第3章“机器人运动学与动力学”（4学时）、第4章“机器人的驱动与控制”（4学时）、第5章“机器人轨迹规划及离线仿真”（4学时）第6章“工业机器人应用”（8学时）第7章“机器人系统集成技术”（4学时）。

教学难点：

1）机器人技术基础是一门全面介绍机器人相关知识的课程，涉及到机械、材料、计算机信息、控制工程学、人工智能等学科的交叉领域，本课程密切结合学生的生产实习、课程设计以及机器人焊接实验课等实践环节，培养学生对机器人系统的认识及设计能力，提高授课质量与效果。

2）通过本课程学习，要求掌握各种机器人系统的工作原理、结构特点、应用范围与控制等，具备合理机器人选择及设计机器人集成制造/加工系统，并进行性能评估的综合能力。

八、教学方法与手段：

教学方法：

（1）采用现代化教学方法（含PPT演示，专业影像资料以及企业培训资料等），讲授各种电子制造、电子封装工艺与方法、系统及应用特点，以提高教学效果及效率；

（2）采用课堂教学与学生PPT专题报告、分组讨论等方式，进行课堂互动，吸引学生的注意力、激发学生的学习热情，提高学生的学习效果。

教学手段：

（1）以典型机器人制造/加工系统为讲解对象，深入分析设计需求、机器人工作原理、结构及控制等，使学生具备设计（开发）满足特定应用需求的机器人集成系统的能力；

（2）结合本专业生产实习单位的生产实际以及课题组研究成果，有的放矢地做好课堂教学前的设备样机（可借助图片、影像、教学视频等手段）展示教学；再结合必要的实验教学与实践环节，加深学生对机器人技术的理解与掌握，提高授课质量与效果；

（3）以小班教学模式开战，3位学生为一组，针对特定的机器人制造/加工系统，通过文献阅读及调研，采用PPT进行展示汇报；汇报展示后，小组成员接受课程教师和全体学生的提问，通过讨论交流，提高课堂互动频率与水平。

九、教学内容与学时安排

（1）总体安排

教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

表2基本教学内容与学时安排

序号

课程内容

课堂（学习、讨论）学时

课外（准备、复试、实践）学时

1

绪论

4

4

2

机器人系统结构与分类

4

4

3

机器人运动学与动力学

4

4

4

机器人的驱动与控制

4

4

5

机器人轨迹规划及离线仿真

4

4

6

工业机器人应用

8

8

7

机器人系统集成技术

4

4

（2）具体内容

各章节的具体内容如下：

第1章绪论（4学时）

1.1机器人的由来

1.2机器人定义及机器人三原则

1.3机器人学的进展

1.4机器人学的研究范畴

1.5机器人学的进展

1.6智能机器人

1.7未来机器人发展趋势

第2章机器人系统结构与分类（4学时）

2.1机器人的主要特点

2.2机器人系统的结构

2.3机器人的自由度

2.4机器人的分类

2.5基本部件

2.6工业机器人的操作

2.7运动控制方法

2.8常见机器人类型及主要技术指标分析

2.9机器人接口方式及可扩展接口途径

第3章机器人运动学与动力学（4学时）

3.1机器人运动方程的表示

3.2机械手运动方程的求解

3.3PUMA560机器人运动方程

3.4机器人的雅可比公式

3.5刚体动力学

3.6机械手动力学方程

3.7机器人的动态特性

第4章机器人的驱动与控制（4学时）

4.1机器人的基本控制原则

4.2机器人的智能控制

4.3机器人传感器

4.4运动机器人的传感器及集成控制

4.5基于传感器的机器人智能控制

4.6机器人控制系统功能及基本组成

4.7基于PLC的成型装置控制

4.8工业机器人与PLC控制系统交互

第5章机器人轨迹规划及离线仿真（4学时）

5.1机器人编程要求与语言类型

5.2机器人语言系统结构和基本功能

5.3常用的机器人编程语言及软件

5.4机器人轨迹规划功能分析

5.5功能组成及总体流程

5.6规划规划算法的OpenGL仿真

5.7机器人的离线编程与仿真

第6章工业机器人应用（8学时）

6.1机器人喷涂系统

6.2机器人锻造与铸造系统

6.3机器人焊接系统

6.4汽车白车身焊接生产线分析

6.5先进制造中的机器人应用

6.6电子制造中的机器人应用

第7章机器人系统集成技术（4学时）

7.1计算机控制基础初步

7.2材料加工中机器人系统集成需求分析

7.3机器人通讯接口扩展方式及对比

7.4机器人等离子喷涂系统设计例

7.5机器人等离子喷涂系统功能集成

7.6机器人等离子喷涂系统软件功能集成

（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求

思考题（课后作业）：

第1章思考题：

1、请检索资料分析机器人的工业应用现状，具体分析不同领域的应用比例、应用限制及改进措施。

2、机器人发展历程中你认为关键的障碍是什么？

有什么技术关键？

3、根据个人所掌握知识，试分析机器人的未来发展方向。

4、调研国内机器人公司各自主要的技术水平及核心技术，他们的产品特点及优势所在。

5、工业4.0时代机器人的出路。

第2章思考题：

1、按控制来划分，机器人可以分为操纵机器人、程序机器人、示教再现机器人、数控机器人、智能机器人，请结合实例分析他们的异同。

2、请举例说明机器人智能包括哪些类型和应用。

3、请举例说明机器人特点中的通用性与适应性。

4、机器人的各种感觉如何实现的，举例说明。

5、智能机器人的发展趋势是什么？

第6章思考题：

1、请检索资料分析焊接机器人的工业应用现状以及应用水平，具体分析不同领域的应用比例、应用限制及改进措施。

2、焊接机器人应用过程中关键障碍是什么？

有什么技术关键需要克服或者已经克服？

3、智能焊接机器人目前已经发展到较高水平，请分析焊接机器人的智能主要包括什么，他们应用在哪里？

举例说明。

4、结合机器人运动学、动力学课程，分析喷涂机器人路径规划的特点。

5、根据个人所掌握知识，喷涂机器人需要改善之处在哪里？

6、请检索资料分析铸造机器人的工业应用现状，以及铸造机器人应用中的技术关键是什么？

7、铸造机器人的未来发展之路是什么？

请检索资料分析锻造/锻压机器人的工业应用现状。

第8章思考题：

建立机器人系统的过程中如何做需求分析、机器人与工装的配合、外部轴设计以及机器人运动学及动力学分析？

讨论（思考题及作业）要求：

1、每章节学习结束后，学生都要针对上课教师的课程作业进行PPT汇报，作为平时的作业成绩（按约10%计入课程总成绩）。

2、三位学生为一组，针对特定的机器人制造/加工系统，通过文献阅读及调研，采用PPT进行展示汇报（时间不超过10分钟），其它同学对该学生的汇报情况进行评价与交流。

汇报表现与成绩，按约10%计入课程总成绩。

3、学生也可以结合先进制造中的机器人应用需求，提出一种概念设计或者研究论文综述作为讨论与交流的内容，供同学及上课老师评定。

十、教学参考书及文献

1、《机器人学》，清华大学出版社，2000年，蔡自兴著；

2、《焊接机器人及其应用》，机械工业出版社，2000年，林尚扬等编；

3、《机器人技术基础》，高等教育出版社，2011年，刘极峰主编；

4、《机器人技术及其应用》，电子工业出版社，2000年，张福学编。

十一、课程成绩评定与记载考核方式

1、课程考核及评价细则

课程考核及评价细则，详见表3。

表3课程考核及评价细则

成绩组成

考核/评价环节

分值

考核/评价细则

对应的教学目标

平时成绩

30%

上课表现

10

根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按10%计入课程总成绩。

1、2、3、4

平时作业

10

根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按10%计入课程总成绩。

3、4

交流（读书报告PPT展示等）

10

每位学生，根据自己的兴趣，完成1种典型机器人系统的原理、特点及结构介绍，用PPT展示汇报，成绩按10%计入课程总成绩。

3、4

考试成绩

70%

考试的卷面分数

70

主要考核机器人工作原理、系统结构、控制与驱动、路径规划与离线仿真、集成系统设计等内容，以成绩的70%计入总成绩。

1、2、3、4

2、终结性考试形式：

根据考试试题的难度，可以实施开卷或闭卷考试，以卷面成绩的70%计入总成绩。

撰稿：

《机器人技术基础》课程组

审核：

材料科学与工程学院本科教学指导委员会