《工業(yè)機器人技術(shù)》課程教學(xué)大綱

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1、《工業(yè)機器人技術(shù)》課程教學(xué)大綱 課程編號：S4080370 課程名稱：工業(yè)機器人技術(shù) 課程英文名稱：INDUSTRIAL ROBOT TECHNOLOGY 總學(xué)時：30 講課學(xué)時：26 實驗學(xué)時：4 上機學(xué)時：0 學(xué) 分：2 課程類型：限選課 開課單位：機電工程學(xué)院機械制造及自動化系 授課對象：機電工程學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、其它相關(guān)專業(yè) 先修課程：線性代數(shù)、測試技術(shù)及儀器 開課時間：第七學(xué)期 教材與主要參考書： 尤波、王廣林等編.《工業(yè)機器人技術(shù)》.校內(nèi)講義 陳哲、吉熙章編著.《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》.機械工業(yè)出版社 1994年 蔡自興

2、著.《機器人學(xué)》.清華大學(xué)出版社 2000年 一、課程教學(xué)目的 本課程將系統(tǒng)的介紹機器人技術(shù)的九個重要組成部分的基礎(chǔ)知識，將綜合運用所學(xué)數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子、機械、計算機等多種學(xué)科知識，分析解決機器人學(xué)中的主要問題。培養(yǎng)學(xué)生從事多學(xué)科交叉滲透、綜合運用的科學(xué)研究能力。 二、教學(xué)內(nèi)容及基本要求 （一） 本課程的主要章節(jié) 本課程的主要內(nèi)容有：機器人學(xué)基礎(chǔ)知識，機器人運動學(xué)和動力學(xué)，機器人的軌跡控制和力控制以及機器人中的主要技術(shù)，包括機器人控制器、機器人伺服系統(tǒng)、機器人的語言、機器人的感覺系統(tǒng)和機器人的移動技術(shù)等。 本課程的主要章節(jié)有： 第一章 機器人技術(shù)；（2學(xué)時）

3、機器人學(xué)的發(fā)展史及機器人學(xué)教育、機器人學(xué)的術(shù)語和定義及其與其他學(xué)科的關(guān)系、機器人的分類和組成、操作機幾何學(xué)。 第二章 機器人坐標(biāo)系統(tǒng)；（4學(xué)時） 位置與姿態(tài)、正交坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)動的表示法、齊次變換、機器人的坐標(biāo)系統(tǒng)。 第三章 位置運動學(xué)；（4學(xué)時） 手部位姿與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系——正問題、關(guān)節(jié)變量與手部位姿的關(guān)系——逆問題。 第四章 速度運動學(xué)；（2學(xué)時） 操作機的微分運動、雅可比矩陣及其變換。 第五章 軌跡控制；（2學(xué)時） 軌跡的記錄與再現(xiàn)、笛卡爾運動與軌跡設(shè)計、軌跡控制多項式、笛卡爾控制等。 第六章 機器人動力學(xué)；（2學(xué)時） 動力學(xué)方程的推導(dǎo)、動力學(xué)方程的應(yīng)用。 第七章 力控

4、制與柔性機器人；（3學(xué)時） 位置控制與力控制策略、組合控制策略、柔性機器人系統(tǒng)、力和力矩的直接敏感。 第八章 機器人中的主要技術(shù)；（1學(xué)時） 現(xiàn)代機器人組成和功能、機器人的主要技術(shù)、機器人的分代與技術(shù)內(nèi)容。 第九章 機器人控制器；（1學(xué)時） 機器人控制器功能與組成、機器人控制方式、機器人的示教再現(xiàn)控制、計算機控制。 第十章 機器人伺服系統(tǒng)；（1學(xué)時） 機器人伺服控制的特點、伺服機構(gòu)的分類、控制模型、常用的伺服控制方法。 第十一章 機器人語言；（1學(xué)時） 機器人語言的特點和分類、VAL語言及編程舉例。 第十二章 機器人的感覺技術(shù)；（1學(xué)時） 感覺裝置分類及技術(shù)內(nèi)容、光軸編碼

5、器、觸覺技術(shù)介紹、聽覺技術(shù)介紹、視覺技術(shù)介紹。 第十三章 機器人移動技術(shù)；（1學(xué)時） 移動機構(gòu)、移動方向的誘導(dǎo)方法、移動機器人的追蹤控制。 第十四章 機器人實例與發(fā)展趨勢；（1學(xué)時） 工業(yè)機器人系統(tǒng)實例、機器人發(fā)展趨勢、機器人技術(shù)在我國的迅速發(fā)展。 （二）其他教學(xué)環(huán)節(jié)安排 1、實驗安排4學(xué)時，實驗內(nèi)容有： ①工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)及控制實驗（2學(xué)時）； ②工業(yè)機器人上下料及裝配實驗（2學(xué)時）； （三）考試權(quán)重 平時成績占10﹪，實驗成績占10﹪，期末考試成績占80﹪。 （四）實驗項目明細(xì)表 序號 實驗項目名稱 學(xué)時 實驗 要求 實驗 類型 每組 人數(shù) 1 工

6、業(yè)機器人結(jié)構(gòu)及控制 2 必修 綜合 2 2 工業(yè)機器人上下料及裝配實驗 2 必修 設(shè)計 2 《工業(yè)機器人技術(shù)》課程教學(xué)設(shè)計 （一）基本描述 課程編號：S4080370 課程名稱：工業(yè)機器人技術(shù) 英文譯名：INDUSTRIAL ROBOT TECHNOLOGY 課程學(xué)時：30 講課：26 實驗：4 上機：0 適用專業(yè)：機電工程學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、其他相關(guān)專業(yè) 開課單位：機電工程學(xué)院機械制造及自動化系 開課時間：第七學(xué)期 先修課程：線性代數(shù)、機械工程測試技術(shù) 主要教材及參考書： 尤波、王廣林等編.《工業(yè)機器人技術(shù)》.校內(nèi)講義

7、 陳哲、吉熙章編著.《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》.機械工業(yè)出版社 1994年 蔡自興著.《機器人學(xué)》.清華大學(xué)出版社 2000年 （二）課程的性質(zhì)、研究對象及任務(wù) 工業(yè)機器人技術(shù)是一門機械工程學(xué)科中機電控制及其結(jié)合的專業(yè)模塊課。本課程研究對象是分析解決機器人學(xué)中的主要問題，為以后機電結(jié)合的設(shè)計和使用技術(shù)打下基礎(chǔ)。本課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生從事多學(xué)科交叉滲透、綜合運用的科學(xué)研究能力。 （三）教材的選擇與分析 近年來，國內(nèi)關(guān)于工業(yè)機器人技術(shù)方面的教材和書籍很多。本課程選擇尤波、王廣林等編寫的《工業(yè)機器人技術(shù)》，參考教材選擇陳哲、吉熙章編著《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》（機械工業(yè)出版社）和蔡自興著《機器人

8、學(xué)》（清華大學(xué)出版社）。 （四）本課程各章的主要內(nèi)容與基本要求、重點與難點、學(xué)時分配 第一章 機器人技術(shù)（2學(xué)時） 對機器人學(xué)這門學(xué)科的產(chǎn)生、發(fā)展以及特點等方面的背景有一個概括地介紹。包括機器人學(xué)的發(fā)展史及機器人學(xué)教育、機器人學(xué)的術(shù)語和定義及其與其他學(xué)科的關(guān)系、機器人的分類和組成、操作機幾何學(xué)。 基本要求：了解機器人學(xué)的發(fā)展史及機器人學(xué)教育、掌握機器人學(xué)的術(shù)語和定義，了解其與其他學(xué)科的關(guān)系、掌握機器人的分類和組成、操作機幾何學(xué)。 重點: 機器人的分類和組成、操作機幾何學(xué)。 難點: 操作機幾何學(xué) 第二章 機器人坐標(biāo)系統(tǒng)；（4學(xué)時） 為了表示組成機器人系統(tǒng)的各個元部件的位置和

9、姿態(tài)，表示它們之間的運動關(guān)系，需要采用一套機器人坐標(biāo)系統(tǒng)。包括位置與姿態(tài)、正交坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)動的表示法、齊次變換、機器人的坐標(biāo)系統(tǒng)等知識。 基本要求：掌握位置與姿態(tài)、正交坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)動的表示法、齊次變換、機器人的坐標(biāo)系統(tǒng)等知識。 重點與難點: 正交坐標(biāo)系、齊次變換、機器人的坐標(biāo)系統(tǒng) 重點與難點: 齊次變換 第三章 位置運動學(xué)；（4學(xué)時） 運動學(xué)處理運動的幾何學(xué)以及與時間有關(guān)的量，而不考慮引起運動的力，搞清機器人運動的幾何關(guān)系是認(rèn)識機器人的首要問題。 基本要求：掌握包括手部位姿與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系——正問題、關(guān)節(jié)變量與手部位姿的關(guān)系——逆問題。 重點和難點: 正問題和逆問題 第四章 速

10、度運動學(xué)；（7學(xué)時） 操作機不僅需要達(dá)到某個或一系列的位置，而且需要按給定的速度達(dá)到這些位置，所以要考慮速度運動學(xué)。包括操作機的微分運動、雅可比矩陣及其變換。 基本要求：掌握操作機的微分運動、雅可比矩陣及其變換。 重點和難點: 雅可比矩陣及其變換。 第五章 軌跡控制；（2學(xué)時） 在工程應(yīng)用中經(jīng)常需要使操作機在空間一系列的給定點上平穩(wěn)的運動，因此就涉及到軌跡控制的問題，屬于運動學(xué)的范疇。包括軌跡的記錄與再現(xiàn)、笛卡爾運動與軌跡設(shè)計、軌跡控制多項式、笛卡爾控制等。 基本要求：了解軌跡的記錄與再現(xiàn)、掌握笛卡爾運動與軌跡設(shè)計、軌跡控制多項式、笛卡爾控制。 重點: 軌跡控制多項式、笛卡爾控

11、制 難點: 軌跡控制多項式 第六章 機器人動力學(xué)；（2學(xué)時） 在機器人動力學(xué)的基礎(chǔ)上考慮力對具有一定質(zhì)量或慣量的物體運動的影響。包括動力學(xué)方程的推導(dǎo)、動力學(xué)方程的應(yīng)用。 基本要求：掌握動力學(xué)方程的推導(dǎo)、了解動力學(xué)方程的應(yīng)用。 重點和難點: 動力學(xué)方程的推導(dǎo) 第七章 力控制與柔性機器人（3學(xué)時） 為了考慮機器人手部所施加的力作用，需要在位置控制的基礎(chǔ)上引入力控制以及組合控制的概念。包括位置控制與力控制策略、組合控制策略、柔性機器人系統(tǒng)、力和力矩的直接敏感。 基本要求：掌握位置控制與力控制策略、組合控制策略、了解柔性機器人系統(tǒng)、力和力矩的直接敏感。 重點和難點:位置控制與力控

12、制策略、組合控制策略。 第八章 機器人中的主要技術(shù)；（1學(xué)時） 機器人技術(shù)是研究機器人工程技術(shù)的學(xué)問，期望用機構(gòu)、傳感器、驅(qū)動器及計算機等把類人的功能綜合起來。包括現(xiàn)代機器人組成和功能、機器人的主要技術(shù)、機器人的分代與技術(shù)內(nèi)容。 基本要求：了解現(xiàn)代機器人組成和功能、機器人的主要技術(shù)、機器人的分代與技術(shù)內(nèi)容。 第九章 機器人控制器；（1學(xué)時） 機器人控制器相當(dāng)于人的大腦，它指揮機器人的動作，并協(xié)調(diào)機器人與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系，它是反映機器人功能和水平的核心部分。包括機器人控制器功能與組成、機器人控制方式、機器人的示教再現(xiàn)控制、計算機控制。 基本要求：了解機器人控制器功能與組成、機器

13、人控制方式、機器人的示教再現(xiàn)控制、計算機控制。 第十章 機器人伺服系統(tǒng)；（1學(xué)時） 機器人伺服系統(tǒng)主要由啟動器、減速機傳動機構(gòu)、傳感器及計算機組成，作用是控制機器人的位姿、速度等跟隨目標(biāo)值變化。包括機器人伺服控制的特點、伺服機構(gòu)的分類、控制模型、常用的伺服控制方法。 基本要求：了解機器人伺服控制的特點、伺服機構(gòu)的分類、控制模型、常用的伺服控制方法。 第十一章 機器人語言；（1學(xué)時） 對于機器人采用示教的方式，不存在語言編程問題，然而存在停產(chǎn)時間長，不適應(yīng)操作對象和外界環(huán)境變化等缺點，因此采用機器人語言編程，可使機器人停產(chǎn)時間很短，能實現(xiàn)機器人的感覺控制。包括機器人語言的特點和分類

14、、VAL語言及編程舉例。 基本要求：了解機器人語言的特點和分類、VAL語言。 第十二章 機器人的感覺技術(shù)；（1學(xué)時） 機器人配置感覺裝置，賦予它對作業(yè)對象和環(huán)境的檢測判斷功能，則機器人就能適應(yīng)變化的情況，靈活地改變動作程序，自動地進行作業(yè)。包括感覺裝置分類及技術(shù)內(nèi)容、光軸編碼器、觸覺技術(shù)介紹、聽覺技術(shù)介紹、視覺技術(shù)介紹。 基本要求：了解感覺裝置分類及技術(shù)內(nèi)容、光軸編碼器、觸覺技術(shù)、聽覺技術(shù)、視覺技術(shù)。 第十三章 機器人移動技術(shù)；（1學(xué)時） 移動機器人的行走部分包括移動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、傳感探測器等，它一方面支撐機身、臂、手部等，另一方面根據(jù)要求在廣闊的空間內(nèi)運動，使機器人的性能有

15、了飛躍性的提高。包括移動機構(gòu)、移動方向的誘導(dǎo)方法、移動機器人的追蹤控制。 基本要求：了解移動機構(gòu)、移動方向的誘導(dǎo)方法、移動機器人的追蹤控制 第十四章 機器人實例與發(fā)展趨勢；（1學(xué)時） 介紹機器人實例與發(fā)展趨勢。包括工業(yè)機器人系統(tǒng)實例、機器人發(fā)展趨勢、機器人技術(shù)在我國的迅速發(fā)展。 基本要求：了解工業(yè)機器人系統(tǒng)實例、機器人發(fā)展趨勢、機器人技術(shù)在我國的迅速發(fā)展 （五）課程的講授 任課教師必須做到下面幾點： 1）認(rèn)真?zhèn)湔n，做好教案，熟練掌握課程的基本內(nèi)容。 2）采用啟發(fā)式、討論式的教學(xué)方法，以學(xué)生為中心，活躍課堂氣氛，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、分析問題能力和

16、解決問題能力。 3）講課思路要清晰，包括：問題的提出、解決問題的條件、建立模型、分析解決問題的思路、解題和總結(jié)等； 概念要準(zhǔn)確，重點要突出，理論聯(lián)系實際，要適時反映本學(xué)科發(fā)展的前沿理論和技術(shù)，特別是將本單位的科研成果引入課堂。 4）教學(xué)手段要完備，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的要求，恰當(dāng)運用圖片、掛圖、CAI課件和多媒體等。 （六）實驗和作業(yè) 本課程是一門理論性、實踐性都很強的專業(yè)模塊課，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。共安排了4學(xué)時實驗。具體的實驗如下： ①工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)及控制實驗（2學(xué)時）； ②工業(yè)機器人上下料及裝配實驗（2學(xué)時）； （七）考核辦法 平時成績占10﹪，實驗占10﹪，期末考試成績占80﹪。 8