《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)大綱

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：S4080370課程名稱(chēng)：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程英文名稱(chēng)：INDUSTRIAL ROBOT TECHNOLOGY總學(xué)時(shí)：30 講課學(xué)時(shí)：26 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4 上機(jī)學(xué)時(shí)：0學(xué) 分：2課程類(lèi)型：限選課開(kāi)課單位：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化系 授課對(duì)象：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、其它相關(guān)專(zhuān)業(yè)先修課程：線(xiàn)性代數(shù)、測(cè)試技術(shù)及儀器開(kāi)課時(shí)間：第七學(xué)期教材與主要參考書(shū)：尤波、王廣林等編.工業(yè)機(jī)器人技術(shù).校內(nèi)講義陳哲、吉熙章編著.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社 1994年 蔡自興著.機(jī)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(jī)器人技術(shù)的九個(gè)重要組成部分的基礎(chǔ)知識(shí)，將綜合運(yùn)用所學(xué)數(shù)學(xué)、力學(xué)、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科知識(shí)，分析解決機(jī)器人學(xué)中的主要問(wèn)題。培養(yǎng)學(xué)生從事多學(xué)科交叉滲透、綜合運(yùn)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(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，機(jī)器人的軌跡控制和力控制以及機(jī)器人中的主要技術(shù)，包括機(jī)器人控制器、機(jī)器人伺服系統(tǒng)、機(jī)器人的語(yǔ)言、機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器人的移動(dòng)技術(shù)等。 本課程的主要章節(jié)有：第一章 機(jī)器人技術(shù)；（2學(xué)時(shí)）機(jī)器人學(xué)的發(fā)展史及機(jī)器人學(xué)教育、機(jī)器人學(xué)的術(shù)語(yǔ)和定義及其與其他學(xué)科的關(guān)系、機(jī)器人的分類(lèi)和組成、操作機(jī)幾何學(xué)。第二章 機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)；（4學(xué)時(shí)）位置與姿態(tài)、正交坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)動(dòng)的表示法、齊次變換、機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)。第三章 位置運(yùn)動(dòng)學(xué)；（4學(xué)時(shí)）手部位姿與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系正問(wèn)題、關(guān)節(jié)變量與手部位姿的關(guān)系逆問(wèn)題。第四章 速度運(yùn)動(dòng)學(xué)；（2學(xué)時(shí)）操作機(jī)的微分運(yùn)動(dòng)、雅可比矩陣及其變換。第五章 軌跡控制；（2學(xué)時(shí)）軌跡的記錄與再現(xiàn)、笛卡爾運(yùn)動(dòng)與軌跡設(shè)計(jì)、軌跡控制多項(xiàng)式、笛卡爾控制等。第六章 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)；（2學(xué)時(shí)）動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)、動(dòng)力學(xué)方程的應(yīng)用。第七章 力控制與柔性機(jī)器人；（3學(xué)時(shí)）位置控制與力控制策略、組合控制策略、柔性機(jī)器人系統(tǒng)、力和力矩的直接敏感。第八章 機(jī)器人中的主要技術(shù)；（1學(xué)時(shí)）現(xiàn)代機(jī)器人組成和功能、機(jī)器人的主要技術(shù)、機(jī)器人的分代與技術(shù)內(nèi)容。第九章 機(jī)器人控制器；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人控制器功能與組成、機(jī)器人控制方式、機(jī)器人的示教再現(xiàn)控制、計(jì)算機(jī)控制。第十章 機(jī)器人伺服系統(tǒng)；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人伺服控制的特點(diǎn)、伺服機(jī)構(gòu)的分類(lèi)、控制模型、常用的伺服控制方法。第十一章 機(jī)器人語(yǔ)言；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人語(yǔ)言的特點(diǎn)和分類(lèi)、VAL語(yǔ)言及編程舉例。第十二章 機(jī)器人的感覺(jué)技術(shù)；（1學(xué)時(shí)）感覺(jué)裝置分類(lèi)及技術(shù)內(nèi)容、光軸編碼器、觸覺(jué)技術(shù)介紹、聽(tīng)覺(jué)技術(shù)介紹、視覺(jué)技術(shù)介紹。第十三章 機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)；（1學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)方向的誘導(dǎo)方法、移動(dòng)機(jī)器人的追蹤控制。第十四章 機(jī)器人實(shí)例與發(fā)展趨勢(shì)；（1學(xué)時(shí)）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例、機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的迅速發(fā)展。（二）其他教學(xué)環(huán)節(jié)安排1、實(shí)驗(yàn)安排4學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）；工業(yè)機(jī)器人上下料及裝配實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）；（三）考試權(quán)重平時(shí)成績(jī)占10，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10，期末考試成績(jī)占80。（四）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目明細(xì)表序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)類(lèi)型每組人數(shù)1工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制2必修綜合22工業(yè)機(jī)器人上下料及裝配實(shí)驗(yàn)2必修設(shè)計(jì)2工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計(jì)（一）基本描述課程編號(hào)：S4080370課程名稱(chēng)：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)英文譯名：INDUSTRIAL ROBOT TECHNOLOGY課程學(xué)時(shí)：30 講課：26 實(shí)驗(yàn)：4 上機(jī)：0 適用專(zhuān)業(yè)：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)課單位：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化系開(kāi)課時(shí)間：第七學(xué)期先修課程：線(xiàn)性代數(shù)、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)主要教材及參考書(shū)：尤波、王廣林等編.工業(yè)機(jī)器人技術(shù).校內(nèi)講義陳哲、吉熙章編著.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社 1994年 蔡自興著.機(jī)器人學(xué).清華大學(xué)出版社 2000年（二）課程的性質(zhì)、研究對(duì)象及任務(wù)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)機(jī)械工程學(xué)科中機(jī)電控制及其結(jié)合的專(zhuān)業(yè)模塊課。本課程研究對(duì)象是分析解決機(jī)器人學(xué)中的主要問(wèn)題，為以后機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)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(yùn)用的科學(xué)研究能力。（三）教材的選擇與分析近年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面的教材和書(shū)籍很多。本課程選擇尤波、王廣林等編寫(xiě)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，參考教材選擇陳哲、吉熙章編著機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)（機(jī)械工業(yè)出版社）和蔡自興著機(jī)器人學(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(diǎn)與難點(diǎn)、學(xué)時(shí)分配第一章 機(jī)器人技術(shù)（2學(xué)時(shí)） 對(duì)機(jī)器人學(xué)這門(mén)學(xué)科的產(chǎn)生、發(fā)展以及特點(diǎn)等方面的背景有一個(gè)概括地介紹。包括機(jī)器人學(xué)的發(fā)展史及機(jī)器人學(xué)教育、機(jī)器人學(xué)的術(shù)語(yǔ)和定義及其與其他學(xué)科的關(guān)系、機(jī)器人的分類(lèi)和組成、操作機(jī)幾何學(xué)?；疽螅毫私鈾C(jī)器人學(xué)的發(fā)展史及機(jī)器人學(xué)教育、掌握機(jī)器人學(xué)的術(shù)語(yǔ)和定義，了解其與其他學(xué)科的關(guān)系、掌握機(jī)器人的分類(lèi)和組成、操作機(jī)幾何學(xué)。重點(diǎn): 機(jī)器人的分類(lèi)和組成、操作機(jī)幾何學(xué)。難點(diǎn): 操作機(jī)幾何學(xué)第二章 機(jī)器人坐標(biāo)系統(tǒng)；（4學(xué)時(shí)）為了表示組成機(jī)器人系統(tǒng)的各個(gè)元部件的位置和姿態(tài)，表示它們之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，需要采用一套機(jī)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(dòng)的表示法、齊次變換、機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)等知識(shí)。基本要求：掌握位置與姿態(tài)、正交坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)動(dòng)的表示法、齊次變換、機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)等知識(shí)。重點(diǎn)與難點(diǎn): 正交坐標(biāo)系、齊次變換、機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)重點(diǎn)與難點(diǎn): 齊次變換第三章 位置運(yùn)動(dòng)學(xué)；（4學(xué)時(shí)）運(yùn)動(dòng)學(xué)處理運(yùn)動(dòng)的幾何學(xué)以及與時(shí)間有關(guān)的量，而不考慮引起運(yùn)動(dòng)的力，搞清機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系是認(rèn)識(shí)機(jī)器人的首要問(wèn)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(wèn)題、關(guān)節(jié)變量與手部位姿的關(guān)系逆問(wèn)題。重點(diǎn)和難點(diǎn): 正問(wèn)題和逆問(wèn)題第四章 速度運(yùn)動(dòng)學(xué)；（7學(xué)時(shí)）操作機(jī)不僅需要達(dá)到某個(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)。包括操作機(jī)的微分運(yùn)動(dòng)、雅可比矩陣及其變換?；疽螅赫莆詹僮鳈C(jī)的微分運(yùn)動(dòng)、雅可比矩陣及其變換。重點(diǎn)和難點(diǎn): 雅可比矩陣及其變換。第五章 軌跡控制；（2學(xué)時(shí)）在工程應(yīng)用中經(jīng)常需要使操作機(jī)在空間一系列的給定點(diǎn)上平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，因此就涉及到軌跡控制的問(wèn)題，屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)的范疇。包括軌跡的記錄與再現(xiàn)、笛卡爾運(yùn)動(dòng)與軌跡設(shè)計(jì)、軌跡控制多項(xiàng)式、笛卡爾控制等?；疽螅毫私廛壽E的記錄與再現(xiàn)、掌握笛卡爾運(yùn)動(dòng)與軌跡設(shè)計(jì)、軌跡控制多項(xiàng)式、笛卡爾控制。重點(diǎn): 軌跡控制多項(xiàng)式、笛卡爾控制難點(diǎn): 軌跡控制多項(xiàng)式第六章 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)；（2學(xué)時(shí)）在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上考慮力對(duì)具有一定質(zhì)量或慣量的物體運(yùn)動(dòng)的影響。包括動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)、動(dòng)力學(xué)方程的應(yīng)用?；疽螅赫莆談?dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)、了解動(dòng)力學(xué)方程的應(yīng)用。重點(diǎn)和難點(diǎn): 動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)第七章 力控制與柔性機(jī)器人（3學(xué)時(shí)）為了考慮機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)、力和力矩的直接敏感?；疽螅赫莆瘴恢每刂婆c力控制策略、組合控制策略、了解柔性機(jī)器人系統(tǒng)、力和力矩的直接敏感。重點(diǎn)和難點(diǎn):位置控制與力控制策略、組合控制策略。第八章 機(jī)器人中的主要技術(shù)；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人技術(shù)是研究機(jī)器人工程技術(shù)的學(xué)問(wèn)，期望用機(jī)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器及計(jì)算機(jī)等把類(lèi)人的功能綜合起來(lái)。包括現(xiàn)代機(jī)器人組成和功能、機(jī)器人的主要技術(shù)、機(jī)器人的分代與技術(shù)內(nèi)容?；疽螅毫私猬F(xiàn)代機(jī)器人組成和功能、機(jī)器人的主要技術(shù)、機(jī)器人的分代與技術(shù)內(nèi)容。第九章 機(jī)器人控制器；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人控制器相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)器人的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)器人與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系，它是反映機(jī)器人功能和水平的核心部分。包括機(jī)器人控制器功能與組成、機(jī)器人控制方式、機(jī)器人的示教再現(xiàn)控制、計(jì)算機(jī)控制。基本要求：了解機(jī)器人控制器功能與組成、機(jī)器人控制方式、機(jī)器人的示教再現(xiàn)控制、計(jì)算機(jī)控制。第十章 機(jī)器人伺服系統(tǒng)；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人伺服系統(tǒng)主要由啟動(dòng)器、減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器及計(jì)算機(jī)組成，作用是控制機(jī)器人的位姿、速度等跟隨目標(biāo)值變化。包括機(jī)器人伺服控制的特點(diǎn)、伺服機(jī)構(gòu)的分類(lèi)、控制模型、常用的伺服控制方法?；疽螅毫私鈾C(jī)器人伺服控制的特點(diǎn)、伺服機(jī)構(gòu)的分類(lèi)、控制模型、常用的伺服控制方法。第十一章 機(jī)器人語(yǔ)言；（1學(xué)時(shí)）對(duì)于機(jī)器人采用示教的方式，不存在語(yǔ)言編程問(wèn)題，然而存在停產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，不適應(yīng)操作對(duì)象和外界環(huán)境變化等缺點(diǎn)，因此采用機(jī)器人語(yǔ)言編程，可使機(jī)器人停產(chǎn)時(shí)間很短，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的感覺(jué)控制。包括機(jī)器人語(yǔ)言的特點(diǎn)和分類(lèi)、VAL語(yǔ)言及編程舉例?；疽螅毫私鈾C(jī)器人語(yǔ)言的特點(diǎn)和分類(lèi)、VAL語(yǔ)言。第十二章 機(jī)器人的感覺(jué)技術(shù)；（1學(xué)時(shí)）機(jī)器人配置感覺(jué)裝置，賦予它對(duì)作業(yè)對(duì)象和環(huán)境的檢測(cè)判斷功能，則機(jī)器人就能適應(yīng)變化的情況，靈活地改變動(dòng)作程序，自動(dòng)地進(jìn)行作業(yè)。包括感覺(jué)裝置分類(lèi)及技術(shù)內(nèi)容、光軸編碼器、觸覺(jué)技術(shù)介紹、聽(tīng)覺(jué)技術(shù)介紹、視覺(jué)技術(shù)介紹?；疽螅毫私飧杏X(jué)裝置分類(lèi)及技術(shù)內(nèi)容、光軸編碼器、觸覺(jué)技術(shù)、聽(tīng)覺(jué)技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)。第十三章 機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)；（1學(xué)時(shí)）移動(dòng)機(jī)器人的行走部分包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、傳感探測(cè)器等，它一方面支撐機(jī)身、臂、手部等，另一方面根據(jù)要求在廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人的性能有了飛躍性的提高。包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)方向的誘導(dǎo)方法、移動(dòng)機(jī)器人的追蹤控制。基本要求：了解移動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)方向的誘導(dǎo)方法、移動(dòng)機(jī)器人的追蹤控制第十四章 機(jī)器人實(shí)例與發(fā)展趨勢(shì)；（1學(xué)時(shí)）介紹機(jī)器人實(shí)例與發(fā)展趨勢(shì)。包括工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例、機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的迅速發(fā)展。基本要求：了解工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例、機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的迅速發(fā)展（五）課程的講授任課教師必須做到下面幾點(diǎn)：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(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力、分析問(wèn)題能力和解決問(wèn)題能力。3）講課思路要清晰，包括：?jiǎn)栴}的提出、解決問(wèn)題的條件、建立模型、分析解決問(wèn)題的思路、解題和總結(jié)等；概念要準(zhǔn)確，重點(diǎn)要突出，理論聯(lián)系實(shí)際，要適時(shí)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(yùn)用圖片、掛圖、CAI課件和多媒體等。（六）實(shí)驗(yàn)和作業(yè)本課程是一門(mén)理論性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)模塊課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)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(shí)實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)如下：工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）；工業(yè)機(jī)器人上下料及裝配實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）；（七）考核辦法平時(shí)成績(jī)占10，實(shí)驗(yàn)占10，期末考試成績(jī)占80。8