机器人基础教学大纲A

《机器人基础》教学大纲A

1 课程的基本描述

课程名称： 机器人基础 课程编号： 0102E07W 课程性质： 专业方向课

适用专业： 机械电子工程、机械设计制造及其自动化

The Basic of Robot Technology

教材选用： 机器人技术基础，柳洪义编著，冶金工业出版社，2002 总 学 时： 30 实验学时： 6 学 分： 2

理论学时： 24 课程设计： 无 开课学期： 7

前导课程： 高等数学、电工技术、电子技术、C语言程序设计、工程测试与信息处理、计

算机控制技术

后续课程： 计算机集成制造技术

2 教学定位

2.1 能力培养目标

《机器人基础》是机械、控制、电气和电子工程、计算机科学等领域相互交叉渗透的一门学科。主要内容包括：机器人相关主要部件及子系统简介；物体空间位置的表示；机器人的运动学正、逆解；机器人及作业的静力学分析及力控制技术；机器人作业路径规划及驱动控制系统的规划设计等。

本课程的教学目的是使学生对机器人技术有一个明确的概念。掌握机器人运动学、静力学、动力学计算及运动规划设计方法，对工业机器人的机械结构及驱动系统的运动控制设计有一般性的了解。了解机器人传感器、机器人控制、机器人编程、机器人的应用等，建立机器人系统的完整概念。

本课程注重理论联系实际，在讲清基本概念的同时，以适当的机器人系统实例，结合在工程应用中的实际，通过学生自己动手编制程序、操作和实验，掌握必要的知识，为学生将来运用机器人技术的理论和知识解决工程实际问题打下坚实的基础。

2.2 课程的主要特点

本课程是机械设计制造及其自动化专业的选修课。机器人技术融合了机械、电子技术、计算机及控制技术等多门学科，但由于教学对象是机械设计制造及自动化专业的学生，学时较少，教学内容的取舍上应尽可能结合机电控制的特点。

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故本课程是一门重要的专业方向课，所涉及的知识面非常广，要求学生对在此前所学知识有较综合的理解及应用能力，所以，学生对本课程应予以足够重视。

本课程具有较强的实践性，教学过程中，要注意理论联系实际，重视实验课的内容和安排。在时间允许的情况下，可以安排观看机器人教学录像片、到工厂或者实验室进行现场参观，了解工业机器人和智能机器人的真实使用情况，建立直观的感性认识。

2.3 教学定位

学生在进入本课程学习之前，应学过下列课程： 线性代数；

? 理论力学； ? 机械原理； ? 机械零件； ? 数字电子技术； ? 微机原理及应用； ? 机电传动控制。

这些课程的学习将为本课程数学模型、力学模型、机构及机器理论分析设计、接口电路及其控制以及驱动电气元器件传动控制等提供基础。故本课程所涉及的知识面非常广，要求学生对在此前所学知识有较综合的理解及应用能力，所以，学生对本课程应予以足够重视。

由于本课程是选修课，不属于骨干课程，因此应该以掌握概念和介绍应用、拓宽视野和知识面为主。

3 知识点与学时分配

3.1 机器人技术的基本概念

主要介绍机器人的基本概念、机器人的发展历史、机器人的主要技术参数、机器人的主要研究领域和发展趋势。（理解和掌握，核心内容）

共4学时

3.2工业机器人的结构

主要讲述机器人的基本组成、工业机器人的运动副、工业机器人的结构型式、并联机器人、机器人的腕、机器人末端执行器。（理解和掌握，核心内容） 共4学时

3.3 机器人运动学

首先介绍机器人位置与姿态的描述，然后重点讲述机器人运动学正问题、机器人运动学逆问题，最后对机器人的Jacobian矩阵进行介绍。（理解和掌握，核心内容） 共4学时

3.4机器人控制技术

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主要讲述机器人的基本控制方法，介绍自适应控制、变结构控制、学习控制等。重点讲述自适应控制和变结构控制。（了解，重要内容） 共2学时

3.5 机器人传感器与信息处理

主要讲述传感器的基本原理与分类，重点介绍机器人内部传感器、外部传感器、传感器与计算机的接口设计、触觉和视觉信息的处理。简单介绍机器人的语音信息的处理。（了解，重要内容） 共2学时

3.6 机器人与人工智能

主要讲授人工智能的基本概念、发展历史和特点，人工智能的基本问题，包括专家系统、神经网络、遗传算法、自学习等。（了解，重要内容） 共2学时

3.7 机器人编程

主要介绍机器人语言的特点与功能、机器人编程语言的结构、机器人的控制器、机器人的手持编程器，重点介绍机器人编程语言的结构。最后介绍机器人离线编程。（重点掌握，核心内容） 共4学时

3.8 机器人在工程实际中的应用

主要介绍七自由度搬运机器人、医用排牙机器人、汽车加油机器人和仿人机器人的研究和应用实例。（了解，重要内容） 共2学时

3.9其它学时

实验课(学时：6学时)

4 讲授提示及方法

4.1机器人技术的基本概念

重点：机器人的基本概念、机器人的主要研究领域和发展趋势、机器人的主要技术参数。

难点：机器人的主要技术参数。

讲授提示与方法：结合机器人的工程实际应用讲解。

主要介绍、机器人的发展历史、、。（理解和掌握，核心内容）

4.2工业机器人的结构

重点：机器人的基本组成、工业机器人的运动副、工业机器人的结构型式、机器人末端执行器。

难点：并联机器人的结构。

讲授提示与方法：结合具体的机器人实际结构讲解。

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4.3机器人运动学

重点：机器人位置与姿态的描述、机器人运动学正问题、机器人运动学逆问题、机器人的Jacobian矩阵。

难点：机器人的Jacobian矩阵。

讲授提示与方法：结合PUMA机器人等典型机器人的运动学实例讲解，并通过一定数量的习题进行练习。

4.4机器人控制技术

重点：机器人的自适应控制、变结构控制、学习控制。 难点：机器人的变结构控制。

讲授提示与方法：结合图形和具体的控制实例讲解。

4.5机器人传感器与信息处理

重点：传感器的基本原理与分类、机器人内部传感器和外部传感器、传感器与计算机的接口设计、触觉和视觉信息的处理。

难点：触觉和视觉信息的处理。

讲授提示与方法：结合仿人智能机器人的传感器的类型、功能和特点进行讲解和介绍，使学生获得直观的理解，并建立系统的概念。

4.6 机器人与人工智能

重点：人工智能的基本概念、发展历史和特点、人工智能的基本问题（包括专家系统、神经网络、遗传算法、自学习等）。

难点：神经网络、遗传算法、自学习。

讲授提示与方法：结合仿人智能机器人的传感器的类型、功能和特点进行讲解和介绍，使学生获得直观的理解，并建立系统的概念。

4.7 机器人编程

重点：机器人语言的特点与功能、机器人编程语言的结构、机器人离线编程。

机器人的控制器、机器人的手持编程器，重点介绍机器人编程语言的结构。最后介绍专家系统的结构与工作原理。

难点：机器人编程语言的结构和机器人离线编程。 讲授提示与方法：结合具体的控制程序，逐条介绍编程语言的结构。具体介绍Motoman机器人的离线编程软件。

4.8 机器人在工程实际中的应用

重点：七自由度搬运机器人、医用排牙机器人、汽车加油机器人和仿人机器人。 难点：七自由度搬运机器人的运动学。

讲授提示与方法： 用PPT及机器人录像，实现形象化的立体式教学效果。

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5 习题与实验设计

5.1 习题设计

由于本课程的内容理论性和实践性都比较强，因此在各部分内容的学习过程中，需要学生做一定数量的习题。除课堂讲解各部分的典型例题外，根据学习指导教材，对应每一部分重点内容来布置习题，目的是让学生巩固和加深理解课堂授课的重点内容。

1、重点在机器人运动学的正、逆问题和机器人编程语言，这几部分内容要重点留习题，并安排一定的课堂时间讲解比较难的典型习题。

2、安排一定数量的上机计算习题，使学生真正理解和掌握机器人运动学等数学公式的意义和使用方法。

通过学生完成作业的情况以及学生对作业的难易程度等的反馈，了解学生对课程的理解和学习情况，针对存在的问题做进一步的讲解和启发，使学生对所学知识能够达到融会贯通的理解和掌握。

5.2 实验设计

实验共计6学时。

1、惠鱼机器人装配实验（2学时）；

2、惠鱼机器人控制实验（2学时）；

3、用C语言进行机器人坐标变换计算上机实验（2学时）；

6 考核与成绩记载

6.1 考核的方式及成绩的评定。

1． 学生成绩的构成：平时成绩（30%）、期末成绩（70%）

2． 平时成绩的构成：实验成绩10分、出勤率10分、作业成绩10分。 3． 期末成绩：闭卷笔试70分。

6.2 考题的设计

考试题大体上可以分为三种类型，重点考察学生对机器人技术的基础知识和基本概念，以及机器人运动学算法和机器人编程语言的理解和掌握。

1、 概念题型：

（1）基本形式有选择、填空。约占20%。 （2）简答题，约占20%。 2、 计算和解释题型：

机器人的运动学正、逆问题求解计算。约占40%。 3、 程序编制：

用机器人语言，编制简单的机器人控制程序，实现机器人的操作和控制。约占20%。

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