《機器人學(xué)》教學(xué)大綱.docx

1、機器人學(xué)課程教學(xué)大綱、課程基本信息英文名稱Robotics課程代碼IMEE1054課程性質(zhì)專業(yè)必修課授課對象智能制造工程專業(yè)學(xué)分2學(xué)時36指定教材機器人學(xué)：建模、控制與視覺，熊有倫等，華中科技大學(xué)出版社二、課程目標（一）總體目標：機器人學(xué)是智能制造工程專業(yè)培養(yǎng)計劃中一門高度交叉、前沿的重要專業(yè)必修課程，融合了運動學(xué)/動力學(xué)分析、機械學(xué)、控制理論與工程、計算機技術(shù)、人工智能等多學(xué)科內(nèi)容的綜合性新技術(shù)應(yīng)用課程.通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解并掌握機器人學(xué)相關(guān)的基本理論和方法，具有現(xiàn)代機器人系統(tǒng)設(shè)計、分析、應(yīng)用等基本能力和以后從事相關(guān)科學(xué)研究和技術(shù)工作的能力。本課程針對智能制造工程專業(yè)的特點，主要介紹

2、機器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、工業(yè)機器人、服務(wù)機器人的基本機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)與動力學(xué)分析，以及機器人傳感器和控制技術(shù)等基礎(chǔ)理論和技術(shù)基礎(chǔ)知識，并以實際工程應(yīng)用為背景，安排各類機器人實樣參觀、專題講座、實驗等內(nèi)容。通過本課程教學(xué)，不但使學(xué)生掌握機器人技術(shù)的基本理論知識，使學(xué)生對各類機器人技術(shù)和開發(fā)方法有所了解，同時通過課程設(shè)計等活動培養(yǎng)其在邏輯思維、科學(xué)研究和設(shè)計實踐上的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生綜合運用機器人技術(shù)解決智能制造領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題的能力。（二）課程目標：課程目標1:學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代機器人的基本理論及方法，具有應(yīng)用機器人解決工程問題的創(chuàng)新意識和能力；（支撐畢業(yè)要求1）課程目標2：學(xué)習(xí)并掌握工業(yè)機器人、服務(wù)機

3、器人的狀態(tài)檢測和控制技術(shù)，具有利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力；（支撐畢業(yè)要求2）課程目標3：學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代機器人的總體設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容,具有根據(jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的能力；（支撐畢業(yè)要求3）課程目標4：評定方法包括課后作業(yè)（15%）、實驗（20%）、項目研究（15%）和期末考試（50%）環(huán)節(jié),總評成績以百分計，滿分100分，各考核環(huán)節(jié)所占分值比例和根據(jù)具體情況微調(diào)。2. 課程目標的考核占比與達成度分析表5：課程目標的考核占比與達成度分析表課程贏、課后作業(yè)15%綜合實驗20%綜合設(shè)計15%期末考試50%達成度課程目標18

4、0%20%40%36課程月標220%10%20%15課程目標340%60%20%27課程目標4一30%40%20%22總評達成度100%100%100%100%100（三）評分標準課程目標評分標準90-10080-8970-7960-69<60優(yōu)良中合格不合格ABCDF課程目標1充分掌握機器人結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)等理論知識，了解機器人建模的方法，能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，具備較強的綜合能力，能夠設(shè)計最優(yōu)方案。較好掌握機器人結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)等理論知識，較好了解機器人建模的方法，能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，

5、較好地具備較強的綜合能力，能夠設(shè)計最優(yōu)方案?；菊莆諜C器人結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)等理論知識，基本了解機器人建模的方法，基本能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，基本具備綜合能力，能夠設(shè)計最優(yōu)方案。對機器人結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)等理論知識有一定的掌握，對機器人建模的方法有一定了解，基本能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，具備一般的綜合能力，能夠設(shè)計一般的方案。初步掌握機器人結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)等理論知識，初步了解機器人建模的方法，但不能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，綜合能力較差，不能夠設(shè)計最優(yōu)方案。課程

6、充分掌握機器人控較好掌握機器人控基本掌握機器人對機器人控制涉初步掌握機器人課程目標評分標準90-10080-8970-7960-69<60優(yōu)良中合格不合格ABCDF目標2制涉及傳感器檢測、控制方案設(shè)計、控制算法選擇等理論和方法，具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力。制涉及傳感器檢測、控制方案設(shè)計、控制算法選擇等理論和方法，較好地具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力?？刂粕婕皞鞲衅鳈z測、控制方案設(shè)計、控制算法選擇等理論和方法，基本具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力。及傳感器檢測、控制方案設(shè)計、控制算法選擇

7、等理論和方法基本了解，了解如何利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力?？刂粕婕皞鞲衅鳈z測、控制方案設(shè)計、控制算法選擇等理論和方法，但不具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力。課程目標3能夠通過對機器人技術(shù)體系的整體學(xué)習(xí)，結(jié)合實際應(yīng)用需求，學(xué)生能夠綜合運用所學(xué)知識，針對機器人在實際工程應(yīng)用中的方案，可具體設(shè)計行走機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)等部件的方案，并加以實現(xiàn)。具備根據(jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的能力。較好的通過對機器人技術(shù)體系的整體學(xué)習(xí)，結(jié)合實際應(yīng)用需求，學(xué)生可以綜合運用所學(xué)知識，針對機器人在實際工程應(yīng)用中的方案，可具體設(shè)計行走機構(gòu)、執(zhí)行

8、機構(gòu)、控制系統(tǒng)等部件的方案，并加以實現(xiàn)。較好根據(jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的能力?；灸軌蛲ㄟ^對機器人技術(shù)體系的整體學(xué)習(xí)，結(jié)合實際應(yīng)用需求，學(xué)生可以綜合運用所學(xué)知識，針對機器人在實際工程應(yīng)用中的方案，可具體設(shè)計行走機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)等部件的方案，并加以實現(xiàn)?；揪邆涓鶕?jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的能力。通過對機器人技術(shù)體系的整體學(xué)習(xí)，結(jié)合實際應(yīng)用需求，學(xué)生具備-定的綜合運用所學(xué)知識，針對機器人在實際工程應(yīng)用中的方案，可具體設(shè)計行走機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)等部件的方案，并加以實現(xiàn)。具備根據(jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的初步能力。通過對機器人技術(shù)體系的初步學(xué)習(xí)，結(jié)合實際

9、應(yīng)用需求，初步運用所學(xué)知識，針對機器人在實際工程應(yīng)用中的方案，初步設(shè)計行走機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)等部件的方案，并加以實現(xiàn)。但不具備根據(jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的能力。課程目標4能夠通過MATLAB或Python語言，掌握對機器人編程、調(diào)試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。具備應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際工程問題的能力。較好通過MATLAB或Python語言，掌握對機器人編程、調(diào)試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。較好具備應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際工程問題的能力?；灸軌蛲ㄟ^MATLAB或Python語言，基本掌握對機器人編程、調(diào)試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。基本具

10、備應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際工可以通過MATLAB或Python語言，初步掌握對機器人編程、調(diào)試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。初步具備應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際初步掌握MATLAB或Python語言，初步掌握對機器人編程、調(diào)試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎(chǔ)。但不具備應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際課程目標評分標準90-10080-8970-7960-69<60優(yōu)良中合格不合格ABCDF程問題的能力。工程問題的能力。工程問題的能力。通過機器人的實驗，獲得相關(guān)實驗設(shè)計和實驗技能的基本訓(xùn)練，具有應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際工程問題的能力。（支撐畢業(yè)要求5）（三）課程目標與畢業(yè)要求、課程內(nèi)容的

11、對應(yīng)關(guān)系表1：課程目標與課程內(nèi)容、畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系表課程目標課程子目標對應(yīng)課程內(nèi)容對應(yīng)畢業(yè)要求課程目標1學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代機器人的基本理論及方法，具有應(yīng)用機器人解決工程問題的創(chuàng)新意識和能力；1. 機器人學(xué)數(shù)理基礎(chǔ)2. 機器人運動學(xué)3. 機器人靜力計算與動力學(xué)分析1.工程知識：能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決智能制造系統(tǒng)分析、設(shè)計、集成的復(fù)雜工程問題。課程目標2學(xué)習(xí)并掌握工業(yè)機器人、服務(wù)機器人的狀態(tài)檢測和控制技術(shù)，具有利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應(yīng)用的能力；1. 機器人傳感器2. 機器人視覺3. 機器人控制2.問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原

12、理，識別、表達、并通過文獻研究分析智能制造系統(tǒng)的分析、設(shè)計、集成、優(yōu)化、管控問題，以獲得有效結(jié)論。課程目標3學(xué)習(xí)并掌握現(xiàn)代機器人的總體設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容，具有根據(jù)實際工程問題設(shè)計相應(yīng)機器人解決方案的能力；1. 機器人機械系統(tǒng)設(shè)計2. 機器人應(yīng)用3.設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠設(shè)計針對復(fù)雜智能制造系統(tǒng)的分析、設(shè)計、集成、管控問題的解決方案，設(shè)計滿足特定需求的智能工廠和制造流程，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。課程目標4通過機器人的實驗，獲得相關(guān)實驗設(shè)計和實驗技能的基本訓(xùn)練，具有應(yīng)用相關(guān)實驗方法解決實際工程問題的能力。1.

13、機器人軌跡規(guī)劃與編程2. 機器人技術(shù)實驗教學(xué)5.使用現(xiàn)代工具：能夠針對智能制造系統(tǒng)的分析、設(shè)計、集成、管控問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，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。三、教學(xué)內(nèi)容第1章：緒論（3學(xué)時）通過本章內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生了解機器人學(xué)的起源與發(fā)展，討論機器人學(xué)的定義，分析機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類。主要內(nèi)容：1、機器人學(xué)的發(fā)展。2、機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類。3、機器人學(xué)與人工智能的關(guān)系。目標及要求：1、明確本課程的研究對象、內(nèi)容、性質(zhì)、任務(wù)；2、了解機器人的定義、應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向；3、了解機器人的組成、分類及技術(shù)參數(shù)；4、掌握機器

14、人學(xué)與人工智能的關(guān)系。第2章：機器人機構(gòu)（3學(xué)時）通過本章內(nèi)容教學(xué)，學(xué)生掌握機器人機械系統(tǒng)的整體構(gòu)造，了解各部件的設(shè)計方法和典型結(jié)構(gòu)，為接下來機器人運動分析和控制提供基礎(chǔ)。主要內(nèi)容：1、機器人總體設(shè)計2、驅(qū)動機構(gòu)3、機身和臂部設(shè)計4、工業(yè)機器人腕部設(shè)計5、手部設(shè)計6、行走機構(gòu)設(shè)計目標及要求：1、熟悉機器人總體設(shè)計內(nèi)容2、熟悉機器人臂部、手腕、手部和機身設(shè)計3、掌握部分設(shè)計要領(lǐng)和典型結(jié)構(gòu)第3-4章：機器人學(xué)數(shù)理基礎(chǔ)（4學(xué)時）通過本章內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生掌握空間任意點的位置和姿態(tài)變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉(zhuǎn)變換等。主要內(nèi)容：1、位置和姿態(tài)的描述。2、坐標變換。3、齊

15、次坐標變換。4、物體的變換及逆變換。5、通用旋轉(zhuǎn)變換。目標及要求：1、掌握位置與姿態(tài)、機器人的坐標系統(tǒng)；2、掌握齊次變換的方法第5章：機器人運動學(xué)（3學(xué)時）通過本章內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生掌握機器人運動學(xué)分析的基礎(chǔ)，機器人D_H參數(shù)法以及運動學(xué)方程的建立與求解等。主要內(nèi)容：1、工業(yè)機器人連桿參數(shù)及其坐標變換2、機器人運動方程的表示。3、機械手運動方程的求解。目標及要求：1、掌握機器人連桿參數(shù)及其齊次變換矩陣2、重點學(xué)習(xí)工業(yè)機器人運動學(xué)方程第6-7章：機器人靜力計算與動力學(xué)分析（3學(xué)時）通過本章內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生能夠掌握機器人動力學(xué)方程、動態(tài)特性和靜態(tài)特性；著重分析速度雅克比、力雅克比以及機械手動力學(xué)

16、方程的求解方法，即拉格朗日功能平衡法；然后總結(jié)出建立拉格朗日方程的步驟。主要內(nèi)容：1、機器人速度雅克比矩陣2、機器人靜力計算3、機器人動力學(xué)分析目標及要求：1、掌握機器人速度雅克比矩陣與速度分析2、掌握機器人力雅克比與靜力計算3、學(xué)會機器人動力學(xué)分析。第8章機器人軌跡規(guī)劃（2學(xué)時）本章主要講授機器人的運動軌跡與規(guī)劃，使機器人更智能，更精確。主要內(nèi)容：1、機器人軌跡規(guī)劃方法2、關(guān)節(jié)軌跡的插值計算目標及要求：1、了解工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃方法2、掌握三次多項式插值方法第9-10章：機器人控制（4學(xué)時）通過本章內(nèi)容的教學(xué)，使學(xué)生了解機器人的控制原則、控制方法和典型控制策略。主要內(nèi)容：1、機器人控制的特

17、點與方式2、機器人的軌跡控制3、機器人的力控制目標及要求：1、掌握機器人控制的特點與方式2、了解機器人軌跡控制、力控制的方法第14-15章機器人傳感器與視覺（4學(xué)時）本章內(nèi)容涵蓋了各類型傳感器在機器人本體、操作手及操作對象方面的各類應(yīng)用。重點講述機器人視覺系統(tǒng)及運動控制。主要內(nèi)容：1、機器人的傳感器概述2、常用傳感器原理及應(yīng)用3、機器人視覺及視覺運動控制目標及要求：1、了解機器人感覺系統(tǒng)原理2、了解常用傳感器的原理、特點及應(yīng)用3、了解機器人視覺運動控制方法第16章輪式移動機器人（4學(xué)時）本章主要講授輪式移動機器人的運動和控制原理，機器人定位與導(dǎo)航基礎(chǔ)知識。主要內(nèi)容：1、輪式機器人運動學(xué)和動力學(xué)

18、建模2、移動機器人定位3、SLAM與導(dǎo)航目標及要求：1、了解輪式移動機器人的建模方法2、了解移動機器人定位與導(dǎo)航方法。實驗部分：機器人技術(shù)綜合實驗、專題講座（6學(xué)時）實驗內(nèi)容：1、通過現(xiàn)場講解機器人的機械結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、傳統(tǒng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等機器人各部分的組成，加深對機器人工作原理的理解。2、以機器人為實驗平臺，輔助多種傳感器，通過智能創(chuàng)新實驗項目的練習(xí)，增強學(xué)生對課堂理論知識的理解。3、通過對機器人編程的實際練習(xí)，了解機器人在工業(yè)和服務(wù)業(yè)場景下的應(yīng)用。在編程處理機器人運動分析中，分析機器人按預(yù)定的軌跡行走的控制原理。實驗?zāi)繕耍?、熟悉機器人的運動控制，掌握其作業(yè)編程及操作步驟；2、掌

19、握機器人的程序控制及應(yīng)用，了解機器人的模塊化組裝、調(diào)試、控制與維護方法。四、學(xué)時分配表2：各章節(jié)的具體內(nèi)容和學(xué)時分配表章節(jié)章節(jié)內(nèi)容學(xué)時分配第1章緒論3第2章機器人機構(gòu)3第3-4章機器人學(xué)數(shù)理基礎(chǔ)4第5章機器人運動學(xué)3第6-7章機器人靜力計算與動力學(xué)分析3第8章機器人軌跡規(guī)劃2第9-10章機器人控制4第14-15章機器人傳感器與視覺4第16章輪式移動機器人4第17章機器人技術(shù)實驗、專題講座6總計54五、教學(xué)進度表3：教學(xué)進度表周次日期章節(jié)名稱內(nèi)容提要授課時數(shù)作業(yè)及要求備注1第1章：緒論1、機器人學(xué)的發(fā)展。2、機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類。3、機器人學(xué)與人工智能的關(guān)系。3了解機器人學(xué)的起源與發(fā)展，討論

20、機器人學(xué)的定義，分析機器人的特點、結(jié)構(gòu)與分類。2第2章：機器人機構(gòu)1、機器人總體設(shè)計2、驅(qū)動機構(gòu)3、機身和臂部設(shè)計4、工業(yè)機器人腕部設(shè)計5、手部設(shè)計6、行走機構(gòu)設(shè)計3掌握機器人機械系統(tǒng)的整體構(gòu)造，了解各部件的設(shè)計方法和典型結(jié)構(gòu)，為接下來機器人運動分析和控制提供基礎(chǔ)。3-4第3-4章：1、位置和姿態(tài)的描述。4掌握空間任意點機器人學(xué)數(shù)理基礎(chǔ)2、坐標變換。3、齊次坐標變換。4、物體的變換及逆變換。5、通用旋轉(zhuǎn)變換。的位置和姿態(tài)變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉(zhuǎn)變換等5-6第5章：機器人運動學(xué)1、工業(yè)機器人連桿參數(shù)及其坐標變換2、機器人運動方程的表示。3、機械手運動方程的求

21、解。3掌握機器人運動學(xué)分析的基礎(chǔ)，機器人D_H參數(shù)法以及運動學(xué)方程的建立與求解等7第6-7章：機器人靜力計算與動力學(xué)分析1、機器人速度雅克比矩陣2、機器人靜力計算3、機器人動力學(xué)分析31、掌握機器人速度雅克比矩陣與速度分析2、掌握機器人力雅克比與靜力計算3、學(xué)會機器人動力學(xué)分析。8第8章機器人軌跡規(guī)劃1、機器人軌跡規(guī)劃方法2、關(guān)節(jié)軌跡的插值計算21、了解工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃方法2、掌握三次多項式插值方法8-9第9T0章：機器人控制1、機器人控制的特點與方式2、機器人的軌跡控制3、機器人的力控制41、掌握機器人控制的特點與方式2、了解機器人軌跡控制、力控制的方法10-11第14-15章機器人傳感

22、器與視覺1、機器人的傳感器概述2、常用傳感器原理及應(yīng)用3、機器人視覺及視覺運動控制41、了解機器人感覺系統(tǒng)原理2、了解常用傳感器的原理、特點及應(yīng)用3、了解機器人視覺運動控制方法11-12第16章輪式移動機器人1、輪式機器人運動學(xué)和動力學(xué)建模2、移動機器人定位3、SLAM與導(dǎo)航41、了解輪式移動機器人的建模方法2、了解移動機器人定位與導(dǎo)航方法。13-14機器人技術(shù)綜合實驗1、通過現(xiàn)場講解機器人的機械結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、傳統(tǒng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等機器人各部分的組成，加深對機器人工作原理的理解。2、以機器人為實驗平臺，輔助多種傳感器，通過智能創(chuàng)新實驗項目的練習(xí)，增強學(xué)生對課堂理論知識的理解。3、通過

23、對機器人編程的實際練習(xí)，了解機器人在工業(yè)和服務(wù)業(yè)場景下的應(yīng)用。在編程處理機器人運動分析中，分析機器人按預(yù)定的軌跡行走的控制原理。61、熟悉機器人的運動控制，掌握其作業(yè)編程及操作步驟；2、掌握機器人的程序控制及應(yīng)用，了解機器人的模塊化組裝、調(diào)試、控制與維護方法。六、教材及參考書目教材:機器人學(xué)：建模、控制與視覺，熊有倫等，華中科技大學(xué)出版社，2018年。參考書目：1 機器人學(xué)，蔡自興等，清華大學(xué)出版社，2014年。2 工業(yè)機器人（第二版），韓建海主編，華中科技大學(xué)出版社，2012.3 機器人學(xué)導(dǎo)論，約翰.克雷格，機械工業(yè)出版社，2006七、教學(xué)方法（一）課堂講授1、采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨工思考、分析問題