《工業(yè)機(jī)器人原理及應(yīng)用》教學(xué)大綱

適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案

課程代碼：01140431

課程性質(zhì)：專業(yè)必修課

學(xué)分：2學(xué)分

學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)（理論26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)）

先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電工與電子技術(shù)等

后續(xù)課程：智能工廠集成技術(shù)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等

適用專業(yè)：智能制造工程

開課單位：機(jī)械工程學(xué)院

一、課程說明

《工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用》是智能制造工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。本課程主要介紹

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)及路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制理論、視覺系統(tǒng)圖像處理，為學(xué)習(xí)其他有關(guān)課

程及以后從事技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。本課程在保證基礎(chǔ)理論講授的同時(shí).，注重機(jī)器人的

運(yùn)動(dòng)控制理論和視覺智能技術(shù)。本課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，兼顧學(xué)科前沿技術(shù)和發(fā)展方

向的介紹，培養(yǎng)學(xué)生工業(yè)機(jī)器人操作編程能力和視覺圖像處理能力。

二、課程目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：

課程目標(biāo)1：能夠設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的矩隴表示；能夠設(shè)計(jì)開發(fā)T業(yè)機(jī)器人的

微分運(yùn)動(dòng)；能夠設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人常用的傳感器、驅(qū)動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

課程目標(biāo)2：能夠?qū)⒐I(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和軌跡規(guī)劃理論用于解決工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑

問題；能夠建立工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型：能夠猿視覺系統(tǒng)圖像處理基礎(chǔ)理論用于解

決工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)處理問題，并養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

課程目標(biāo)3：能夠構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的路徑與位置控制并得到合理有效結(jié)論；能夠

構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的仿真控制模型并得到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的

視覺圖像處理算法并得到合理有效結(jié)論。

三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求

《工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)智能制造工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。

表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系

支撐

畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)強(qiáng)度

1.工程知識(shí)：能夠?qū)?shù)1.4能夠?qū)I(yè)知識(shí)用課程目標(biāo)2：能夠?qū)⒐I(yè)機(jī)器人

學(xué)、自然科學(xué)、工程基于智能制造相關(guān)復(fù)雜動(dòng)力學(xué)和軌跡規(guī)劃理論用于解決

礎(chǔ)和智能制造專業(yè)知識(shí)工程問題解決方案的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑問題；能

用于分析解決智能制造比較、綜合和交流。夠建立工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)

領(lǐng)域的夏雜工程問題。學(xué)模型：能夠?qū)⒁曈X系統(tǒng)圖像處

H

理基礎(chǔ)理論用于解決工業(yè)機(jī)器人

的數(shù)據(jù)處理問題，并養(yǎng)成理論聯(lián)

系實(shí)際、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的

科學(xué)態(tài)度。

3.設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案：3.3能夠在設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)課程目標(biāo)1：能夠設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)

能夠設(shè)計(jì)針對(duì)智能制造節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，并機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的矩陣表示；能夠

工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題考慮社會(huì)、健康、安全、設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人的微分運(yùn)

的解決方案，設(shè)計(jì)滿足法律、文化以及環(huán)境等動(dòng)；能夠設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)機(jī)器人常

特定需求的系統(tǒng)與單元因素。用的傳感器、驅(qū)動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)系

（部件），并能夠在設(shè)統(tǒng)。M

計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意

識(shí)，考慮社會(huì)、健康、

安全、法律、文化以及

環(huán)境等因素。

4.研究：能夠基于科學(xué)4.3能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案課程目標(biāo)3：能夠構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)工

原理并采用科學(xué)方法對(duì)構(gòu)建并開展實(shí)驗(yàn)，能夠業(yè)機(jī)費(fèi)人的路徑與位置控制并得

智能制造工程領(lǐng)域相關(guān)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并實(shí)

復(fù)雜工程問題進(jìn)行研和解釋，并通過信息綜現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的仿真控制模型并

究，包括問題的提出與合得到合理有效的結(jié)得到合理有效結(jié)論；能夠構(gòu)建并

判斷，研究方案的設(shè)計(jì)論。實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的視覺圖像處理M

與實(shí)施，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相算法并得到合理有效結(jié)論。

關(guān)信息的分析與關(guān)聯(lián)，

通過研究得到合理有效

的結(jié)論。

注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。

四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配

1.理論部分

理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見表2。

表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配

實(shí)

理論驗(yàn)對(duì)應(yīng)的課

學(xué)

教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)時(shí)

學(xué)時(shí)程目標(biāo)

1.基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)要求：使學(xué)生了解了解機(jī)器人的

1.1引言產(chǎn)生和發(fā)展過程；掌握機(jī)器人的概念、

1.2機(jī)器人的分類；特點(diǎn)、及基本分類；熟悉機(jī)器人的應(yīng)

201

1.3機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)；用、組成以及主要性能參數(shù)；了解機(jī)

1.4機(jī)器人的組成部件；器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)；

1.5機(jī)器人的坐標(biāo);重點(diǎn)：機(jī)器人的坐標(biāo)與參考坐標(biāo)系；

1.6機(jī)器人的參考坐標(biāo)難點(diǎn)：機(jī)器人的坐標(biāo)與參考坐標(biāo)系。

系。

2.工業(yè)機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)

學(xué)

2.1工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的

教學(xué)要求：使學(xué)生熟悉工業(yè)機(jī)器人的

矩陣表示；

矩陣表示；掌握工業(yè)機(jī)器人齊次變換；

2.2齊次變換矩陣；

熟悉工業(yè)機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；

2.3變換的表示；

熟悉D-H表示。401、2、3

2.4變換矩陣的逆；

重點(diǎn)：工業(yè)機(jī)器人的矩陣表示；

2.5位置的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

難點(diǎn)：表示。

方程；D-H

2.6姿態(tài)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)

方程；

2.7D-H表示。

3.微分運(yùn)動(dòng)與速度

3.1概述；

3.2微分關(guān)系及雅可比

教學(xué)要求：使學(xué)生理解微分關(guān)系及雅

矩陣；

可比矩陣，微分運(yùn)動(dòng)及坐標(biāo)系的微分

3.3微分運(yùn)動(dòng)及坐標(biāo)系

運(yùn)動(dòng)，雅可比矩陣求逆；掌握坐標(biāo)系

的微分運(yùn)動(dòng)；201

之間的微分變化。

3.4坐標(biāo)系之間的微分變

重點(diǎn)：坐標(biāo)系的微分運(yùn)動(dòng)：

化；

難點(diǎn)：雅可比矩陣求逆。

3.5機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的

基本概念；

3.6雅可比矩陣求逆。

4.軌跡規(guī)劃

4.1路徑與軌跡；

4.2關(guān)節(jié)空間與直角坐標(biāo)教學(xué)要求：使學(xué)生了解路徑與軌跡；

空間;熟悉關(guān)節(jié)空間域直角坐標(biāo)空間；理解

4.3軌跡規(guī)劃基本原理；軌跡規(guī)劃基本原理：掌握關(guān)節(jié)的軌跡

221、2、3

4.3關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃；規(guī)劃；直角坐標(biāo)的軌跡規(guī)劃。

4.4直角坐標(biāo)的軌跡規(guī)重點(diǎn)：關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃；

劃。難點(diǎn)：關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。

5.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

5.1基本組成與結(jié)構(gòu)；教學(xué)要求：使學(xué)生了解基本組成與結(jié)

5.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與拉氏構(gòu)：

變換；理解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與拉氏變換；傳遞函

5.3傳遞函數(shù)與結(jié)構(gòu)圖;數(shù)與結(jié)構(gòu)圖；一階與二階傳遞函數(shù)特

5.4一階與二階傳遞函性；特征方程與穩(wěn)態(tài)誤差；掌握根軌

數(shù)特性；跡法：PID控制器；伯德圖與頻域分421、2、3

5.5特征方程與穩(wěn)態(tài)誤析：狀態(tài)空間控制方法。

差；重點(diǎn)：根軌跡法；PID控制器；

5.6根軌跡法；難點(diǎn)：伯德圖與頻域分析；狀態(tài)空間

5.7PID控制器;控制方法。

5.8伯德圖與頻域分析；

5.9狀態(tài)空間控制方法。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:基于MaUab進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的

PID控制；

2.工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)實(shí)驗(yàn)要求：了解Matlab軟件的基本語法和

22、3

動(dòng)控制使用方法;能夠通過Matlab對(duì)工業(yè)機(jī)器人

進(jìn)行仿真建模；能夠通過Matlab對(duì)工業(yè)機(jī)

器人進(jìn)行PID控制。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：對(duì)視覺系統(tǒng)獲取的圖像進(jìn)行處

理與分析；

3.視覺系統(tǒng)圖像處實(shí)驗(yàn)要求：能正確獲取視覺系統(tǒng)的圖像：

22、3

理與分析能選擇合理的圖像處理方法：能選擇適當(dāng)

的圖像處理軟件；能獨(dú)立.寫出圖像處理程

序；能得到適用的圖像處理結(jié)果。

合計(jì)6

五、教學(xué)方法及手段

本課程以課堂講授為主，采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)和案例教學(xué)等，促進(jìn)學(xué)生積極思考,

開發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生思考問題、分析問題和解決問題的能力；以“少而精”為原則，精

選教學(xué)內(nèi)容，精講多練；通過課堂教學(xué)雙方互相提問，與學(xué)生互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上發(fā)表

自己的對(duì)于智能制造過程中對(duì)工業(yè)機(jī)器人的見解，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，達(dá)到課程目標(biāo)。

六、課程資源

1.推薦教材：

(1)SaeedB.Niku.《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》(第二版)[M].電子工業(yè)出版社.2018年.

2.參考書：

(1)約翰J?克雷格.《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》(原書第4版)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2021年.

(2)PeterCroke.《機(jī)器人學(xué)、機(jī)器視覺與控制——Mallab算法基礎(chǔ)》[M].電子工業(yè)出

版社.2016年.

(3)熊有倫等.《機(jī)器人學(xué)建模、控制與視覺》[M].華中科技大學(xué)出版社.2018年.

3.期刊：

(1)《機(jī)器人》[J1.ISSN1002-0446.中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)與中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所.

(2)《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》[J].ISSNI004-6437.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一。研究所.

(3)《計(jì)算機(jī)工程》ULISSN：11396121.中國電子科技集團(tuán)

(4)RoboticsandCompuler-inlegraledManufacturingm.ElsevierLtd.

4.網(wǎng)絡(luò)資源：

(1)OFweek機(jī)器人網(wǎng)./.

(2)中國工控網(wǎng).htlp:〃www.gongkong.com/.

(3)中國機(jī)器人網(wǎng).hitp:〃/.

(4)中國機(jī)器人網(wǎng)./.

(5)機(jī)器人之家.https:〃/.

（6）中國大學(xué)MOOC（慕課）:https:〃/.

七、課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐

課程成績(jī)由過程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)

課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。

表4課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐

核

考占課程目標(biāo)

環(huán)

節(jié)考核/評(píng)價(jià)細(xì)則

比123

1

課（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考Vyl

堂核，滿分100分。

5

表（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比113

現(xiàn)例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。

（1）根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告4T7

過質(zhì)量單獨(dú)評(píng)分，滿分100分；

程實(shí)（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評(píng)分，取各次實(shí)驗(yàn)成績(jī)的平均值

20

性驗(yàn)作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。5510

考（3）以實(shí)驗(yàn)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)

核入課程總評(píng)成績(jī)。

（1）主要考核學(xué)生對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和4qq

掌握程度,滿分100分;

作（2）每次作業(yè)單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為

15

業(yè)此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。555

（3）以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)

入課程總評(píng)成績(jī)。

（1）卷面成績(jī)100分，以卷面成績(jī)乘以其在總評(píng)成7T

績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)。

期末（2）主要考核工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制理

60

考核論，驅(qū)動(dòng)器和傳感器，圖像處理等內(nèi)容。20355

（3）考試題型為：選擇題、簡(jiǎn)答題、計(jì)算題和編程

題等。

合計(jì)：100分314623

八、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定

1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定

考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、期末考試等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核

評(píng)價(jià)。

考核基本要求：考核總成績(jī)由期末試卷成績(jī)和過程性考核成績(jī)組成。其中：期末試

卷成績(jī)?yōu)?0（）分（權(quán)重60%）,試題類型為填空題、選擇題、判斷題、簡(jiǎn)答題、計(jì)算題

和分析題等類型，試卷中基本知識(shí)、基本理論、基本技能的試題分值不超過50%,綜合

應(yīng)用題、分析題不低于50%；課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)等過程性考核成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重

40%）：過程性考核和考試試題分值分配應(yīng)與教學(xué)大綱各章節(jié)的學(xué)時(shí)基本成比例。

2.過程性考核成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)

過程性考核方式重點(diǎn)考核內(nèi)容、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、所占比重見表5。

表5過程性考核方式評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

所占

考核方式比重100>x>9090>x>8080>x>7070>x>60x<60

(%)

積極參與教學(xué)認(rèn)真參與教

偶爾參與教

活動(dòng)，踴躍回學(xué)活動(dòng)，回上課不認(rèn)

學(xué)活動(dòng)，回答上課不認(rèn)真，

答問題、全程答問題、參真，偶爾參

課堂表現(xiàn)12.5%問題、線上討不參與教學(xué)

參與討論，準(zhǔn)與討論準(zhǔn)確與教學(xué)活