工业机器人及其应用 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《工业机器人及其应用》教学大纲 课程编号： 302213020 课程类型： 选修课 Course Code: 302213020 Course Type: Elective 课程名称： 工业机器人及其应用 授课对象： 本科四年级学生 Course Name: Industrial robot and its appiction Audience: The senior 学时/学分： b2/2 授课语言： 中文 Credit Language of Chinese Hours/Credits struction Mandarin 先修课程： 假性代数、理论力学、机械设计、控制工开课院系： 机械工程系 Prerequisite: 程 Course offered by: Department of near algebra,Theoretical Mechanics, Mechanical Eng Mechanical Design,Control Engineering 适用专业： 机械设计制造及其自动化专业 授课教师： 胡晓兵、胡瑞飞 Intended for: Mechanical Design,Manufacturing and Hu Xiaobing. Automation Hu rui fei 大纲执笔人： 阙晓兵 大纲审核人： 传业负责人 Edited by: Hu xiaobing Inspected by: Course Leader 一、课程简介 工业机器人技术是智能制造系统的核心技术之一，是未来先进制造技术的重要发展方向。 工业机器人涉及到机械、电子、控制、通讯、传感器等工程技术领域问题，也需要高等数学、 线性代数、理论力学、材料科学等基础理论学科。本课程的目的主要讲解工业机器人的基础 理论和开发工业机器人的一些关键技术，主要涉及有工业机器人的构型、运动学方程、动力 学、关键功能部件、智能感知技术等内容。 通过该课程的学习，满足学生了解有关工业机器人及概念及基本工作原理，掌握一些开 发工业机器人的基础理论和专业知识，学会工业机器人的主要关键功能部件和智能感知技术 的选型和应用。学习应用工业机器人构建典型的应用系统。 二、学习目标 1、理解工业机器人的基本概念，了解当前工业机器人的发展状态与发展趋势：了解关
1 工业机器人及其应用 四川大学制造科学与工程学院本科课程 《工业机器人及其应用》教学大纲 课程编号： Course Code: 302213020 302213020 课程类型： Course Type: 选修课 Elective 课程名称： Course Name: 工业机器人及其应用 Industrial robot and its application 授课对象： Audience: 本科四年级学生 The senior 学时/学分： Credit Hours/Credits 32/2 32/2 授课语言： Language of Instruction 中文 Chinese Mandarin 先修课程： Prerequisite: 线性代数、理论力学、机械设计、控制工 程 linear algebra, Theoretical Mechanics, Mechanical Design, Control Engineering 开课院系： Course offered by: 机械工程系 Department of Mechanical Eng. 适用专业： Intended for: 机械设计制造及其自动化专业 Mechanical Design, Manufacturing and Automation 授课教师： Instructor: 胡晓兵、胡瑞飞 Hu Xiaobing, Hu rui fei 大纲执笔人： Edited by: 胡晓兵 Hu xiaobing 大纲审核人： Inspected by: 专业负责人 Course Leader 一、课程简介 工业机器人技术是智能制造系统的核心技术之一，是未来先进制造技术的重要发展方向。 工业机器人涉及到机械、电子、控制、通讯、传感器等工程技术领域问题，也需要高等数学、 线性代数、理论力学、材料科学等基础理论学科。本课程的目的主要讲解工业机器人的基础 理论和开发工业机器人的一些关键技术，主要涉及有工业机器人的构型、运动学方程、动力 学、关键功能部件、智能感知技术等内容。 通过该课程的学习，满足学生了解有关工业机器人及概念及基本工作原理，掌握一些开 发工业机器人的基础理论和专业知识，学会工业机器人的主要关键功能部件和智能感知技术 的选型和应用。学习应用工业机器人构建典型的应用系统。 二、学习目标 1、 理解工业机器人的基本概念，了解当前工业机器人的发展状态与发展趋势；了解关
节机器人、SCARA机器人、直角坐标机器人、并联机器人以及混合机器人的结构形式，能 区分它们的结构特点，熟悉它们的应用场景。熟悉工业机器人上常用传感器技术，并能根据 不同应用场合选择和应用相应的传感器技术。 2、学习工业机器人结构和运动分析的数学基础，掌握工业机器人空间运动学的分析方 法，能根据不同结构形式工业机器人，建立工业机器人运动学方程：了解工业机器人动力学 的含义及意义，掌握工业机器人控制系统的基本原理。结合工业机器人运动学和动力学综合 分析，学习多关节机器人空间轨迹规划方法，掌握工业机器人离线编程技术的相关内容。 3、以案例的方式，让学生熟悉并掌握一些典型工业机器人应用系统的设计方法。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 毕业要求指标点 课程目标 (1)能够将数学、自然科学、机械工 13能够运用数学、自然科学、工程基 程基础知识和专业知识用于解决机械 础和专业知识解决机械工程领域的复学习目标2 工程领域设计、制造、运行等方面的复 杂工程问题。 杂工程问题。 9)能够认识到机横设计制造工程额)1能够认识到机械工程领城设计 域的跨学科特征，能够在多学科背景下 制造、运行等方面复杂工程问题的 学习目标】 的团队中承担团队成员以及负责人的 学科特征： 职责。 (12)了解机械设计制造及其自动化刻 线的新理论、新技术及国内外发展动2.1了解当前机械设计制造及其自云 学习目标 态，具有自主学习和终身学习的意识，化领域的整体发展状态与发展趋势： 有不断学习和适应发展的能力。 四、学习内容与基本要求 第一章概述（支撑教学目标1（毕业要求指标点12.1）) 1、介绍机器人及工业机器人的基本概念、类型和发展趋势。 2、了解不同构型的机器人分类特点。 3、了解机器人学与人工智能的关系 第二章：数理基础（支排教学目标2（单业要求指标点1.3）) 1、不同构型的机器人位姿描述数学建模 2、机器人系统的坐标概念，机器人坐标变换。 3、机器人系统坐标变换及逆变换。 要求学生：掌握专置矩阵、齐次矩阵、逆矩阵的概念。学习不同坐标系之间的平移及旋
2 节机器人、SCARA 机器人、直角坐标机器人、并联机器人以及混合机器人的结构形式，能 区分它们的结构特点，熟悉它们的应用场景。熟悉工业机器人上常用传感器技术，并能根据 不同应用场合选择和应用相应的传感器技术。 2、 学习工业机器人结构和运动分析的数学基础，掌握工业机器人空间运动学的分析方 法，能根据不同结构形式工业机器人，建立工业机器人运动学方程；了解工业机器人动力学 的含义及意义，掌握工业机器人控制系统的基本原理。结合工业机器人运动学和动力学综合 分析，学习多关节机器人空间轨迹规划方法，掌握工业机器人离线编程技术的相关内容。 3、 以案例的方式，让学生熟悉并掌握一些典型工业机器人应用系统的设计方法。 三、学习目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 毕业要求指标点 课程目标 （1）能够将数学、自然科学、机械工 程基础知识和专业知识用于解决机械 工程领域设计、制造、运行等方面的复 杂工程问题。 1.3 能够运用数学、自然科学、工程基 础和专业知识解决机械工程领域的复 杂工程问题。 学习目标 2 （9）能够认识到机械设计制造工程领 域的跨学科特征，能够在多学科背景下 的团队中承担团队成员以及负责人的 职责。 9.1 能够认识到机械工程领域设计、 制造、运行等方面复杂工程问题的跨 学科特征； 学习目标 3 （12）了解机械设计制造及其自动化领 域的新理论、新技术及国内外发展动 态，具有自主学习和终身学习的意识， 有不断学习和适应发展的能力。 12.1 了解当前机械设计制造及其自动 化领域的整体发展状态与发展趋势； 学习目标 1 四、 学习内容与基本要求 第一章概述（支撑教学目标 1（毕业要求指标点 12.1）） 1、 介绍机器人及工业机器人的基本概念、类型和发展趋势。 2、 了解不同构型的机器人分类特点。 3、 了解机器人学与人工智能的关系 第二章：数理基础（支撑教学目标 2（毕业要求指标点 1.3）） 1、 不同构型的机器人位姿描述数学建模。 2、 机器人系统的坐标概念，机器人坐标变换。 3、机器人系统坐标变换及逆变换。 要求学生：掌握专置矩阵、齐次矩阵、逆矩阵的概念。学习不同坐标系之间的平移及旋
转变换。能根据不同构型的机器人，定义其坐标系，并能对其进行数学建模。 第三章：机器人运动学（支排教学目标2（毕业要求指标点1.3）》 1、学习不同构型的机器人运动学方程的建立及求解。 2、结合某实例机器人构建其运动学方程，并能独立应用数学工具求解所建立的运动学 方程。 3、机器人运动学仿真分析。 要求学生：理解机器人运动学方程的意义，学会机器人运动学分析，并能独立进行运动 学方程的建立和求解。掌握六关节机器人正运动学方程建立方法及运动学方程求解方法（即 逆运动学方程) 第四章：机器人动力学（支撑教学目标2（毕业要求指标点13）) 1、了解机器人动力学的工程意义。 2、刚体动力学基础，动力学方程的求解方法， 3、二连杆机械手动力学方程的建立。根据动力学方程导出机械手的速度、动能、位能 和动力学方程的一般表达式。 要求学生：了解机器人动力学的意义，并通过最简单的二连杆结构，让学生了解动力学 方程建立的方法及应用场景。 第五章：机器人控制（支撑教学目标2（华业要求指标点1.3）) 1、机器人控制的基木原则。 2、机器人的位置控制。包括机器人位置控制的基本结构、控制系统建模。构建单关节 控制器的传递函数，确定其参数并，进行稳态误差分析。多关节耦合误差分析。 3、机器人的力和位置混合控制。 4、几种典型的智能控制系统。主要包括梯阶控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、 神经网络控制系统、学习控制系统及进化控制系统等。 要求学生：掌握机器人控制的基本概念，学会机器人位置控制系统的建模方法，掌握力 和位置混合控制系统规律。了解几个典型智能控制系统的概念及构建方法。 第六章：机器人传感器（支撑教学目标1（毕业要求指标点12.1）) 1、机器人传感器的类型， 2、介绍机器人主要的内传感器。主要有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力 传感器等等。 3、介绍机器人主要的外传感器。主要有触觉传感器、应力传感器、接近传感器、温度 传感器、视觉传感器等等。 要求学生：了解机器人常用的传感器及其用途。掌握常用传感器的使用方法 第七章：机器人轨迹规划（支撑教学目标2（单业要求指标点1.3）) 1、了解机器人轨迹规划的意义。 3
3 转变换。能根据不同构型的机器人，定义其坐标系，并能对其进行数学建模。 第三章：机器人运动学（支撑教学目标 2（毕业要求指标点 1.3）） 1、学习不同构型的机器人运动学方程的建立及求解。 2、结合某实例机器人构建其运动学方程，并能独立应用数学工具求解所建立的运动学 方程。 3、机器人运动学仿真分析。 要求学生：理解机器人运动学方程的意义，学会机器人运动学分析，并能独立进行运动 学方程的建立和求解。掌握六关节机器人正运动学方程建立方法及运动学方程求解方法（即 逆运动学方程） 第四章：机器人动力学（支撑教学目标 2（毕业要求指标点 1.3）） 1、了解机器人动力学的工程意义。 2、刚体动力学基础，动力学方程的求解方法。 3、二连杆机械手动力学方程的建立。根据动力学方程导出机械手的速度、动能、位能 和动力学方程的一般表达式。 要求学生：了解机器人动力学的意义，并通过最简单的二连杆结构，让学生了解动力学 方程建立的方法及应用场景。 第五章：机器人控制（支撑教学目标 2（毕业要求指标点 1.3）） 1、机器人控制的基本原则。 2、机器人的位置控制。包括机器人位置控制的基本结构、控制系统建模。构建单关节 控制器的传递函数，确定其参数并，进行稳态误差分析。多关节耦合误差分析。 3、机器人的力和位置混合控制。 4、几种典型的智能控制系统。主要包括梯阶控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、 神经网络控制系统、学习控制系统及进化控制系统等。 要求学生：掌握机器人控制的基本概念，学会机器人位置控制系统的建模方法，掌握力 和位置混合控制系统规律。了解几个典型智能控制系统的概念及构建方法。 第六章：机器人传感器（支撑教学目标 1（毕业要求指标点 12.1）） 1、机器人传感器的类型。 2、介绍机器人主要的内传感器。主要有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力 传感器等等。 3、介绍机器人主要的外传感器。主要有触觉传感器、应力传感器、接近传感器、温度 传感器、视觉传感器等等。 要求学生：了解机器人常用的传感器及其用途。掌握常用传感器的使用方法。 第七章：机器人轨迹规划（支撑教学目标 2（毕业要求指标点 1.3）） 1、了解机器人轨迹规划的意义
2、关节机器人关节轨迹的插值计算方法。主要有三次多项式插值，高阶多项式插值， 抛物线过波的线性插值等。 3、以六关节机器人抓取螺栓装配入螺栓孔为实例，进行其路径轨迹规划。 要求学生：了解机器人路径规划的意义，并掌握常用的轨迹规划插值算法 第八章：工业机器编程（支撑教学目标2（毕业要求指标点1.3）) 1、机器人编程的要求及语言类型。 2、介绍VAL、SIGLA、IML、AL等常用机器人编程语言。 3、机器人离线编程的意义及主要内容。学会将机器人运动学计算、机器人路径规划等 内容融入到机器人离线编程中，并了解机器人运动学仿真、动力学仿真的意义和方法。 4、基于Mathlab的机器人学仿真。 要求学生：了解工业机器人示教编程、离线编程的概念、各自的优缺点及主要的应用场 合。学习工业机器人离线编程的方法及其主要内容。 第九章：工业机器应用（支撑教学目标3（毕业要求指标点9.1）) 1、了解机器人主要应用的领域。工业机器人典型的应用领域。 2、基于工业机器人的物料搬运系统。 3、基于工业机器人的焊接生产线。 4、基于工业机器人的喷涂生产线。 要求学生：通过学习几种典型的基于工业机器人的应用系统，让学生掌握基于工业机器 人应用系统的构建方法。 五、 建议教学进度 章节名称 学时数 第一章绪论 2 第二章数理基础 第三章机器人运动学 5 第四章机器人动力学 2 第五章机器人控制 2 第六章机器人传感器 第七章机器人轨迹规划 第八章机器人编程 第九章机器人应用
4 2、关节机器人关节轨迹的插值计算方法。主要有三次多项式插值，高阶多项式插值， 抛物线过渡的线性插值等。 3、以六关节机器人抓取螺栓装配入螺栓孔为实例，进行其路径轨迹规划。 要求学生：了解机器人路径规划的意义，并掌握常用的轨迹规划插值算法。 第八章：工业机器编程（支撑教学目标 2（毕业要求指标点 1.3）） 1、机器人编程的要求及语言类型。 2、介绍 VAL、SIGLA、IML、AL 等常用机器人编程语言。 3、机器人离线编程的意义及主要内容。学会将机器人运动学计算、机器人路径规划等 内容融入到机器人离线编程中，并了解机器人运动学仿真、动力学仿真的意义和方法。 4、基于 Mathlab 的机器人学仿真。 要求学生：了解工业机器人示教编程、离线编程的概念、各自的优缺点及主要的应用场 合。学习工业机器人离线编程的方法及其主要内容。 第九章：工业机器应用（支撑教学目标 3（毕业要求指标点 9.1）） 1、了解机器人主要应用的领域。工业机器人典型的应用领域。 2、基于工业机器人的物料搬运系统。 3、基于工业机器人的焊接生产线。 4、基于工业机器人的喷涂生产线。 要求学生：通过学习几种典型的基于工业机器人的应用系统，让学生掌握基于工业机器 人应用系统的构建方法。 五、 建议教学进度 章节名称 学时数 第一章 绪论 2 第二章 数理基础 5 第三章 机器人运动学 5 第四章 机器人动力学 2 第五章 机器人控制 2 第六章 机器人传感器 4 第七章 机器人轨迹规划 4 第八章 机器人编程 4 第九章 机器人应用 4
六、教学策略与方法 1、采用多媒体课件、视频资料、实物模型和传统教学相结合进行教学。 2、通过课外作业，检验学生对教学知识点的掌握程度。 3、通过案例分析，讲解工业机器人及其应用系统的设计基本理论和方法。 七、考核方式 笔试、小论文、课后作业、课堂讨论 八、成绩评定方法 平时成绩占50%，包括出勤及平时考核等： 期末考试成绩占50% 九、教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等】 [蔡自兴等编，《机器人学基础》，机械工业出版社 [2 John J..Craig,《机器人学导论》，机械工业出版社 3)膝宏春主编，《工业机器人与机械手》，电子工业出版社 [4叶辉主编，《工业机器人典型应用案例精析》，机械工业出版社 [)兰虎主编，《工业机器人技术及应用》，机械工业出版社
5 六、 教学策略与方法 1、采用多媒体课件、视频资料、实物模型和传统教学相结合进行教学。 2、通过课外作业，检验学生对教学知识点的掌握程度。 3、通过案例分析，讲解工业机器人及其应用系统的设计基本理论和方法。 七、 考核方式 笔试、小论文、课后作业、课堂讨论 八、 成绩评定方法 平时成绩占 50%，包括出勤及平时考核等； 期末考试成绩占 50% 九、 教学参考书与其他相关教学资源（如网上教学资源等） [1] 蔡自兴等编，《机器人学基础》，机械工业出版社 [2] John J. Craig，《机器人学导论》，机械工业出版社 [3] 滕宏春主编，《工业机器人与机械手》，电子工业出版社 [4] 叶辉主编，《工业机器人典型应用案例精析》，机械工业出版社 [5] 兰虎主编，《工业机器人技术及应用》，机械工业出版社