《重載機器人技術》課程教學大綱一、課程基本信息課程中文名稱重載機器人技術課程代號課程英文名稱Heavy-dutyRobotTechnology課程性質專業主干必修課開課學期3-1總學時40學分2.5實驗/上機學時4授課語言中文適用專業機器人工程專業先修課程機械制圖、機械原理、理論力學等教材熊曉燕、張金柱.《重載機器人技術》，機械工業出版社主要參考資源[1]機器人學導論約翰J.克雷格著.機械工業出版社[2]機器人機構學劉辛軍、于靖軍、孔憲文編著機械工業出版社[3]高等空間機構學黃真、趙永生、趙鐵石著，高等教育出版社二、課程性質和目標1.課程性質《重載機器人技術》是機器人工程專業核心課程，聚焦該領域技術知識傳授。課程注重理論與實踐結合，包含力學、運動學等理論，借助實驗、課程設計等實踐環節培養學生解決實際問題的能力。其基礎性顯著，為后續深造及科研、工程實踐打基礎。課程具有高度綜合性，融合多學科知識，要求學生具備跨學科知識運用及問題解決能力，凸顯學科交叉特點。2.課程目標課程目標1：通過教學，讓學生了解工業機器人發展歷程，掌握重載機器人定義、組成、參數、趨勢，熟悉其機構種類、組成、自由度分析與運動原理，以及多自由度空間機構相關知識。課程目標2：使學生初步掌握重載機器人機構的運動學、靜力學、動力學分析方法，以及機構設計、構型綜合、控制與傳感系統等設計。能運用知識，掌握基于機構設計相關裝備的技能，具備理論轉化為設計的初步能力。?課程目標3：利用工程實例與實踐環節，如課后習題、實驗等，增強學生工程意識，培養創新精神，提高解決工程問題的能力，讓學生掌握機器人工程專業基礎知識，為后續工作奠基。三、課程目標與畢業要求的支撐關系畢業要求畢業要求指標點課程目標1231具有良好的人文社會科學素養、較強的社會責任感和良好的工程職業道德（對應通用標準8）1.1具有良好的人文社會科學素養，能夠樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀1.2能夠堅持道德上正確的主張，堅持實踐正義的原則；愿為社會做出奉獻，具有較強的社會責任意識；樹立全心全意為人民服務的職業思想，忠于職守，遵紀守法，團結協作，熱愛本職工作，刻苦鉆研職業技術與業務，在職業活動中發揮創造才能1.3能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范，履行責任2具有解決機械工程領域復雜工程問題所需的相關數學、自然科學以及工程基礎和專業知識，并能夠用于解決復雜機械工程問題（對應通用標準1）2.1掌握機械工程工作所需的相關數學知識，并能夠用于解決復雜機械工程問題√2.2掌握機械工程工作所需的相關自然科學的知識，并能夠用于解決復雜機械工程問題√√√2.3掌握機械工程工作所需的相關力學及熱流體基礎知識，并能夠用于解決復雜機械工程問題2.4掌握機械工程工作相關的電工電子技術、材料科學及工程圖學基礎知識，并能夠用于解決復雜機械工程問題√√√2.5掌握機械工程相關的專業基礎知識，并能夠用于解決復雜機械工程問題√√√2.6系統掌握機械工程某一專業方向的專業知識和技能，并能夠用于解決復雜機械工程問題√√√3能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜機械工程問題，以獲得有效結論。（對應通用標準2）3.1能夠運用數學與自然科學的基本概念和語言對工程問題進行識別和描述√3.2能夠運用工程科學的基本原理對工程問題進行分析和表達√√3.3能夠針對機械系統或過程選擇、建立適當的模型，并對模型進行嚴謹的推理，給出解答√√√3.4能夠通過文獻分析，對復雜工程問題進行研究，獲得有效結論√√√4能夠針對復雜機械工程問題設計滿足特定需求的解決方案，能夠設計滿足特定需求的系統、部件、零件，能夠對零件加工工藝流程和部件、系統的裝配工藝流程進行設計，設計過程中具有創新意識，并能綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素（對應通用標準3）4.1能夠根據用戶需求確定設計目標，針對給定的工程問題提出解決方案√4.2能夠在安全、環境、法律、技術經濟等現實約束條件下對設計方案的可行性進行研究√4.3能夠設計滿足特定需求的系統、部件、零件4.4能夠對零件加工工藝流程和部件、系統的裝配工藝流程進行設計，對工藝方案進行優選，體現創新意識√√4.5能夠用圖紙、報告或實物等形式呈現設計成果√5能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜機械工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論。（對應通用標準4）5.1能夠基于科學原理，通過文獻研究或相關方法，調研和分析復雜工程問題的解決方案5.2能夠根據對象特征，采用科學方法，對機械零件、結構、裝置、系統等選擇研究路線、制定實驗方案5.3能夠根據實驗方案構建實驗系統，安全地開展實驗，正確地采集實驗數據√5.4能對實驗結果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結論6掌握文獻檢索、資料查詢及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法，具有在機械工程實踐中開發、選擇并使用各種技術、技能和現代化工程工具的能力，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。（對應通用標準5）6.1掌握文獻檢索、資料查詢、調研的基本方法；掌握運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；了解專業常用的現代儀器、工程工具和模擬軟件的使用原理和方法，并理解其局限性6.2能夠選擇與使用恰當的儀器、信息資源、工程工具和專業模擬軟件，對復雜機械工程問題進行分析、計算與設計√6.3能夠針對具體的對象，開發或選用滿足特定需求的現代工具，模擬和預測專業問題，并能夠分析其局限性7知識面寬廣，了解與機械專業相關的職業和行業的生產、設計、研究與開發的法律、法規，熟悉環境保護和可持續發展等方面的方針、政策和法津、法規等現代社會問題的知識，能正確認識機械工程對于客觀世界和社會的影響（對應通用標準6、7）7.1了解機械專業相關領域的技術標準體系、知識產權、產業政策和法律法規，理解不同社會文化對機械工程活動的影響√7.2能夠分析和評價機械專業工程實踐對社會、健康、安全、法律、文化的影響，以及這些制約因素對機械工程項目實施的影響，并理解應承擔的責任，在法律和制度的框架下展開相應工作7.3了解環境保護和可持續發展的理念和內涵，理解科技進步與環境及可持續發展之間的辯證關系；能夠站在環境保護和可持續發展的角度思考專業工程實踐的可持續性，評價產品周期中可能對人類和環境造成的損害和隱患√8具有一定的組織管理能力、溝通協作能力和人際交往能力以及在團隊中發揮作用的能力，具有一定的國際視野和跨文化交流、溝通與合作能力；（對應通用標準9、10）8.1在復雜工程活動中，能夠理解和撰寫效果良好的報告和設計文件，并能進行有效的陳述發言，表達研究或設計的具體思想、思路、方案、所采取的措施和效果等，針對交流對象，能夠準確表達自己的思想8.2具有較強的人際交往能力，能夠在組織內外進行較好的交往，包括團隊中成員間的交往、團隊間的交往以及與團隊外環境的交往，具有良好的理解能力、人際融合能力8.3具有在團隊中發揮作用的能力，理解團隊合作的重要性，具有在不同的位置上盡其所能、與其他成員協調合作的團隊精神和能力8.4具備國際交流能力，能夠與不同國家、不同地域和不同文化背景的專業工程師和技術人員開展技術交流、合作共事9理解并掌握機械工程管理原理與經濟決策方法，并能在多學科環境中應用（對應通用標準11）9.1掌握機械工程項目中涉及的管理與經濟決策方法；了解機械工程及機械產品全周期、全流程的成本構成，理解其中涉及的工程管理與經濟決策問題。9.2能在多學科環境下(包括模擬環境)，在設計開發解決方案的過程中，運用工程管理與經濟決策方法。√10.具有自主學習和終身學習的意識以及不斷學習和適應發展的能力。（對應通用標準12）10.1了解知識發展特點，對終身學習的必要性有正確的認識10.2掌握自主學習的方式方法，具有自我教育和持續學習的能力四、教學內容各環節的學時分配教學環節教學內容及要求學時分配理論教學第一章緒論本章系統性的介紹重載機器人的發展概況、定義及組成、發展應用、技術參數、及發展趨勢，使學生對重載機器人技術課程及歷史有一個基本了解。1重載機器人機構設計教學內容及基本要求要求學生了解重載機器人機構的基本組成和常見形式，掌握重載機器人自由度分析方法，構型綜合方法。培養學生對機械零部件選型、設計優化的能力。重點：明確自由度的基本概念、計算方法以及與約束的關系。掌握約束螺旋理論的基本原理。了解構型綜合的實際應用。難點：自由度約束分析。基于約束螺旋和集理論的構型綜合原理。重載機器人零件設計。4第三章重載機器人運動學分析教學內容及基本要求要求學生掌握機器人位形知識，獲得機器人運動學模型推導與求解的能力。理解工作空間與速度分析方法。了解運動性能指標及誤差分析、建模、標定、辨識與補償方法。重點：用旋轉矩陣、歐拉角、R-P-Y角，旋量的方法描述剛體的運動。學會推導重載機器人運動學數學模型。應用運動學模型求解工作空間。難點：旋量描述剛體運動及各旋量關系。工作空間求解。誤差模型建立與參數辨識。6重載機器人靜力學與靜剛度分析教學內容及基本要求要求學生掌握重載機器人連桿受力分析。理解靜力雅可比矩陣。掌握剛度、柔度概念，學會基于旋量理論構建空間柔度矩陣。掌握機器人靜剛度建模。了解力學性能評價。重點：連桿受力分析及靜力平衡方程應用。靜力雅可比矩陣求解及力映射分析應用。基于力雅可比矩陣的力學性能。難點：基于旋量理論的空間柔度矩陣建模。力約束性能評價指標。2重載機器人動力學分析教學內容及基本要求要求學生掌握重載機器人構件線速度、角速度、加速度計算，理解其關聯，明確質量、質心、轉動慣量、慣性張量概念并能運算。學會基于牛頓-歐拉和拉格朗日方程進行動力學建模。了解模態分析基礎。理解動剛度概念，了解建模及辨識。重點：構件加速度、慣性等物理量計算分析。基于牛頓-歐拉與拉格朗日方程的動力學建模。模態分析方法。難點：基于拉格朗日方程的動力學建模。實驗模態分析。動剛度建模與辨識。6重載機器人軌跡規劃教學內容及基本要求要求學生掌握重載機器人位形知識，能夠運用運動學方程、坐標系變換等數學方法，掌握其位移分析特點與方法，并將這些知識應用于軌跡規劃實踐中。掌握軌跡規劃的基本方法。掌握軌跡規劃性能指標。重點：掌握運動約束條件，掌握三次多項式軌跡規劃方法。難點：五次多項式軌跡規劃方法。時間、能量最優軌跡規劃。8重載機器人運動控制技術教學內容及基本要求掌握常見通信接口特性、適用場景，能依需求選擇；理解Modbus等常用通信協議原理。學習集中式等控制系統架構、原理、優缺點，。掌握基于PID的位置控制原理；理解自主任務規劃、多機器人協同控制方法。掌握常用傳感器的工作原理、應用及數據處理方法。重點：通信接口與協議原理及應用。搭建控制系統方法。位置、自主任務規劃、多機器人協同控制方法。難點：通信協議配置。分布式與現場總線控制系統集成調試。自主任務規劃與多機器人協同控制算法實現與優化。6基于強化學習的重載機器人的交互控制教學內容及基本要求掌握強化學習的基本原理和算法。理解柔順控制算法，掌握算法特點與適用場景。掌握基于力傳感器等外部傳感器的檢測方法和原理。了解基于強化學習的碰撞檢測方法。掌握激光雷達等環境感知與建模理論，了解構建環境地圖的方法。重點：基于強化學習重載機器人交互控制策略及碰撞檢測方法。難點：基于強化學習的變阻抗位置/力控制策略設計實現。無外部傳感器的碰撞檢測方法。基于強化學習的在線軌跡規劃算法。3實驗教學實驗教學序號實驗項目名稱學時實驗類型內容提要演示驗證設計綜合創新1重載機器人的機構組成與驅動方案1√注意實現自鎖與互鎖的方法2重載機器人的運動學與工作空間驗證1√了解集中控制與分散控制的特點3重載機器人控制系統組成1√正反轉控制一定要防止短路，設置互鎖4重載機器人軌跡規劃與運動控制1√注意順序控制的邏輯4五、教學內容與課程目標的對應關系教學內容課時安排課程目標第一章緒論1課程目標1第二章重載機器人機構設計4課程目標1、2第三章重載機器人的運動學分析6課程目標1、2第四章重載機器人靜力學與靜剛度分析2課程目標1、2第五章重載機器人動力學分析6課程目標1、2第六章重載機器人軌跡規劃8課程目標1、2第七章重載機器人運動控制技術6課程目標1、2第八章基于強化學習的重載機器人的交互控制3課程目標1、2實驗教學4課程目標3六、課程成績構成與考試方式1.課程成績構成與考試方式課程成績=平時成績（20%）+期末考試（80%）期末考試方式：閉卷2.課程考核與畢業要求的關系課程考核與畢業要求關系成績組成考核/評價環節所支撐的畢業要求指標點平時成績（20分）學生平時的考勤及作業（10分）2.5，4.4實驗報告（10分）實驗一5.3實驗二實驗三實驗四期末考試（80分）試題1、2、3、4、5、62.5，4.4，5.3七、課程達成度評價目標的依據與持續改進目標1.課程達成度評價依據畢業要求支撐的畢業要求指標點目標值2