工业机器人技术

第一部分

前 言

一、课程性质

工业机器人课程是机电一体化各专业方向的一门专业技术课，是一门多学科的综合性技术，它涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容。其目的是使学生了解工业机器人的基本结构，了解和掌握工业机器人的基本知识，使学生对机器人及其控制系统有一个完整的理解，培养学生在机器人技术方面分析与解决问题的能力，培养学生在机器人技术方面具有一定的动手能力，为毕业后从事专业工作打下必要的机器人技术基础。

二、课程设计理念

本课程的教学以高等职业教育培养目标为依据，遵循“结合理论联系实际，应知、应会”的原则，以拓展学生专业知识覆盖面为重点；

注重培养学生的专业思维能力。重点通过对主流工业机器人产品的讲解，使学生对当前工业机器人的技术现状有较为全面的了解，对工业机器人技术的发展趋势有一个明确的认识，为学生进入社会做前导；

把创新素质的培养贯穿于教学中。采用行之有效的教学方法，注重发展学生专业思维和专业应用能力，通过简单具体的实例深入浅出地讲解专业领域的知识。

三、课程设计思路

以点带面，讲解授课为主的教学方式。课程主要可以分为机械、运动、控制、感觉等几个部分，内容较多。课堂教学上，我们使用重点突破的方法，讲解一个或者两个典型的实例，让学生触类旁通，举一反三，从而带动整个知识面的学习。

我们让学生联系已学各门科目的知识点，达到温故知新的目的。由于涉及的已学课程较多，学生由于基础薄弱，前面课程的遗忘率不容忽视，所以在讲解的过程中，对一些重要的知识点，我们还要做一个较为详细的说明，从而可以加强学生的知识储备，为本课程的学习扫清障碍。

传统的教学手段与现代教育技术手段灵活运用：板书、实物模型、多媒体课件等。尤其是在机械部分，考虑到学生的立体思维能力较为薄弱，多媒体和实物模型的使用能更好地帮助学生理解工业机器人各部分的工作原理。

第二部分

课程目标

一、课程目标

《工业机器人技术》是一门培养学生具有机器人设计和使用方面基础知识的专业课，本课程主要研究机器人的结构设计与基本理论。通过本课程的学习，使学生掌握工业机器人基本概念、机器人运动学理论、工业机器人机械系统设计、工业机器人控制等方面的知识。

本课程的主要目标是培养学生四个方面的能力： 1、掌握工业机器人运动系统设计方法，具有进行总体设计的能力； 2、掌握工业机器人整体性能、主要部件性能的分析方法； 3、掌握工业机器人常用的控制理论与方法，具有进行工业机器人控制系统设计的能力； 4、了解工业机器人的新理论，新方法及发展趋向。

二、职业能力目标

（一）、知识目标

1．了解机器人的由来与发展、组成与技术参数，掌握机器人分类与应用，对各类机器人有较系统地完整认识。

2．了解机器人运动学、动力学的基本概念，能进行简单机器人的位姿分析和运动分析。

3．了解机器人本体基本结构，包括机身及臂部结构、腕部及手部结构、传动及行走机构等。

4．了解机器人轨迹规划和关节插补的基本概念和特点。

5．了解机器人控制系统的构成、编程语言与编程特点。

6．了解工业机器人工作站及生产线的基本组成和特点。

7．对操纵型机器人、智能机器人有一般的了解。

（二）、能力目标

《工业机器人》是机电系专业课，通过本课程的学习，能使学生掌握机器人机构设计、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合，通过这门课的学习，使学生对机器人有一个全面、深入的认识，培养学生综合运用所学基础理论和专业知识进行创新设计的能力，并相应的掌握一些实用工业机器人控制及规划和编程方法。

（三）、素质目标

本课程系统地介绍了机器人设计、控制、编程和使用的理论基础和技术要点，包括工业机器人的一

般概论，机器人运动学，静力/动力学分析，工业机器人机械系统设计，工业机器人的控制和工业机器人的应用等内容。通过课程学习，使学生掌握工业机器人的基本原理、基础知识，对工业机器人机械系统的总体设计方法有初步了解。

第三部分

课程内容设计

一、课程项目设计

《机电一体化技术》项目设计

项目名称

子项目名称

教学模式

学时

1.工业机器人概述

1.1理解工业机器人的由来和发展、定义、研究领域和学科范围；

一体化教学

4 1.2工业机器人的分类和应用以及主要技术参数；

一体化教学

2.机器人本体的机械结构

2.1工业机器人的外形结构与运动；

一体化教学

6 2.2机身机构，臂部机构，驱动机构，手部机构和行走机构；

一体化教学

2.3工业机器人机械设计的基本要求；

一体化教学

3.工业机器人的驱动方法

3.1工业机器人的液压驱动和气压驱动；

一体化教学

6 3.2直流伺服电动机驱动；

一体化教学

3.3

步进电机和交流伺服电机驱动；

一体化教学

4.工业机器人的位置姿态描述

4.1齐次坐标、齐次变换；

一体化教学

4 4.2变换方程的建立；

一体化教学

5.工业机器人的运动学

5.1连杆坐标系和连杆参数，简单的连杆坐标系变换矩阵；

一体化教学

4 5.2典型机器人运动学正问题解，机器人运动学逆解；

一体化教学

6.工业机器人的控6.1工业机器人控制概述，单关节机器人控一体化教学

4 制

制建模与控制系统；

6.2多关节机器人的控制，机器人控制系统的硬件结构及接口；

一体化教学

7.工业机器人的感觉系统

7.1机器人传感器的选择要求，位置和位移传感器

一体化教学

4 7.2机器人的视觉传感系统，机器人的接近觉传感器，机器人的触觉、力觉和压觉传感器。

一体化教学

总学时

32

二、项目内容及实施

包括项目及子项目名称、学时、学习目标、学习内容、教学方法和建议、工具与媒体、学生已有基础、教师所需执教能力要求。

项目编号

能力训练、项目名称

知识内容及要求

技能内容及要求

训练方式手段及步骤

项目一

工业机器人概述

1.1理解工业机器人的由来和发展、定义、研究领域和学科范围；

1.2工业机器人的分类和应用以及主要技术参数；

1. 了解机器人的发展历史；

2. 掌握工业机器人的技术参数；

3. 能通过铭牌了解机器人的功能。

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

项目二

机器人本体的机械结构

2.1工业机器人的外形结构与运动；

2.2机身机构，臂部机构，驱动机构，手部机构和行走机构；

2.3工业机器人机械设计的基本要求；

1. 理解机器人的概念和分类； 2. 掌握机器人本体的机械结构的组成，机器人的外形结构与运动、机身和臂部机构、驱动机构；

3. 了解机器人的手部机构、行走机构；理解机器人机械设计的基本要求；

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

动手操作法

头脑风暴法

提问引导

巡回指导法

项目三

工业机器人的驱动方法

3.1工业机器人的液压驱动和气压驱动；

3.2直流伺服电动机驱动；

3.3步进电机和交流伺服电机驱动；

掌握机器人的交流电动机驱动、直流电动机驱动、液压驱动和气压驱动方法；

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

项目四

工业机器人的位置姿态描述

4.1齐次坐标、齐次变换；

4.2变换方程的建立；

1.

理解齐次坐标、齐次变换的概念，学会变换方程的建立方法；

2.

掌握机器人位置与姿态矩阵的定义、几何意义；

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

项目五

工业机器人的运动学

5.1连杆坐标系和连杆参数，简单的连杆坐标系变换矩阵；

5.2典型机器人运动学正问题解，机器人运动学逆解；

1.

重点理解连杆坐标系、连杆参数、机器人连杆坐标系变换矩阵、雅可比矩阵的概念；

2.

学会典型机器人的运动学正问题求解方法； 3. 掌握机器人运动学分析的D-H方法；

4. 了解雅可比矩阵的定义、物理意义、学习矢量积法构造雅可比矩阵的基本原理；

5. 了解机器人运动学逆解的基本方法；

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

项目六

工业机器人的控制

6.1工业机器人控制概述，单关节机器人控制建模与控制系统；

6.2多关节机器人的控制，机器人控制系统的硬件结构及接口；

1.

掌握工业机器人的控制方式；

2.

掌握单关节机器人控制建模与控制原理；

3.

理解多关节机器人的控制原理；

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

项目七

工业机器人的感觉系统

7.1机器人传感器的选择要求，位置和位移传感器

7.2机器人的视觉传感系统，机器人的接近觉传感器，机器人的触觉、力觉和压觉传感器。

掌握机器人位置和位移传感器、视觉传感系统、接近觉传感器、触觉传感器、力觉传感器和压觉传感器的基本型式。

项目驱动法

多媒体讲授法

师生互动法

学生讨论法

第四部分

实施建议与教学改革

一、教学评价与考核方式

（一）、对学生的评价

1.考核内容

参看第三部分知识内容及要求。

2.考核方法

本课程的成绩评定由平时成绩（40%）和考试成绩（60%）两部分组成。平时成绩包括出勤、讨论课成绩和作业成绩3部分。每项具体评分标准如下：

1．出勤及讨论课成绩满分为20分，出勤成绩=出勤次数/统计次数×10，出勤次数由课前学生签名为依据，统计次数为学生出勤考核总次数。讨论课成绩10分，由讨论课后提交的报告情况评分。 2．作业成绩满分为20分，平时作业最终成绩=累计作业成绩/作业次数，每次作业成绩依据学生提交作业的正确情况评分，每次作业成绩按满分20分打分，雷同记0分，平时作业最终成绩为累计作业成绩的平均成绩。

3．试卷成绩满分为60分，试卷成绩依据学生考试试卷按照标准答案评分。

（二）、对教师的评价

按照学校相关规定进行。

（三）、对课程体系的评价

按照《课程建设工作条例》评价。

二、教学建议

1.本课程在教学活动中，应立足于加强学生实际操作能力的培养，采用项目教学，提高学生的学习兴趣。

2.本课程的教学关键是现场教学，“教”与“学”互动，教师示范，学生操作，学生提问，教师解答、指导。

3.在教学过程中，按照职业要求，创设工作情境，强化实际操作训练；要紧密结合职业技能证书的考核，在实操训练中，使学生掌握相关的工业机器人结构知识。

4.在教学过程中，尽可能多的采用实物教学、多媒体教学、现场教学模式。

5.尽量采用小班化教学，利于理论与实践一体化教学。

6.教师应因材施教，着力培养学生对本课程的学习兴趣，从而提高学生的学习主动性和积极性。

7.教师应具有双师型工作能力，具有与课程内容相关的工业机器人维修能力，边操作、边演示、边讲解。

三、评价建议

1.改革考核手段和方法，加强实践环节的考核，可采用过程考核和结果考核相结合的考核方法。

2.结合课堂提问、学生作业，平时测验、实验实训、及考试情况，综合评定学生的成绩。

3.应注重对学生动手能力和在实践中分析问题、解决问题能力的考核。对在学习和应用上有创新的学生应特别给予鼓励，综合评价学生的能力。 四、课程资源的开发与利用

1.注重实训指导书和实训标准的开发和应用。

2.常用课程资源的开发和利用。利用多媒体软件、电子教案、工业机器人各系统总成实物以及示教台架等课程资源创设生动形象的教学情境，激发学生的学习兴趣，促进学生对知识的理解和掌握。建议加强常用课程资源的开发，简历多媒体课程资源的数据库，努力实现跨学校多媒体资源的共享，以提高资源利用效率。

3.积极开发和利用网络课程资源。从分利用网络信息资源，使教学媒体从单一媒体向多种媒体转变。

4.创造一体化教学设备条件。具备进行多媒体教学和现场教学的专业教室；具备工业机器人维修、检测级故障诊断所必需的实训设备和场所。

5.产学合作开发实验实训课程资源。充分利用各维修企业的资源，进行校企合作，建立实训基地，满足学生的实训需求，在此过程中进行实训课程资源开发，同时为学生提供就业机会，开辟就业渠道。

6.开放式实验实训中心的利用。最大程度地利用开放式实训基地，进行实验实训、现场教学，满足学生职业能力培养的需求。

五、教材的编写与使用建议

1.教材应图文并茂，提高学生的学习兴趣，加深学生对于汽车发动机结构的认识。

2.对于涉及本专业岗位的实践活动，教材应以岗位的操作规程为基准，并将其纳入其中。

3.教材内容应不断拓展。将工业机器人的新技术、新结构、新材料、新工艺及时地纳入教材，以满足工业机器人维修业不断发展的实际需要。

4.建议为教材配置专门的多媒体光盘，以利教学和学生自学。