機器人教學課程解決方案
一、課程簡介：
工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。機器人技術及應用是一門綜合性較強的學科，主要講授機器人技術及應用的基本知識、基本理論和基本方法。機器人技術是集力學、機械學、生物學、人類學、計算機科學與工程、控制論與控制工程學、電子工程學、人工智能、社會學等多學科知識之大成，是一項綜合性很強的新技術。
本課程的任務是使學生主要了解機器人的分類與應用、機器人運用與動力學基本概念、3D打印機技術在機器人領域的應用、機器人本體基本結構、機器人軌跡規(guī)劃、機器人控制系統(tǒng)的構成及編程語言、典型工業(yè)機器人自動線的基本組成及特點等內(nèi)容，對機器人及其控制系統(tǒng)有一個完整的理解。培養(yǎng)學生在機器人技術方面分析與解決問題的能力，培養(yǎng)學生在機器人技術方面具有一定的動手能力，為畢業(yè)后從事"工業(yè)機器人"及"服務機器人"系列的模擬、編程、調(diào)試、操作、銷售打下必要的機器人技術基礎。
二、課程性質(zhì)與定位：
工業(yè)機器人課程定位于為企業(yè)培養(yǎng)能夠完成工業(yè)機器人編程、操作的應用型人才。其前修課程有高等數(shù)學、線性代數(shù)、電子電路原理、數(shù)字電路原理、模擬電路原理、信號與系統(tǒng)、機械設計基礎、C/C++編程基礎 、arduino基礎等。
三、課程設計思路：
本課程總體采取分模塊教學，包括：基礎訓練、應用綜合實訓、拓展應用。三部分既相互區(qū)分又相互聯(lián)系，由淺入深，由單片機到系統(tǒng)，技術具有連續(xù)性。由實驗平臺模擬到實際工業(yè)現(xiàn)場應用，讓學生逐步掌握機器人技術、工業(yè)機器人現(xiàn)場應用與操作、工業(yè)控制與運動控制等機器人實用技術。
基礎訓練：3D打印技術的學習、設計以及打印，機器人技術的理論知識學習，機械臂的本體結構組裝。
應用綜合實訓：機械臂的整體結構應用調(diào)試、完成機械臂的噴漆、涂膠、焊接、抓取、吸盤等工業(yè)機器人典型應用。
拓展應用：在熟悉機械臂操作的前提下，融合多機械電子相關設備，如：AGV+機械臂、機械臂+視覺等。
在掌握機器人高級技術應用的同時，訓練學生動手能力、操作能力和故障檢測維護能力。同時通過教育娛樂創(chuàng)新機器人的演示與操作，寓教于樂，提高學生學習興趣、拓寬知識面，為在更高領域的研究夯實基礎。系統(tǒng)提供開放性的平臺，可根據(jù)教學需要與專業(yè)建設要求開展多層次全方位的二次開發(fā)與研究，也可結合機器人技術與當?shù)毓I(yè)背景開展應用課題研究。
全部課程都安排在機器人實驗室上課，每一個項目都有實踐環(huán)節(jié)，每一次的學習過程就是工作的過程，并且在實踐操作中注意培養(yǎng)學生的安全生產(chǎn)、規(guī)范操作意識、團隊合作意識，每一次的考核評價都有相關內(nèi)容，這種職業(yè)素質(zhì)實在任何企業(yè)都應具備的。采用行為引導型教學法根據(jù)項目任務通過視頻、圖像、實訓設備等，使學生了解工業(yè)機器人在各種場合的應用。
可根據(jù)教學需要與專業(yè)建設要求開展多層次全方位的二次開發(fā)與研究，也可結合機器人技術與當?shù)毓I(yè)背景開展應用課題研究。機器人實驗室套裝主要分為3D打印機套裝、機械臂3D打印件套裝、機械臂零部件套裝、機械臂模塊件套裝和桌面型六軸機械臂成品。
對于機器人的工業(yè)應用著重講解其各種結構形式及應用場合，通過該項目使學生對機器人學科有全面認識，提高學生的學習興趣。
四、課程培養(yǎng)目標
1、知識目標：
1.了解機器人的由來與發(fā)展、組成與技術參數(shù)，掌握機器人分類與應用，
對各類機器人有較系統(tǒng)的完整認識；
2.學習和掌握3D打印技術在機器人技術中的應用；
3.了解機器人本體基本結構，包括機身及臀部結構、腕部及手部結構等；
4.應用3D打印技術制作機械臂典型零件，掌握3D打印技術工藝分析；
5.掌握組裝機械臂本體結構；
6.熟悉機械臂的運動規(guī)劃；
7.了解機器人軌跡規(guī)劃與關節(jié)插補的基本概念和特點；
8.掌握工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本構成及操作方法；
9.掌握機器人語言的基本程序命令和編程方法；
10.熟悉噴漆、涂膠、焊接、抓取、吸盤等工業(yè)機器人典型應用；
2、能力目標：
1.能夠準確理解機器人本體的基本構成和運用學、動力學基本原理；
2.學會正確操作工業(yè)機器人，能獨立或小組協(xié)作完成規(guī)定的實驗與實訓；
3.具備識圖和儀器儀表使用的基礎能力；
4.會觀察和分析實驗與實訓現(xiàn)象，編制、調(diào)試、運行程序，熟練掌握編程軟件的使用；
5.會查閱相關手冊和產(chǎn)品使用說明書，正確閱讀和分析實際應用程序；
3、素質(zhì)目標：
1.具備搜集相關技術資料，盡快熟悉新接觸設備和新工作場景的能力；
2.具備潛心鉆研的職業(yè)精神和必要的創(chuàng)新能力；
3.具備獨立學習，靈活運用所學知識獨立分析問題并解決問題的能力；
4.具備工作安全意識與自我保護能力；
5.能自覺遵守單位的規(guī)章制度和職業(yè)道德，有強烈的工作責任感。
五、課程內(nèi)容與教學要求：
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序號 |
教學綱要 |
教學內(nèi)容與教學要求 |
相關參考書籍 |
參考學時 |
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1 |
機器人學導論 |
機器人的由來與發(fā)展，機器人的定義， 機器人技術的研究領域與學科范圍； 機器人的主要應用領域及其特點； 機器人的組成與主要技術參數(shù)。 機器人的主要分類形式； |
《機器人學導論》 《機器人學基礎》
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2 |
3D打印與機器人技術 |
什么是3D打印技術 3D打印技術的由來及發(fā)展歷史 幾種典型的3D打印機 3D打印技術在機器人領域的應用 |
《3D打印建模》 《三維設計與3D打印》 |
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3 |
桌面級六自由度機械臂 |
開源桌面級六軸機械臂簡介 桌面級六軸機械臂的組成 |
《機器人手冊》 |
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4 |
機械臂典型零件3D打印工藝 |
機械臂典型零件3D打印工藝流程 機械臂典型3D打印零件后處理流程 |
《3D打印成型工藝及技術》 |
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5 |
機械臂散件組裝工藝 |
機械臂零部件預裝； 模塊化組裝； 機械臂整機總裝； 機械臂線纜安裝 |
《工業(yè)機器人零部件結構設計》 |
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6 |
機器人常用傳感器介紹 |
位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、接近與距離傳感器。 |
《機器人手冊》 《機器人學》
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7 |
機械臂控制電路介紹 |
機械臂電路控制原理 單片機主控結構解析 |
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機械臂控制方法 |
掌握機器人機械機構的自由度和工作空間； 對機器人的位姿分析有初步的了解； 掌握機器人的傳感器的分類等基本概念； 初步掌握機器人的控制系統(tǒng)以及系統(tǒng)的主要構成； |
《機器人手冊》 《機構與機器人動力學研究》 |
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9 |
D-H參數(shù)表的建立 |
根據(jù)機械臂的平面尺寸參數(shù)，五軸、六軸機械臂的D-H參數(shù) |
《機器人學、機器視覺與控制——MATLAB算法基礎》
《機械臂運動學》
《機器人學》
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FK算法，在仿真軟件上驗證 |
根據(jù)機械臂的平面尺寸參數(shù)，五軸、六軸機械臂的D-H參數(shù) |
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11 |
FK算法，在仿真軟件上驗證 |
建立齊次矩陣，進行FK算法的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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12 |
IK算法，在仿真軟件上驗證 |
建立齊次矩陣，進行IK算法的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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直線軌跡規(guī)劃，在仿真軟件上驗證 |
進行直線軌跡規(guī)劃的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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14 |
微分運動和速度，在仿真軟件上驗證 |
進行微分運動和速度的理論計算 按照接口規(guī)范編寫代碼實現(xiàn)并且在仿真軟件上驗證 |
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綜合練習1-在實體機械臂上完成仿真軟件上實現(xiàn)的整體流程動作 |
在仿真軟件上實現(xiàn)一個完整的機械臂動作流程 獲取相關數(shù)據(jù)，在實體機械臂上編碼實現(xiàn)動作流程 |
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綜合練習2-與機器視覺結合，使用實體機械臂完成九點標定和物體的抓取 |
機器視覺halcon編程的學習 完成九點標定 使用實體機械臂實現(xiàn)物體定位抓取 |
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機械臂應用案例 |
熟悉噴漆、涂膠、焊接、抓取、吸盤等工業(yè)機器人典型應用 |
《工業(yè)機器人典型應用案例精晰》 |
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機械臂拓展應用 |
AGV+機械臂 機械臂+視覺 |
《機器人學、機器視覺與控制——MATLAB算法基礎》 |
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實訓項目 |
項目1：機械臂夾取貨物搬運 項目2：機械臂噴漆設備 項目3：機械臂點焊電路板 項目4：機械臂涂膠 |
《工業(yè)機器人實操與應用技巧》 《工業(yè)機器人典型應用案例精晰》 |
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五、機器人實驗室：
機器人實驗室相關實驗套裝主要涵蓋機械、電子、軟件3大領域，分為51種標準件，11種非標定制件，30種3D打印零部件（不包含電子類），科學的結構設計，靈活的控制方案，多樣的功能搭配，大大節(jié)省了開設機器人實驗室的開支。精心的產(chǎn)品制造，配備豐富的軟性資源和齊全的組裝說明書，旨在讓每一個學生都可以體驗科學技術的神奇，感受機器人的魅力，打造出低成本，高效益的機器人實驗室。
機器人實驗室以小組分配制，相互合作，互學互鑒，提高學生的學習效率以及合作能力。可根據(jù)教學需要與專業(yè)建設要求開展多層次全方位的二次開發(fā)與研究，也可結合機器人技術與當?shù)毓I(yè)背景開展應用課題研究。機器人實驗室相關實驗套裝設備主要有3D打印機套裝、機械臂3D打印散件套裝、機械臂金屬零部件套裝、機械臂外設傳感模塊套裝和桌面型六軸機械臂成品機。
3D打印機：
理念圖：
機器人實驗室效果圖：
六、教學條件與設施要求：
1.多媒體教學設施
本課程的教學是在機器人實驗室進行，多媒體教學能將抽象、生澀、陌生的知識直觀化、形象化，激發(fā)學生學習興趣，調(diào)動其主動學習的積極性，增大教學信息量，有效拓展課時容量，提高教學質(zhì)量。運用形式多樣的課件教學，能活躍課堂氛圍，加深鞏固教學內(nèi)容，使學生感受到學習的喜悅，寓學于樂。
2.教學條件
教師應采用實物教學，讓學生在實際的實訓或生產(chǎn)環(huán)境中學習。要重視現(xiàn)代教育技術與課程的整合，充分發(fā)揮計算機、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代媒體的優(yōu)勢，提高教學的質(zhì)量和效果。
建立機器人一體化實驗室，充分利用實驗與實訓教學，以提高學生學習的興趣和課堂教學質(zhì)量。
3.實施建議
1.在教學中要加強基本操作技術和技能的訓練，掌握好組織教學、講解、示范和講評等各個教學環(huán)節(jié)。貫徹講解與師范相結合、集體指導與個別指導相結合的教學方法。
2.在基本技能操作訓練中，教師要注意激發(fā)學生的學習積極性和客服困難的信心，勤學苦練，扎扎實實的練好基本功。
3.在技能訓練的整個教學過程中，要注意培養(yǎng)學生愛護工具和設備的習慣。
4.在技能訓練的過程中，必須加強安全教育，嚴格執(zhí)行機器人安全操作規(guī)程。
4.教材編寫建議
教材編寫應以本課程標準為依據(jù)，合理安排必修和選修內(nèi)容。教材內(nèi)容應體現(xiàn)以就業(yè)為導向、以學生為主體的原則，將知識與生產(chǎn)中的實際應用相結合。
1.以項目（課題）為中心，突出實踐動手能力，可以將課程分解成若干個項目（課題），按項目（課題）編寫教材。
2.不依據(jù)某種教材組織教學，鼓勵按照人才培養(yǎng)目標對教學內(nèi)容重新進行設計。
3.教材應充分體現(xiàn)任務驅(qū)動、實踐導向的教學思路，以完成典型工作任務來驅(qū)動，通過實際案例、情境模擬、資訊單、實施單、檢查單、評價單等和課后拓展作業(yè)等多種手段，根據(jù)工業(yè)機器人工作過程的工作順序和所需相應知識的深度及廣度來組織編寫，使學生在教學活動任務中感受到各知識點之間的連貫性和完整性。
4.教材應突出實用性、開放性和專業(yè)定向性，應避免把專業(yè)能力理解為純粹的技能操作，應該注重理論與實用技術的兼顧，同時要具有前瞻性，把握本專業(yè)領域的發(fā)展趨勢，將工業(yè)機器人領域的新技術、新方法和新理論及時補充進教材中。
5.教材應以學生為本，文字表述要簡明扼要，內(nèi)容展現(xiàn)應圖文并茂，突出重點，重在提高學生學習的主動性和積極性。
6.教材編排要求取材新穎，充分考慮到學生的特點，內(nèi)容表述深入
5.常用術語解釋：
1.自由度：描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)，手指的開合以及手指關節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。
2.工作空間：機器人手腕參考點或末端操作器安裝點所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。
3.工作速度：指機器人各個方向的移動速度或轉動速度。
4.承載能力：機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。
5.重復性：機器人重復到達某一目標位置的差異程度。
6.定位精度：機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置的差距。
7.示教器：進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數(shù)設置以及監(jiān)控用的手持裝置。
8.機器人線性運動：安裝在機器人第六軸法蘭盤上的工具在空間中做線性運
動。
9.人機交互系統(tǒng)：使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置。
七、主要技術規(guī)格和參數(shù)配置要求：
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序號 |
項目名稱 |
技術參數(shù) |
功能用途 |
數(shù)量 |
單位 |
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1 |
3D打印機 |
成型技術：熔融沉積技（FDM）外包裝：40*40*75CM 成型體積：底面直徑200MM 高度300MM 產(chǎn)品尺寸：35*35*70 M 打印精度：0.05-0.4MM 產(chǎn)品重量：10KG 定位精度：X,Y,Z 0.05MM 包裝重量：12KG 耗材規(guī)格：1.75MM PLA 噴頭直徑：0.4MM 工作溫度：15℃-35℃ 存放溫度：0℃-35℃ 控制軟件: CURA 14.12 電壓：AC100-240V 50-60HZ 文件格式：STL、AMF、OBJ 電流：DC24V 5A 操作系統(tǒng)：WINDOWS 7 MAC OSX 打印時：20-250MM/s 移動時：300MM/S 結構：鋁合金件 外殼：亞克力板材 熱床：3MM 6系鋁合金熱床 步進電機：1.8度步進角 1/16細分 導軌：工業(yè)級線性導軌 |
采用鋁合金機身，更加穩(wěn)定可靠。 打印尺寸大，最大可到直徑200，高度300MM。 機型搭配自動調(diào)平傳感器，調(diào)平非常簡單。打印速度較快，大大節(jié)約保貴時間。 整機零件全部采用高品質(zhì)部件，確保設備長時間工作的可靠性和穩(wěn)定性 |
10 |
臺 |
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2 |
桌面六軸機器人 |
軸 運動范圍 最大單軸線速度 第1軸 ±180° 200mm/s 第2軸 ±115° 200mm/s 第3軸 ±130° 200mm/s 第4軸 ±180° 200mm/s 第5軸 ±165° 200mm/s 第6軸 ±180° 200mm/s 水平行程： 980mm 重量（KG）： 15 垂直行程： 886.3mm 結構形式： 串聯(lián) 軸數(shù)： 6軸 電源電壓： 220V/110V 電源功率： 360W 額定負載（KG）： 1 最大工作半徑 482.3mm 控制器： 單片機 重復精度（mm）： ±0.5 電機： 步進電機 減速裝置： 同步帶減速 本體外殼材質(zhì)： 工程塑料 安裝方式： 桌面 提供3D圖紙，方便學生建模仿真。
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應用領域： ★教育行業(yè)：機械裝配教學、機器人知識普及、機器學習教學、創(chuàng)客教育、機器人二次開發(fā)、機器人職業(yè)教育課程 ★基礎訓練： 機器人技術的理論知識學習，3D打印技術的學習、設計以及打印，機械臂的本體結構組裝，機器人控制算法及編程。CCD圖像處理訓練 ★應用綜合實訓： 機械臂的整體結構應用調(diào)試、完成機械臂的抓取、搬運、焊接等工業(yè)機器人典型應用。 拓展應用： 在熟悉機械臂操作的前提下，融合多機械電子相關設備。如：AGV+機械臂、機械臂+視覺等。 標準配置：機械臂本體+控制器 可選配末端： 1.吸盤套裝，可實現(xiàn)吸盤吸取和搬運。 2.模擬焊接，可實現(xiàn)工業(yè)機器人焊接模擬演示。 3.氣動夾爪，可以實現(xiàn)工件的夾取搬運。 4.機器人噴涂，可以實現(xiàn)工業(yè)機器人噴涂演示 5.大頭筆夾具，可實現(xiàn)寫字畫畫。 |
15 |
臺 |
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3 |
吸盤套裝 |
吸盤套裝，由微型氣泵、氣管、真空吸嘴等組成，可實現(xiàn)吸盤吸取和搬運。 負壓負載：700g |
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5 |
套 |
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4 |
模擬焊機 |
模擬焊接，可實現(xiàn)工業(yè)機器人焊接模擬演示。 電壓：5V 現(xiàn)象：模擬工業(yè)焊接場景時火花和響聲 |
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5 |
個 |
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5 |
氣動夾爪 |
氣動夾爪末端，可實現(xiàn)對物體的抓取。 運動類型：平行開閉 夾持寬度：20mm 夾持質(zhì)量：500g |
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5 |
套 |
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5 |
噴槍設備 |
機器人噴涂，可以實現(xiàn)工業(yè)機器人噴涂演示。 噴槍型號：101噴槍（臺灣） 壓力桶容量：10L 夾具：與101噴槍配套 空壓機型號：2X800W-50L 配套電磁閥 配套8mm氣管 8mm氣管轉8mm氣管轉接頭 |
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2 |
套 |
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6 |
大頭筆夾 |
大頭筆夾具，可實現(xiàn)寫字畫畫。 大頭筆2支； 末端夾具：與大頭筆配套 |
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5 |
套 |
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7 |
工作臺 |
尺寸： 80cm長X80cm寬X75cm高 框架材質(zhì)：6061鋁合金型材 工作臺面材質(zhì)：防靜電膠皮 |
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20 |
臺 |
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8 |
凳子 |
尺寸： 30cm長X30cm寬X47cm高 框架材質(zhì)：冷軋鋼 工作臺面材質(zhì)：防靜電膠皮 |
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20 |
張 |
