1、機器人學課程教學大綱、課程基本信息英文名稱Robotics課程代碼IMEE1054課程性質專業必修課授課對象智能制造工程專業學分2學時36指定教材機器人學：建模、控制與視覺，熊有倫等，華中科技大學出版社二、課程目標（一）總體目標：機器人學是智能制造工程專業培養計劃中一門高度交叉、前沿的重要專業必修課程，融合了運動學/動力學分析、機械學、控制理論與工程、計算機技術、人工智能等多學科內容的綜合性新技術應用課程.通過該課程的學習，使學生了解并掌握機器人學相關的基本理論和方法，具有現代機器人系統設計、分析、應用等基本能力和以后從事相關科學研究和技術工作的能力。本課程針對智能制造工程專業的特點，主要介紹

2、機器人數學基礎、工業機器人、服務機器人的基本機械結構設計、運動學與動力學分析，以及機器人傳感器和控制技術等基礎理論和技術基礎知識，并以實際工程應用為背景，安排各類機器人實樣參觀、專題講座、實驗等內容。通過本課程教學，不但使學生掌握機器人技術的基本理論知識，使學生對各類機器人技術和開發方法有所了解，同時通過課程設計等活動培養其在邏輯思維、科學研究和設計實踐上的能力，從而培養學生綜合運用機器人技術解決智能制造領域實際工程問題的能力。（二）課程目標：課程目標1:學習并掌握現代機器人的基本理論及方法，具有應用機器人解決工程問題的創新意識和能力；（支撐畢業要求1）課程目標2：學習并掌握工業機器人、服務機

3、器人的狀態檢測和控制技術，具有利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力；（支撐畢業要求2）課程目標3：學習并掌握現代機器人的總體設計、技術設計和詳細結構設計及控制系統設計等內容,具有根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的能力；（支撐畢業要求3）課程目標4：評定方法包括課后作業（15%）、實驗（20%）、項目研究（15%）和期末考試（50%）環節,總評成績以百分計，滿分100分，各考核環節所占分值比例和根據具體情況微調。2. 課程目標的考核占比與達成度分析表5：課程目標的考核占比與達成度分析表課程贏、課后作業15%綜合實驗20%綜合設計15%期末考試50%達成度課程目標18

4、0%20%40%36課程月標220%10%20%15課程目標340%60%20%27課程目標4一30%40%20%22總評達成度100%100%100%100%100（三）評分標準課程目標評分標準90-10080-8970-7960-69<60優良中合格不合格ABCDF課程目標1充分掌握機器人結構、運動學和動力學等理論知識，了解機器人建模的方法，能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，具備較強的綜合能力，能夠設計最優方案。較好掌握機器人結構、運動學和動力學等理論知識，較好了解機器人建模的方法，能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，

5、較好地具備較強的綜合能力，能夠設計最優方案。基本掌握機器人結構、運動學和動力學等理論知識，基本了解機器人建模的方法，基本能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，基本具備綜合能力，能夠設計最優方案。對機器人結構、運動學和動力學等理論知識有一定的掌握，對機器人建模的方法有一定了解，基本能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，具備一般的綜合能力，能夠設計一般的方案。初步掌握機器人結構、運動學和動力學等理論知識，初步了解機器人建模的方法，但不能夠利用機器人解決實際工程問題的方案，并與其它解決方案相互比較綜合，綜合能力較差，不能夠設計最優方案。課程

6、充分掌握機器人控較好掌握機器人控基本掌握機器人對機器人控制涉初步掌握機器人課程目標評分標準90-10080-8970-7960-69<60優良中合格不合格ABCDF目標2制涉及傳感器檢測、控制方案設計、控制算法選擇等理論和方法，具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力。制涉及傳感器檢測、控制方案設計、控制算法選擇等理論和方法，較好地具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力。控制涉及傳感器檢測、控制方案設計、控制算法選擇等理論和方法，基本具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力。及傳感器檢測、控制方案設計、控制算法選擇

7、等理論和方法基本了解，了解如何利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力。控制涉及傳感器檢測、控制方案設計、控制算法選擇等理論和方法，但不具備利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力。課程目標3能夠通過對機器人技術體系的整體學習，結合實際應用需求，學生能夠綜合運用所學知識，針對機器人在實際工程應用中的方案，可具體設計行走機構、執行機構、控制系統等部件的方案，并加以實現。具備根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的能力。較好的通過對機器人技術體系的整體學習，結合實際應用需求，學生可以綜合運用所學知識，針對機器人在實際工程應用中的方案，可具體設計行走機構、執行

8、機構、控制系統等部件的方案，并加以實現。較好根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的能力。基本能夠通過對機器人技術體系的整體學習，結合實際應用需求，學生可以綜合運用所學知識，針對機器人在實際工程應用中的方案，可具體設計行走機構、執行機構、控制系統等部件的方案，并加以實現。基本具備根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的能力。通過對機器人技術體系的整體學習，結合實際應用需求，學生具備-定的綜合運用所學知識，針對機器人在實際工程應用中的方案，可具體設計行走機構、執行機構、控制系統等部件的方案，并加以實現。具備根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的初步能力。通過對機器人技術體系的初步學習，結合實際

9、應用需求，初步運用所學知識，針對機器人在實際工程應用中的方案，初步設計行走機構、執行機構、控制系統等部件的方案，并加以實現。但不具備根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的能力。課程目標4能夠通過MATLAB或Python語言，掌握對機器人編程、調試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎。具備應用相關實驗方法解決實際工程問題的能力。較好通過MATLAB或Python語言，掌握對機器人編程、調試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎。較好具備應用相關實驗方法解決實際工程問題的能力。基本能夠通過MATLAB或Python語言，基本掌握對機器人編程、調試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎。基本具

10、備應用相關實驗方法解決實際工可以通過MATLAB或Python語言，初步掌握對機器人編程、調試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎。初步具備應用相關實驗方法解決實際初步掌握MATLAB或Python語言，初步掌握對機器人編程、調試等技能，為今后解決實際工程問題奠定基礎。但不具備應用相關實驗方法解決實際課程目標評分標準90-10080-8970-7960-69<60優良中合格不合格ABCDF程問題的能力。工程問題的能力。工程問題的能力。通過機器人的實驗，獲得相關實驗設計和實驗技能的基本訓練，具有應用相關實驗方法解決實際工程問題的能力。（支撐畢業要求5）（三）課程目標與畢業要求、課程內容的

11、對應關系表1：課程目標與課程內容、畢業要求的對應關系表課程目標課程子目標對應課程內容對應畢業要求課程目標1學習并掌握現代機器人的基本理論及方法，具有應用機器人解決工程問題的創新意識和能力；1. 機器人學數理基礎2. 機器人運動學3. 機器人靜力計算與動力學分析1.工程知識：能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決智能制造系統分析、設計、集成的復雜工程問題。課程目標2學習并掌握工業機器人、服務機器人的狀態檢測和控制技術，具有利用先進控制理論和方法進行機器人控制并完成具體工程應用的能力；1. 機器人傳感器2. 機器人視覺3. 機器人控制2.問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原

12、理，識別、表達、并通過文獻研究分析智能制造系統的分析、設計、集成、優化、管控問題，以獲得有效結論。課程目標3學習并掌握現代機器人的總體設計、技術設計和詳細結構設計及控制系統設計等內容，具有根據實際工程問題設計相應機器人解決方案的能力；1. 機器人機械系統設計2. 機器人應用3.設計/開發解決方案：能夠設計針對復雜智能制造系統的分析、設計、集成、管控問題的解決方案，設計滿足特定需求的智能工廠和制造流程，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。課程目標4通過機器人的實驗，獲得相關實驗設計和實驗技能的基本訓練，具有應用相關實驗方法解決實際工程問題的能力。1.

13、機器人軌跡規劃與編程2. 機器人技術實驗教學5.使用現代工具：能夠針對智能制造系統的分析、設計、集成、管控問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性。三、教學內容第1章：緒論（3學時）通過本章內容的教學，使學生了解機器人學的起源與發展，討論機器人學的定義，分析機器人的特點、結構與分類。主要內容：1、機器人學的發展。2、機器人的特點、結構與分類。3、機器人學與人工智能的關系。目標及要求：1、明確本課程的研究對象、內容、性質、任務；2、了解機器人的定義、應用領域與發展方向；3、了解機器人的組成、分類及技術參數；4、掌握機器

14、人學與人工智能的關系。第2章：機器人機構（3學時）通過本章內容教學，學生掌握機器人機械系統的整體構造，了解各部件的設計方法和典型結構，為接下來機器人運動分析和控制提供基礎。主要內容：1、機器人總體設計2、驅動機構3、機身和臂部設計4、工業機器人腕部設計5、手部設計6、行走機構設計目標及要求：1、熟悉機器人總體設計內容2、熟悉機器人臂部、手腕、手部和機身設計3、掌握部分設計要領和典型結構第3-4章：機器人學數理基礎（4學時）通過本章內容的教學，使學生掌握空間任意點的位置和姿態變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉變換等。主要內容：1、位置和姿態的描述。2、坐標變換。3、齊

15、次坐標變換。4、物體的變換及逆變換。5、通用旋轉變換。目標及要求：1、掌握位置與姿態、機器人的坐標系統；2、掌握齊次變換的方法第5章：機器人運動學（3學時）通過本章內容的教學，使學生掌握機器人運動學分析的基礎，機器人D_H參數法以及運動學方程的建立與求解等。主要內容：1、工業機器人連桿參數及其坐標變換2、機器人運動方程的表示。3、機械手運動方程的求解。目標及要求：1、掌握機器人連桿參數及其齊次變換矩陣2、重點學習工業機器人運動學方程第6-7章：機器人靜力計算與動力學分析（3學時）通過本章內容的教學，使學生能夠掌握機器人動力學方程、動態特性和靜態特性；著重分析速度雅克比、力雅克比以及機械手動力學

16、方程的求解方法，即拉格朗日功能平衡法；然后總結出建立拉格朗日方程的步驟。主要內容：1、機器人速度雅克比矩陣2、機器人靜力計算3、機器人動力學分析目標及要求：1、掌握機器人速度雅克比矩陣與速度分析2、掌握機器人力雅克比與靜力計算3、學會機器人動力學分析。第8章機器人軌跡規劃（2學時）本章主要講授機器人的運動軌跡與規劃，使機器人更智能，更精確。主要內容：1、機器人軌跡規劃方法2、關節軌跡的插值計算目標及要求：1、了解工業機器人的軌跡規劃方法2、掌握三次多項式插值方法第9-10章：機器人控制（4學時）通過本章內容的教學，使學生了解機器人的控制原則、控制方法和典型控制策略。主要內容：1、機器人控制的特

17、點與方式2、機器人的軌跡控制3、機器人的力控制目標及要求：1、掌握機器人控制的特點與方式2、了解機器人軌跡控制、力控制的方法第14-15章機器人傳感器與視覺（4學時）本章內容涵蓋了各類型傳感器在機器人本體、操作手及操作對象方面的各類應用。重點講述機器人視覺系統及運動控制。主要內容：1、機器人的傳感器概述2、常用傳感器原理及應用3、機器人視覺及視覺運動控制目標及要求：1、了解機器人感覺系統原理2、了解常用傳感器的原理、特點及應用3、了解機器人視覺運動控制方法第16章輪式移動機器人（4學時）本章主要講授輪式移動機器人的運動和控制原理，機器人定位與導航基礎知識。主要內容：1、輪式機器人運動學和動力學

18、建模2、移動機器人定位3、SLAM與導航目標及要求：1、了解輪式移動機器人的建模方法2、了解移動機器人定位與導航方法。實驗部分：機器人技術綜合實驗、專題講座（6學時）實驗內容：1、通過現場講解機器人的機械結構、動力系統、傳統系統、傳感系統、控制系統等機器人各部分的組成，加深對機器人工作原理的理解。2、以機器人為實驗平臺，輔助多種傳感器，通過智能創新實驗項目的練習，增強學生對課堂理論知識的理解。3、通過對機器人編程的實際練習，了解機器人在工業和服務業場景下的應用。在編程處理機器人運動分析中，分析機器人按預定的軌跡行走的控制原理。實驗目標：1、熟悉機器人的運動控制，掌握其作業編程及操作步驟；2、掌

19、握機器人的程序控制及應用，了解機器人的模塊化組裝、調試、控制與維護方法。四、學時分配表2：各章節的具體內容和學時分配表章節章節內容學時分配第1章緒論3第2章機器人機構3第3-4章機器人學數理基礎4第5章機器人運動學3第6-7章機器人靜力計算與動力學分析3第8章機器人軌跡規劃2第9-10章機器人控制4第14-15章機器人傳感器與視覺4第16章輪式移動機器人4第17章機器人技術實驗、專題講座6總計54五、教學進度表3：教學進度表周次日期章節名稱內容提要授課時數作業及要求備注1第1章：緒論1、機器人學的發展。2、機器人的特點、結構與分類。3、機器人學與人工智能的關系。3了解機器人學的起源與發展，討論

20、機器人學的定義，分析機器人的特點、結構與分類。2第2章：機器人機構1、機器人總體設計2、驅動機構3、機身和臂部設計4、工業機器人腕部設計5、手部設計6、行走機構設計3掌握機器人機械系統的整體構造，了解各部件的設計方法和典型結構，為接下來機器人運動分析和控制提供基礎。3-4第3-4章：1、位置和姿態的描述。4掌握空間任意點機器人學數理基礎2、坐標變換。3、齊次坐標變換。4、物體的變換及逆變換。5、通用旋轉變換。的位置和姿態變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換，以及通用旋轉變換等5-6第5章：機器人運動學1、工業機器人連桿參數及其坐標變換2、機器人運動方程的表示。3、機械手運動方程的求

21、解。3掌握機器人運動學分析的基礎，機器人D_H參數法以及運動學方程的建立與求解等7第6-7章：機器人靜力計算與動力學分析1、機器人速度雅克比矩陣2、機器人靜力計算3、機器人動力學分析31、掌握機器人速度雅克比矩陣與速度分析2、掌握機器人力雅克比與靜力計算3、學會機器人動力學分析。8第8章機器人軌跡規劃1、機器人軌跡規劃方法2、關節軌跡的插值計算21、了解工業機器人的軌跡規劃方法2、掌握三次多項式插值方法8-9第9T0章：機器人控制1、機器人控制的特點與方式2、機器人的軌跡控制3、機器人的力控制41、掌握機器人控制的特點與方式2、了解機器人軌跡控制、力控制的方法10-11第14-15章機器人傳感

22、器與視覺1、機器人的傳感器概述2、常用傳感器原理及應用3、機器人視覺及視覺運動控制41、了解機器人感覺系統原理2、了解常用傳感器的原理、特點及應用3、了解機器人視覺運動控制方法11-12第16章輪式移動機器人1、輪式機器人運動學和動力學建模2、移動機器人定位3、SLAM與導航41、了解輪式移動機器人的建模方法2、了解移動機器人定位與導航方法。13-14機器人技術綜合實驗1、通過現場講解機器人的機械結構、動力系統、傳統系統、傳感系統、控制系統等機器人各部分的組成，加深對機器人工作原理的理解。2、以機器人為實驗平臺，輔助多種傳感器，通過智能創新實驗項目的練習，增強學生對課堂理論知識的理解。3、通過

23、對機器人編程的實際練習，了解機器人在工業和服務業場景下的應用。在編程處理機器人運動分析中，分析機器人按預定的軌跡行走的控制原理。61、熟悉機器人的運動控制，掌握其作業編程及操作步驟；2、掌握機器人的程序控制及應用，了解機器人的模塊化組裝、調試、控制與維護方法。六、教材及參考書目教材:機器人學：建模、控制與視覺，熊有倫等，華中科技大學出版社，2018年。參考書目：1 機器人學，蔡自興等，清華大學出版社，2014年。2 工業機器人（第二版），韓建海主編，華中科技大學出版社，2012.3 機器人學導論，約翰.克雷格，機械工業出版社，2006七、教學方法（一）課堂講授1、采用啟發式教學，激發學生主動學習的興趣，培養學生獨工思考、分析問題