机器人教学课程解决方案
一、课程简介：
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。机器人技术及应用是一门综合性较强的学科，主要讲授机器人技术及应用的基本知识、基本理论和基本方法。机器人技术是集力学、机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等多学科知识之大成，是一项综合性很强的新技术。
本课程的任务是使学生主要了解机器人的分类与应用、机器人运用与动力学基本概念、3D打印机技术在机器人领域的应用、机器人本体基本结构、机器人轨迹规划、机器人控制系统的构成及编程语言、典型工业机器人自动线的基本组成及特点等内容，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"工业机器人"及"服务机器人"系列的模拟、编程、调试、操作、销售打下必要的机器人技术基础。
二、课程性质与定位：
工业机器人课程定位于为企业培养能够完成工业机器人编程、操作的应用型人才。其前修课程有高等数学、线性代数、电子电路原理、数字电路原理、模拟电路原理、信号与系统、机械设计基础、C/C++编程基础 、arduino基础等。
三、课程设计思路：
本课程总体采取分模块教学，包括：基础训练、应用综合实训、拓展应用。三部分既相互区分又相互联系，由浅入深，由单片机到系统，技术具有连续性。由实验平台模拟到实际工业现场应用，让学生逐步掌握机器人技术、工业机器人现场应用与操作、工业控制与运动控制等机器人实用技术。
基础训练：3D打印技术的学习、设计以及打印，机器人技术的理论知识学习，机械臂的本体结构组装。
应用综合实训：机械臂的整体结构应用调试、完成机械臂的喷漆、涂胶、焊接、抓取、吸盘等工业机器人典型应用。
拓展应用：在熟悉机械臂操作的前提下，融合多机械电子相关设备，如：AGV+机械臂、机械臂+视觉等。
在掌握机器人高级技术应用的同时，训练学生动手能力、操作能力和故障检测维护能力。同时通过教育娱乐创新机器人的演示与操作，寓教于乐，提高学生学习兴趣、拓宽知识面，为在更高领域的研究夯实基础。系统提供开放性的平台，可根据教学需要与专业建设要求开展多层次全方位的二次开发与研究，也可结合机器人技术与当地工业背景开展应用课题研究。
全部课程都安排在机器人实验室上课，每一个项目都有实践环节，每一次的学习过程就是工作的过程，并且在实践操作中注意培养学生的安全生产、规范操作意识、团队合作意识，每一次的考核评价都有相关内容，这种职业素质实在任何企业都应具备的。采用行为引导型教学法根据项目任务通过视频、图像、 等，使学生了解工业机器人在各种场合的应用。
可根据教学需要与专业建设要求开展多层次全方位的二次开发与研究，也可结合机器人技术与当地工业背景开展应用课题研究。机器人实验室套装主要分为3D打印机套装、机械臂3D打印件套装、机械臂零部件套装、机械臂模块件套装和桌面型六轴机械臂成品。
对于机器人的工业应用着重讲解其各种结构形式及应用场合，通过该项目使学生对机器人学科有全面认识，提高学生的学习兴趣。
四、课程培养目标
1、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的完整认识；
2.学习和掌握3D打印技术在机器人技术中的应用；
3.了解机器人本体基本结构，包括机身及臀部结构、腕部及手部结构等；
4.应用3D打印技术制作机械臂典型零件，掌握3D打印技术工艺分析；
5.掌握组装机械臂本体结构；
6.熟悉机械臂的运动规划；
7.了解机器人轨迹规划与关节插补的基本概念和特点；
8.掌握工业机器人控制系统的基本构成及操作方法；
9.掌握机器人语言的基本程序命令和编程方法；
10.熟悉喷漆、涂胶、焊接、抓取、吸盘等工业机器人典型应用；
2、能力目标：
1.能够准确理解机器人本体的基本构成和运用学、动力学基本原理；
2.学会正确操作工业机器人，能独立或小组协作完成规定的实验与实训；
3.具备识图和仪器仪表使用的基础能力；
4.会观察和分析实验与实训现象，编制、调试、运行程序，熟练掌握编程软件的使用；
5.会查阅相关手册和产品使用说明书，正确阅读和分析实际应用程序；
3、素质目标：
1.具备搜集相关技术资料，尽快熟悉新接触设备和新工作场景的能力；
2.具备潜心钻研的职业精神和必要的创新能力；
3.具备独立学习，灵活运用所学知识独立分析问题并解决问题的能力；
4.具备工作安全意识与自我保护能力；
5.能自觉遵守单位的规章制度和职业道德，有强烈的工作责任感。
五、课程内容与教学要求：
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序号 |
教学纲要 |
教学内容与教学要求 |
相关参考书籍 |
参考学时 |
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1 |
机器人学导论 |
机器人的由来与发展，机器人的定义， 机器人技术的研究领域与学科范围； 机器人的主要应用领域及其特点； 机器人的组成与主要技术参数。 机器人的主要分类形式； |
《机器人学导论》 《机器人学基础》
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2 |
3D打印与机器人技术 |
什么是3D打印技术 3D打印技术的由来及发展历史 几种典型的3D打印机 3D打印技术在机器人领域的应用 |
《3D打印建模》 《三维设计与3D打印》 |
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3 |
桌面级六自由度机械臂 |
开源桌面级六轴机械臂简介 桌面级六轴机械臂的组成 |
《机器人手册》 |
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4 |
机械臂典型零件3D打印工艺 |
机械臂典型零件3D打印工艺流程 机械臂典型3D打印零件后处理流程 |
《3D打印成型工艺及技术》 |
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机械臂散件组装工艺 |
机械臂零部件预装； 模块化组装； 机械臂整机总装； 机械臂线缆安装 |
《工业机器人零部件结构设计》 |
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6 |
机器人常用传感器介绍 |
位移传感器、速度传感器、加速度传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近与距离传感器。 |
《机器人手册》 《机器人学》
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7 |
机械臂控制电路介绍 |
机械臂电路控制原理 单片机主控结构解析 |
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8 |
机械臂控制方法 |
掌握机器人机械机构的自由度和工作空间； 对机器人的位姿分析有初步的了解； 掌握机器人的传感器的分类等基本概念； 初步掌握机器人的控制系统以及系统的主要构成； |
《机器人手册》 《机构与机器人动力学研究》 |
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9 |
D-H参数表的建立 |
根据机械臂的平面尺寸参数，五轴、六轴机械臂的D-H参数 |
《机器人学、机器视觉与控制——MATLAB算法基础》
《机械臂运动学》
《机器人学》
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10 |
FK算法，在仿真软件上验证 |
根据机械臂的平面尺寸参数，五轴、六轴机械臂的D-H参数 |
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11 |
FK算法，在仿真软件上验证 |
建立齐次矩阵，进行FK算法的理论计算 按照接口规范编写代码实现并且在仿真软件上验证 |
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IK算法，在仿真软件上验证 |
建立齐次矩阵，进行IK算法的理论计算 按照接口规范编写代码实现并且在仿真软件上验证 |
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直线轨迹规划，在仿真软件上验证 |
进行直线轨迹规划的理论计算 按照接口规范编写代码实现并且在仿真软件上验证 |
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微分运动和速度，在仿真软件上验证 |
进行微分运动和速度的理论计算 按照接口规范编写代码实现并且在仿真软件上验证 |
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15 |
综合练习1-在实体机械臂上完成仿真软件上实现的整体流程动作 |
在仿真软件上实现一个完整的机械臂动作流程 获取相关数据，在实体机械臂上编码实现动作流程 |
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16 |
综合练习2-与机器视觉结合，使用实体机械臂完成九点标定和物体的抓取 |
机器视觉halcon编程的学习 完成九点标定 使用实体机械臂实现物体定位抓取 |
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17 |
机械臂应用案例 |
熟悉喷漆、涂胶、焊接、抓取、吸盘等工业机器人典型应用 |
《工业机器人典型应用案例精晰》 |
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机械臂拓展应用 |
AGV+机械臂 机械臂+视觉 |
《机器人学、机器视觉与控制——MATLAB算法基础》 |
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19 |
实训项目 |
项目1：机械臂夹取货物搬运 项目2：机械臂喷漆设备 项目3：机械臂点焊电路板 项目4：机械臂涂胶 |
《工业机器人实操与应用技巧》 《工业机器人典型应用案例精晰》 |
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五、机器人实验室：
机器人实验室相关实验套装主要涵盖机械、电子、软件3大领域，分为51种标准件，11种非标定制件，30种3D打印零部件（不包含电子类），科学的结构设计，灵活的控制方案，多样的功能搭配，大大节省了开设机器人实验室的开支。精心的产品制造，配备丰富的软性资源和齐全的组装说明书，旨在让每一个学生都可以体验科学技术的神奇，感受机器人的魅力，打造出低成本，高效益的机器人实验室。
机器人实验室以小组分配制，相互合作，互学互鉴，提高学生的学习效率以及合作能力。可根据教学需要与专业建设要求开展多层次全方位的二次开发与研究，也可结合机器人技术与当地工业背景开展应用课题研究。机器人实验室相关实验套装设备主要有3D打印机套装、机械臂3D打印散件套装、机械臂金属零部件套装、机械臂外设传感模块套装和桌面型六轴机械臂成品机。
3D打印机：
理念图：
机器人实验室效果图：
六、教学条件与设施要求：
1.多媒体教学设施
本课程的教学是在机器人实验室进行，多媒体教学能将抽象、生涩、陌生的知识直观化、形象化，激发学生学习兴趣，调动其主动学习的积极性，增大教学信息量，有效拓展课时容量，提高教学质量。运用形式多样的课件教学，能活跃课堂氛围，加深巩固教学内容，使学生感受到学习的喜悦，寓学于乐。
2.教学条件
教师应采用实物教学，让学生在实际的实训或生产环境中学习。要重视现代教育技术与课程的整合，充分发挥计算机、互联网等现代媒体的优势，提高教学的质量和效果。
建立机器人一体化实验室，充分利用实验与实训教学，以提高学生学习的兴趣和课堂教学质量。
3.实施建议
1.在教学中要加强基本操作技术和技能的训练，掌握好组织教学、讲解、示范和讲评等各个教学环节。贯彻讲解与师范相结合、集体指导与个别指导相结合的教学方法。
2.在基本技能操作训练中，教师要注意激发学生的学习积极性和客服困难的信心，勤学苦练，扎扎实实的练好基本功。
3.在技能训练的整个教学过程中，要注意培养学生爱护工具和设备的习惯。
4.在技能训练的过程中，必须加强安全教育，严格执行机器人安全操作规程。
4.教材编写建议
教材编写应以本课程标准为依据，合理安排必修和选修内容。教材内容应体现以就业为导向、以学生为主体的原则，将知识与生产中的实际应用相结合。
1.以项目（课题）为中心，突出实践动手能力，可以将课程分解成若干个项目（课题），按项目（课题）编写教材。
2.不依据某种教材组织教学，鼓励按照人才培养目标对教学内容重新进行设计。
3.教材应充分体现任务驱动、实践导向的教学思路，以完成典型工作任务来驱动，通过实际案例、情境模拟、资讯单、实施单、检查单、评价单等和课后拓展作业等多种手段，根据工业机器人工作过程的工作顺序和所需相应知识的深度及广度来组织编写，使学生在教学活动任务中感受到各知识点之间的连贯性和完整性。
4.教材应突出实用性、开放性和专业定向性，应避免把专业能力理解为纯粹的技能操作，应该注重理论与实用技术的兼顾，同时要具有前瞻性，把握本专业领域的发展趋势，将工业机器人领域的新技术、新方法和新理论及时补充进教材中。
5.教材应以学生为本，文字表述要简明扼要，内容展现应图文并茂，突出重点，重在提高学生学习的主动性和积极性。
6.教材编排要求取材新颖，充分考虑到学生的特点，内容表述深入
5.常用术语解释：
1.自由度：描述物体运动所需要的独立坐标数，手指的开合以及手指关节的自由度一般不包括在内。
2.工作空间：机器人手腕参考点或末端操作器安装点所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。
3.工作速度：指机器人各个方向的移动速度或转动速度。
4.承载能力：机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
5.重复性：机器人重复到达某一目标位置的差异程度。
6.定位精度：机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置的差距。
7.示教器：进行机器人的手动操纵、程序编写、参数设置以及监控用的手持装置。
8.机器人线性运动：安装在机器人第六轴法兰盘上的工具在空间中做线性运
动。
9.人机交互系统：使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。
七、主要技术规格和参数配置要求：
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序号 |
项目名称 |
技术参数 |
功能用途 |
数量 |
单位 |
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1 |
3D打印机 |
成型技术：熔融沉积技（FDM）外包装：40*40*75CM 成型体积：底面直径200MM 高度300MM 产品尺寸：35*35*70 M 打印精度：0.05-0.4MM 产品重量：10KG 定位精度：X,Y,Z 0.05MM 包装重量：12KG 耗材规格：1.75MM PLA 喷头直径：0.4MM 工作温度：15℃-35℃ 存放温度：0℃-35℃ 控制软件: CURA 14.12 电压：AC100-240V 50-60HZ 文件格式：STL、AMF、OBJ 电流：DC24V 5A 操作系统：WINDOWS 7 MAC OSX 打印时：20-250MM/s 移动时：300MM/S 结构：铝合金件 外壳：亚克力板材 热床：3MM 6系铝合金热床 步进电机：1.8度步进角 1/16细分 导轨：工业级线性导轨 |
采用铝合金机身，更加稳定可靠。 打印尺寸大，最大可到直径200，高度300MM。 机型搭配自动调平传感器，调平非常简单。打印速度较快，大大节约保贵时间。 整机零件全部采用高品质部件，确保设备长时间工作的可靠性和稳定性 |
10 |
台 |
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2 |
桌面六轴机器人 |
轴 运动范围 最大单轴线速度 第1轴 ±180° 200mm/s 第2轴 ±115° 200mm/s 第3轴 ±130° 200mm/s 第4轴 ±180° 200mm/s 第5轴 ±165° 200mm/s 第6轴 ±180° 200mm/s 水平行程： 980mm 重量（KG）： 15 垂直行程： 886.3mm 结构形式： 串联 轴数： 6轴 电源电压： 220V/110V 电源功率： 360W 额定负载（KG）： 1 最大工作半径 482.3mm 控制器： 单片机 重复精度（mm）： ±0.5 电机： 步进电机 减速装置： 同步带减速 本体外壳材质： 工程塑料 安装方式： 桌面 提供3D图纸，方便学生建模仿真。
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应用领域： ★教育行业：机械装配教学、机器人知识普及、机器学习教学、创客教育、机器人二次开发、机器人职业教育课程 ★基础训练： 机器人技术的理论知识学习，3D打印技术的学习、设计以及打印，机械臂的本体结构组装，机器人控制算法及编程。CCD图像处理训练 ★应用综合实训： 机械臂的整体结构应用调试、完成机械臂的抓取、搬运、焊接等工业机器人典型应用。 拓展应用： 在熟悉机械臂操作的前提下，融合多机械电子相关设备。如：AGV+机械臂、机械臂+视觉等。 标准配置：机械臂本体+控制器 可选配末端： 1.吸盘套装，可实现吸盘吸取和搬运。 2.模拟焊接，可实现工业机器人焊接模拟演示。 3.气动夹爪，可以实现工件的夹取搬运。 4.机器人喷涂，可以实现工业机器人喷涂演示 5.大头笔夹具，可实现写字画画。 |
15 |
台 |
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3 |
吸盘套装 |
吸盘套装，由微型气泵、气管、真空吸嘴等组成，可实现吸盘吸取和搬运。 负压负载：700g |
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5 |
套 |
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4 |
模拟焊机 |
模拟焊接，可实现工业机器人焊接模拟演示。 电压：5V 现象：模拟工业焊接场景时火花和响声 |
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5 |
个 |
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5 |
气动夹爪 |
气动夹爪末端，可实现对物体的抓取。 运动类型：平行开闭 夹持宽度：20mm 夹持质量：500g |
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5 |
套 |
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5 |
喷枪设备 |
机器人喷涂，可以实现工业机器人喷涂演示。 喷枪型号：101喷枪（台湾） 压力桶容量：10L 夹具：与101喷枪配套 空压机型号：2X800W-50L 配套电磁阀 配套8mm气管 8mm气管转8mm气管转接头 |
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2 |
套 |
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6 |
大头笔夹 |
大头笔夹具，可实现写字画画。 大头笔2支； 末端夹具：与大头笔配套 |
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5 |
套 |
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7 |
工作台 |
尺寸： 80cm长X80cm宽X75cm高 框架材质：6061铝合金型材 工作台面材质：防静电胶皮 |
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20 |
台 |
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8 |
凳子 |
尺寸： 30cm长X30cm宽X47cm高 框架材质：冷轧钢 工作台面材质：防静电胶皮 |
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20 |
张 |
