CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY
汽车与机械工程学院
2024版课程教学大纲
汽车与机械工程学院 编
2024.08
一、理论教学大纲
《机器人学导论》课程教学大纲
一、基本信息
课程名称：机器人学导论 英文名称：Introduction to Robotics
课程类别：专业教育课程
课程性质：选修课
课程编码：0802000046
学分：2.0
总学时：32。其中，讲授32学时，实验0学时，上机0学时，实训0学时
适用专业：机械设计制造及其自动化等
先修课程与知识储备： 高等数学、线性代数、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计等。
后继课程：毕业设计等。
二、课程简介：
《机器人学导论》课程是机械设计制造及其自动化专业的一门专业技术基础课，是一门多学科的综合性课程。它涉及机器人的运动学、机器人动力学、运动规划等多方面的理论基础。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，使学生对机器人运动学、动力学等有一个较为完整的理解。使得学生掌握机器人的理论基础知识，为毕业后从事专业工作或者学术研究打下必要的机器人理论和技术基础。
三、教学目标
1、课程思政教学目标：通过本课程学习，引导学生深刻理解与认识所学专业对国家建设、航空航天工业发展、大国重器等方面的重要意义，使学生在学习过程中逐渐树立社会主义大国、强国的自豪感，培养学生爱国情怀、爱岗敬业的使命感和责任感及团队合作精神，引导学生为了社会主义强国建设必须掌握扎实专业知识，掌握分析与解决实际问题的能力，为祖国社会主义强国建设添砖加瓦，贡献自己的力量；同时引导学生了解本课程在实际工程应用中的重要指导意义，培养其认真严谨的学习与工作态度，并通过对自己今后即将从事的工作内容与意义的了解，逐渐树立起本专业荣誉感和责任感、使命感，为今后从事相关专业工作打下牢固的思想基础。
2、课程教学总目标：通过本课程的学习，可以让学生们了解机器人的基本知识，掌握机器人机构、运动学、动力学、运动规划的基本理论，为其今后从事机器人的相关研究工作和工程应用奠定理论基础。
3、课程目标与学生能力和素质培养的关系：本课程目标根据支撑的毕业要求指标点，并结合课程实际情况，细化形成了3条课程目标（具体见表1）。
4、毕业要求—课程目标关系（OBE结果导向）
按照2024培养方案中的毕业要求，考虑本课程与专业毕业要求的支撑关系，制定本课程学习目标如表1所示：
表1毕业要求-课程目标关系表
毕业要求 | 指标点 | 与课程关联度 | 课程目标 |
1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决机械设计、制造、控制等领域的复杂工程问题。 | 1.1掌握数学、自然科学、工程科学的语言工具，并用于工程问题的表述。 | M | 目标1：能将数学、力学等基础理论知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的表述中。 |
1.2能针对机械对象建立数学模型并求解。 | M | 目标2：能将数学、力学等基础理论知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的建模和求解中。 | |
5.使用现代工具：能够针对机械设计、制造、控制等领域的复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。 | 5.1了解机械设计、制造、控制常用的现代仪器、信息技术工具、工程工具和模拟软件的使用原理和方法，并理解其局限性。 | L | 目标3：在使用各种工程工具和专业模拟软件解决较复杂涉及机器人的工程问题中，能够理解其局限性。 |
四、课程内容及学时分配
本课程内容、建议学时以及知识单元与课程目标支撑关系如表2所示。
表2 《机器人学导论》课程内容及学时分配
知识单元 | 知识点 | 讲授学时 | 实验学时 | 上机学时 | 课程目标 | ||
序号 | 描述 | 序号 | 描述 | ||||
1 | 绪论 | 1 | 机器人的定义 | 4 |
|
| 1 |
2 | 机器人发展简介 | ||||||
3 | 机器人的专业术语和分类 | ||||||
4 | 机器人的主要研究方向、机器人普遍使用带来的社会问题 | ||||||
5 | 思政案例1：家国情怀 | ||||||
2 | 机器人机构 | 1 | 机构的基本知识 | 4 |
|
| 1 |
2 | 机器人机构的主要分类及其特点 | ||||||
3 | 串联机器人机构和并联机器人机构介绍 | ||||||
4 | 其它类型机器人的机构 | ||||||
3 | 机器人位姿的数学描述和坐标变换 | 1 | 机器人位姿的数学描述 | 6 |
|
|
1、2、3 |
2 | 点的坐标变换 | ||||||
3 | 齐次坐标与齐次变换 | ||||||
4 | 机器人姿态的其他表示方法 | ||||||
4 |
机器人运动学 | 1 | 三角几何的运动学建模方法 | 6 |
|
|
1、2 |
2 | D-H建模方法 | ||||||
3 | 机器人的逆运动学 | ||||||
4 | 雅可比求逆方法 | ||||||
5 | 机器人静力学 | 1 | 机械臂的连杆受力计算 | 4 |
|
|
1、2 |
2 | 关节平衡驱动力计算 | ||||||
3 | 静力平衡方程与静力映射分析 | ||||||
4 | 静力学的逆问题、力与力矩的坐标变换 | ||||||
6 | 机器人动力学 | 1 | 拉格朗日动力学建模方法 | 4 |
|
| 1、2 |
2 | 拉格朗日动力学方程分析 | ||||||
3 | 牛顿-欧拉动力学方法 | ||||||
4 | 拉格朗日方法与牛顿-欧拉方法的比较 | ||||||
7 | 机器人运动规划 | 1 | 轨迹规划 | 4 |
|
|
1、2、3 |
2 | 路径规划 | ||||||
3 | 思政案例2：人生的轨迹需要规划——培养学生树立良好的规划意识 | ||||||
| 总计 |
|
| 32 |
|
|
|
五、教学方法及要求
1、教学方法要求：
课程教学以课堂教学、课外作业、综合讨论、网络资源等共同实施。
本课程采取课堂讲授和多媒体课件辅助教学相结合，课堂教学以基本概念、基本原理为主线，突出重点，讲清难点；讲课过程中注意理论联系实践，尽可能结合实际工程讲解，并介绍最新研究成果；采用启发式、双向式及讨论式的 “以学生为主体，以能力培养为主旨”的主动式教学模式。
本课程采用资深机器人研究专家编写出版的教材，结合学生个性特点，因材施教。本课程的课堂教学将充分利用数字化技术、网络技术制作丰富多彩的教学课件和辅导材料，调动学习积极性，提高教学效率。
2、课程思政教学方法及要求：
课程思政要求主要是培养学生的家国情怀和规划意识。教学方法如表3所示：
表3 《机器人学导论》课程思政案例
课程案例 | 所属教学内容 | 案例实施过程 | 培养目标 |
案例1：家国情怀 | 绪论：中国机器人的发展及地位 | 分为三阶段：观看视频、课堂讲授、研讨环节。学生首先课前观看《中国空间站机械臂》，分组讨论观看感受；其次课堂上，讲授我国一些先进技术从无到有的艰难历程，使学生明白：先进的技术是引进不来的，只有靠国家自主创新；最后安排每组3分钟时间，分享每组通过学习的感想，然后老师做案例总结 | 激发学生为中华民族复兴而努力学习、工作，树立起家国情怀 |
案例2：人生的轨迹需要规划——培养学生树立良好的规划意识 | 轨迹规划 | 由轨迹规划对机器人高效、稳定的运行有重要影响引申开来。让学生思考人生要想踏实稳定地走好每一步，需要不断地规划调整，精彩的人生需要规划。 | 培养学生对学习、工作和人生树立良好的规划意识 |
六、重点与难点
1、重点内容：①机器人正运动学方程的D-H表示、机器人逆运动学解等。
2、难点内容：①坐标系的微分运动与机器人的微分运动、坐标系微分运动、微分变化的解释、坐标系之间的微分变化；
②多自由度机器人的动力学方程建立与求解。
七、学习要求
积极上课，不得无故缺课；积极参与课堂讨论；高质量完成并按时提交作业；及时按质按量提交结课大作业等。
八、考核内容及考核方式
1.考核内容及评价依据
表4 课程目标-考核方式关系表
课程目标 | 考核内容 | 评价依据及成绩比例（%） | ||||
课堂学习 | 自主学习 | 主题讨论 | 期末考试 | 成绩比例（%） | ||
目标1：能将数学、力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的表述中。 | 以课堂学习、自主学习、主题讨论、期末考查等形式，考察学生能“了解和掌握机器人运动学，动力学，运动规划的工程表述。” | 10 | 5 | 5 | 25 | 45 |
目标2：能将数学、理论力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、工程规划等工程问题的建模和计算中。 | 以课堂学习、自主学习、主题讨论、期末考查等形式，考察学生对“机器人运动学、动力学等工程问题的建模和计算。”的应用水平和初步能力。 | 10 |
| 5 | 25 | 40 |
目标3：在使用各种技术资源和工具解决较复杂涉及机器人的工程问题中，能够理解其局限性。 | 以课堂学习、自主学习、主题讨论、期末考查等形式，考察学生对“涉及机器人的复杂工程问题预测与模拟中各种现代工具和专业模拟软件使用局限性的理解。” |
| 5 |
| 10 | 15 |
合计 | 20 | 10 | 10 | 60 | 100 | |
2、成绩评定
（1）成绩评定标准：
（2）课程目标与评分标准之间的对应关系
表5 课程目标-成绩评定标准关系表
5.1 课堂学习评分标准
课程目标 | 成绩评定标准 | ||||
100～90——优 | 89～80——良 | 79～70——中 | 69～60——及格 | 59～0——不及格 | |
按时上课，学习积极。能正确回答老师针对机器人数学建模或工程表述等所提的问题 | 按时上课，学习积极。能回答老师针对机器人数学建模或工程表述等所提的问题，可能存在错误的地方 | 按时上课，学习积极。能回答老师针对机器人数学建模或工程表述等所提的问题，存在少量错误 | 基本按时上课，学习基本积极。对老师所提的关于机器人数学建模或工程表述等问题的回答中，存在不少错误 | 上课缺勤1/3学时及以上，学习不积极。基本不能回答老师所提的关于机器人表述的问题 | |
目标2：能将数学、力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的建模和求解中。 | 按时上课，学习积极。能正确运用数学和力学知识进行机器人问题的建模与求解 | 按时上课，学习积极。能运用数学和力学知识进行机器人问题的建模与求解，可能存在错误的地方 | 较按时上课，学习较积极。能运用数学和力学知识进行机器人问题的建模与求解，存在少量错误 | 基本按时上课，学习基本积极。在运用数学和力学知识进行机器人问题的建模与求解的过程中，存在不少错误 | 上课缺勤1/3学时及以上，学习不积极。基本不能进行机器人问题的建模与求解 |
目标3：在使用各种技术资源和工具解决较复杂涉及机器人的工程问题中，能够理解其局限性。 | 按时上课，学习积极。熟悉专业模拟软件在机器人问题求解中的初步使用，并理解软件和自身掌握的技术资源的不足 | 按时上课，学习积极。 较熟悉专业模拟软件在机器人问题求解中的初步使用，并理解软件和自身掌握的技术资源的不足 | 较按时上课，学习积极。了解专业模拟软件在机器人问题求解中的一般使用或操作，对现代工具的局限性理解不足 | 基本按时上课，学习基本积极。了解专业模拟软件在机器人问题求解中的一般使用或操作，对现代工具的局限性难以理解 | 上课缺勤1/3学时及以上，学习不积极。 对现代工具的使用不甚了解 |
表5.2 自主学习评分标准
成绩评定标准 | |||||
100～90——优 | 89～80——良 | 79～70——中 | 69～60——及格 | 59～0——不及格 | |
目标1：能将数学、力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的表述中。 | 及时完成作业，完成质量好，自主学习积极。能提出自己的思考和问题 | 及时完成作业，完成质量较好，自主学习较积极。能提出自己的思考和问题 | 较及时完成作业，完成质量一般，自主学习积极性一般。不能主动提出问题 | 完成作业，但质量较差，基本没有自主学习。没有形成关于课程的思考和问题 | 拖沓提交作业，完成质量很差 |
目标2：能将数学、理论力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的建模和求解中。 | 及时完成作业，完成质量好，能较的运用数学和力学知识进行建模和求解的自主学习，效果好 | 及时完成作业，完成质量较好，能运用数学和力学知识进行建模和求解的自主学习，效果较好 | 较及时完成作业，完成质量一般，运用数学和力学知识进行建模和求解的自主学习，效果一般 | 完成作业，但质量较差，运用数学和力学知识进行建模和求解的自主学习积极性差，效果很一般 | 拖沓提交作业，没有自主学习的积极性 |
目标3：在使用各种技术资源和工具解决较复杂涉及机器人的工程问题中，能够理解其局限性。 | 在运用现代工具解决涉及机器人的复杂工程问题的过程中，能正确理解软件和自身学习的局限性 | 在运用现代工具解决涉及机器人的复杂工程问题的过程中，能较正确理解软件和自身学习的局限性 | 在运用现代工具解决涉及机器人的复杂工程问题的过程中，能理解软件和自身学习的局限性 | 在运用现代工具解决涉及机器人的复杂工程问题的过程中，基本不能理解软件和自身学习的局限性 | 不具备理解现代工具使用和其局限性的积极性 |
表5.3 期末考查评分标准
课程目标 | 成绩评定标准 | ||||
100～90——优 | 89～80——良 | 79～70——中 | 69～60——及格 | 59～0——不及格 | |
目标1：能将数学、力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的表述中。 | 及时完成大作业，完成质量好。 | 及时完成大作业，完成质量较好。 | 较及时完成作业，完成质量一般， | 完成大作业，但质量较差， | 拖沓提交大作业，完成质量很差 |
目标2：能将数学、理论力学等基础知识运用到机器人运动学、动力学、运动规划等工程问题的建模和求解中。 | 及时完成大作业，完成质量好。 | 及时完成大作业，完成质量较好。 | 较及时完成作业，完成质量一般， | 完成大作业，但质量较差， | 拖沓提交大作业，完成质量很差 |
目标3：在使用各种技术资源和工具解决较复杂涉及机器人的工程问题中，能够理解其局限性。 | 及时完成大作业，完成质量好。 | 及时完成大作业，完成质量较好。 | 较及时完成作业，完成质量一般， | 完成大作业，但质量较差， | 拖沓提交大作业，完成质量很差 |
九、课程资源平台（专题网站、学校网络资源；实践性教学资源，课程思政资源）
1. 中国科学院科普云平台下的机器人博览；网址：http://www.kepu.net.cn/gb/technology/robot/index.html
2. 新华思政教学资源平台；网址：https://xhsz.news.cn/
十、教材、主要参考书
推荐教材：
[1] 战强，《机器人学 ——机构、运动学、动力学及运动规划》[M],清华大学出版社，2019
主要参考书：
[1] 刘极峰,《机器人技术基础》[M], 高等教育出版社，2006
[2] 蔡自兴，《机器人学基础》（第2版）[M], 机械工业出版社，2015
[3] John J.Craig,《机器人学导论》（第4版）[M], 机械工业出版社，2018
大纲执笔人： 课程负责人：何建军 大纲审核人：胡林