“工业机器人概述”实验教学大纲
Introduction to Industrial Robotics
课程中文名称：工业机器人概述
课程英文名称：Introduction to Industrial Robotics
课程编码：MACH3451
实验学时：24
学分：2
适用专业：机械、能动类本科生
先修课程：高等数学，机械设计，理论力学，自动控制理论（机械控制理论基础）等专业基础课
开课学院：机械工程学院
开课学期：第6学期
教材及实验指导书：
王孙安，董霞.工业机器人概述.自编教材.
一、实验课程简介
本实验为配合“工业机器人概述”课程的教学而设，具有很强的应用性和实践性，通过该实验环节的训练，可以提高学生的机器人设计与控制能力以及机器人操作的动手能力，增强其工程意识，初步训练学生解决实际问题的能力，为后续课程、毕业设计以及将来参加实际工作奠定基础。
二、实验课性质、目的和任务
性质：课程内实验
目的：了解工业机器人的基本概念和工作原理；掌握工业机器人结构设计及其运动学和动力学分析基础知识；掌握机器人传感器基础及熟悉传感器的选用；掌握机器人的一般控制技术，学会对机器人进行有效控制；初步学会工程应用背景下工业机器人系统的设计、分析及控制方法。
任务：完成一个3自由度机器人的机械结构设计（包括传感器和驱动器的选择）、运动学和动力学分析以及其轨迹规划和位置控制；完成一个6自由度机器人的运动学与动力学分析（建模）及其轨迹规划和搬运作业控制。学生可以二选一。
三、实验课教学基本要求
学生可以从两个实验中选做一个。
1．实验项目1要求学生从机械设计到分析建模再到轨迹规划和位置控制完成一个完整的过程；
2．实验项目2要求学生针对已有的6自由度工业机器人进行分析建模，进行轨迹规划并实施实际的搬运作业控制；
3.学生在实验之前必须预习实验内容。实验项目结束后上交一份实验报告或大作业。实验的完成过程中允许同学之间的交流与讨论，但上交的作业和实验报告必须要有自己的见解。
四、实验教学的内容与要求
1．实验项目名称：一个三自由度机器人的设计（鼓励创造性的设计）、分析、轨迹规划和仿真
实验目的：掌握完整的工业机器人系统设计、分析以及控制方法，培养学生的设计与动手等综合能力。
实验内容提要：
（1）设计一个三自由度机器人，要考虑机器人的初步设计和它的构型以及可能的驱动器类型，同时还必须考虑要用到的连杆和关节的类型，例如可能的连杆长度、关节类型以及材料(例如在五金店内可以买到的木销、空心铝、黄铜管等)。
（2）机器人构型最终确定后，推导其正逆运动学方程，得到一组简单三自由度机器人的逆运动学方程，可用于驱动机器人到达期望的位置。由于机器人只有三个自由度，它的姿态无法控制。
（3）推导其动力学方程，以便能够计算出以期望速度或加速度移动机器人时各关节所需的动力。
（4）对所设计的机器人进行带抛物线过渡的线性轨迹规划和4-3-4轨迹规划。
（5）建立所设计机器人的位置控制方框图
（6）代入具体参数数值，完成基于MATLAB的程序编制及计算，并利用MATLAB进行运动学、轨迹规划和控制仿真。
可用下图给出的一个简单三自由度机器人的设计作为参考。连杆长度分别取为8，2，9，2和9英寸，连杆为空心铝管，由三个带码盘反馈及齿轮减速的直流电机驱动，通过蜗轮连接到关节。
一个简单三自由度机器人的设计
实验类型：综合性创新实验
必做或选做：由学生在实验项目1和2中选做其一
使用的主要仪器：学生自行设计和选购
2．实验项目名称： 6自由度搬运工业机器人系统控制
实验目的：掌握完整的工业机器人系统分析及控制方法，培养学生的综合能力。
实验内容提要：
（1）6自由度机器人的结构分析；
（2）6自由度机器人的运动学和动力学分析；
（3）6自由度机器人的驱动器和传感器选用分析；
（4）6自由度机器人的轨迹规划与搬运作业控制。
实验类型：综合性实验
必做或选做：由学生在实验项目1和2中选做其一
使用的主要仪器：puma机器人、stanford机器人或其它实验室现有的6自由度串联式工业机器人
五、实验成绩的考核与评定办法
实验成绩以小组（5人为一组）为单位进行考核和评定，占课程综合成绩的40%。
附：教学实验基本信息汇总表
大纲制定者：董霞（执笔）
大纲校对者：董霞
大纲审定者：段玉岗
大纲批准者：訾艳阳
教学实验基本信息汇总表（仿宋加粗3号）
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序
号
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课程名称
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课程
编码
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性质
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开课学期
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必修或选修
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实验项目名称
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实验内容提要
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学时
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类型
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每组
人数
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适用
专业
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必做或选做
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实验室名称
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主要仪器设备
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1
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工业机器人概述
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MACH3451
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课程内实验
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6
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选修
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①一个三自由度机器人的设计、分析、轨迹规划和仿真
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进行简单的3自由度机器人的结构设计、运动学与动力学分析，轨迹规划和控制仿真
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24
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综合性实验
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5
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机械与能动类
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二选一
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液压
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②6自由度搬运工业机器人系统控制
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对现有的6自由度机器人进行运动学与动力学分析，实现对其轨迹规划和搬运控制
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24
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综合性实验
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5
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机械与能动类
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二选一
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机自教学实验中心
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6自由度工业机器人
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2
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3
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注：
1、序号应和课程名称一致，实验项目名称中的①②③号应与《实验教学的内容与基本要求》中的实验项目顺序一致。
2、课程名称、实验项目名称要准确规范,一律不得简写。
3、课程编号、课程名称、学时、实验项目必须与我校本科课程教学大纲一致。
4、实验内容提要在200字以内。
5、学时累计数要与实验总学时相同。
6、实验类型是指演示性、验证性、综合性、设计性、创新性（教育部本科教学评估要求，开出综合性、设计性实验的课程占有实验课程总数的比例应为：A级标准：≥80%；C级标准：50%--60%。）。
①设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。
②综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。
7、性质是指课程内实验、独立设置的实验课（具有独立的课程和学分）。
8、每组人数指实验时学生使用每台（套）实验仪器的人数。
9、表格内标题黑体五号；表格内内容，宋体五号；实验教学大纲标准格式可在教务处主页下载。
