工業機器人高級編程教學大綱

一、課程基本信息

 課程代碼：20051931009          

 課程學分：2學分

 課程學時：54學時（理論學時：18；實驗（實踐）學時：36）

 課程類別：專業選修

 先修課程：高等數學、線性代數、電機與拖動基礎、自動控制原理、機器人學、機器人運動控制等

 適用專業（方向）：機器人工程

二、課程簡介

 工業機器人高級編程是機器人工程專業的一門選修的專業主干課，也是機器人工程專業重要的實踐教學環節，是理論教學的補充、繼續和深化。實訓課程的主要目的是教授學生進行機器人基礎與編程基礎、工業機器人離線編程、構建基本仿真工業機器人工作站、機器人離線軌跡編程、機器人搬運與IO事件離線編程、機器人系統創建與運用、綜合實訓等實驗的基本方法，培養實際操作技能，提高學生動手能力、分析問題和解決實際問題能力。通過實驗使學生進一步鞏固和加深對所學機器人運動控制系統基礎理論知識的理解，為后續其他專業課以及工作打下堅實基礎。

三、課程目標

 工業機器人高級編程課程具體要求達到的特定教學目標包括：

1.課程目標1：在理論的指導下，通過虛擬仿真軟件，了解機器人組成以及編程基礎知識。與理論教學部分相結合，通過虛擬仿真軟件，掌握工業機械臂的離線編程基礎知識，并實現工業機械臂的零部件裝配、工具坐標系校準、軌跡生成等任務。（指標點2.1）

2.課程目標2：在虛擬仿真軟件中實現工業機械臂的運動仿真分析，并記錄相應的軌跡以及關節角度，進行工業機械臂運動學正反解分析；在虛擬仿真環境中搭建機器人工作站，并匹配各個組件動作。（指標點2.2）

3.課程目標3：完成工業生產上的主要任務模擬并與實際設備匹配聯動，驗證運動仿真分析的結果，并實現虛擬仿真與真實設備同步聯動。（指標點5.2）

4.課程目標4：能夠熟知機器人相關理論、機器人離線編程、帶導軌與帶變位機的機器人系統的創建和運用等知識。培養學生正確的世界觀和人生觀、良好的德育品質和愛國情操、具有良好的思想道德思想、強烈的民族自豪感和社會責任感。初步培養學生科學的思想方法和研究問題的方法，培養學生的創新意識和探索精神。（指標點8.1）

5.課程目標5：通過實驗任務驅動，在設計實現過程中，引導學生結合已掌握的書本知識，收集、整理相關資料，自主編程、積極創新，培養學生自己獲取新知識的能力、創新意識以及獨立學習的習慣。（指標點12.1）

四、課程支撐的畢業要求

1. 本課程支撐的畢業要求：畢業要求2、5、8、12。

 畢業要求2：問題分析

 能夠應用機器人基礎理論、機器人離線編程、自動控制等專業知識識別和判斷機器人與智能控制領域工程問題中的關鍵環節和參數，并進行有效分析。具備對與機器人相關的特定工程問題進行建模、編程、分析和解決的能力。

 畢業要求5：使用現代工具

 通過實驗任務驅動，能恰當使用計算機離線編程仿真軟件，并結合機器人系統等硬件資源，針對機器人軌跡編程、機器人搬運與IO 事件離線編程、自定義機器人等機器人領域復雜工程項目進行模擬和仿真分析，并能夠理解其局限性。

 畢業要求8：職業規范

 通過對機器人領域工程問題的分析研究，了解科學發展的曲折性和艱巨性，形成科學的自然觀、宇宙觀和辯證唯物主義世界觀，提高科學素養，成長為心系社會并有時代擔當的技術型人才。

 畢業要求12：終身學習

 通過機器人工程問題驅動，在設計實現過程中，能夠具有自主學習的意識，結合已掌握的書本知識，收集、整理相關資料，自主探索、積極創新，掌握自主學習的能力、創新意識以及獨立學習的習慣。

2. 本課程支撐的指標點：指標點2.1、2.2、5.2、8.1、12.1

 指標點2.1：通過虛擬仿真軟件，能夠結合相關理論知識，對工業機械臂的零部件裝配、軌跡生成等工業機器人領域的工程問題進行研究分析，具備識別分析問題關鍵環節的能力。

 指標點2.2：針對工程問題，能夠在虛擬仿真軟件中對工業機械臂進行運動仿真分析，并記錄機械臂相應的軌跡以及關節角度，進而對工業機械臂做運動學正反解分析；通過在虛擬仿真環境中搭建機器人工作站，并匹配各個組件動作，對問題進行建模、分析和求解，以得到有效結論。

 指標點5.2：掌握計算機離線編程仿真軟件Robotart的原理和使用方法，以及機器人工作站等硬件的操縱方法。

 指標點8.1：能夠了解科學發展的曲折性和艱巨性，樹立科學的世界觀、價值觀，提高科學素養，成為負有社會責任感的技術型人才。

 指標點12.1：針對復雜的工程問題，不局限于課程已學到的知識，積極主動探索創新，具有收集信息和知識的方法，以及自主學習的意識和能力。

五、課程教學目標與畢業要求對應表

六、課程教學內容與課程目標對應表

理論教學

注：教學內容堅持課程思政，堅持專業教育與課程思政教育相融合。

實驗教學

（一）實驗項目基本情況

 注：實驗類型包括演示型、驗證型、綜合型、設計研究型、其他；實驗類別包括基礎、專業基礎、專業、其他。

（二）實驗內容和基本要求

1.實驗項目1：機器人基礎與編程基礎

 通過本實驗使學生了解機器人機械系統的組成、機械系統各部分的原理和作用、機器人系統手動操作的方法。

1.1實驗內容和要求

(1) 機器人系統手動操作

(2) 機器人系統基礎編程

1.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

1.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：機器人系統手動操作與基礎編程

(2) 實驗難點：機器人系統手動操作與基礎編程

2.實驗項目2：工業機器人的示教器  

 通過本實驗使學生了解工業機器人示教器的組成和使用方法，工業機器人示教的原理和作用。

2.1實驗內容和要求

(1) 對工業機器人示教器各組成部分的功能進行測試

(2)利用示教器進行快捷操作

(3)利用示教器對系統進行設置

(4) 使用示教器操縱工業機器人

2.2 主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

2.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：工業機器人示教器的使用方法

(2) 實驗難點：工業機器人示教器的使用方法

3.實驗項目3：工業機器人離線編程

 通過本實驗使學生了解離線編程虛擬仿真技術的原理，掌握離線編程虛擬仿真技術的操作方法。

3.1實驗內容和要求

(1) 熟悉工業機器人離線編程軟件的基本操作

(2) 熟悉離線編程仿真軟件RobotArt 的使用流程

(3) 在離線編程軟件中利用工業機器人進行寫字操作

3.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

3.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：離線編程虛擬仿真軟件的使用方法

(2) 實驗難點：離線編程虛擬仿真軟件的使用方法

4.實驗項目4：構建基本仿真工業機器人工作站

 通過本實驗使學生理解基本仿真工業機器人工作站的各組成部分，了解基本仿真工業機器人工作站的工作原理，掌握從零搭建工作站的方法。

4.1實驗內容和要求

(1) 學習三維球工具的使用方法

(2) 從零開始，利用三維球工具搭建完整的工作站

4.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

4.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：從零搭建工作站的方法

(2) 實驗難點：從零搭建工作站的方法

5.實驗項目5：機器人離線軌跡編程初級篇

 通過本實驗使學生了解手持工具加工邊的原理，掌握手持工具加工邊的操作方法。

5.1實驗內容和要求

(1) 對機器人系統進行校準

(2) 創建機器人離線軌跡路徑

(3)掌握軌跡編輯方式及仿真調試方法

(4) 手持工具加工邊的操作方法

5.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

5.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：手持工具加工邊的操作方法

(2) 實驗難點：手持工具加工邊的操作方法

6.實驗項目6：機器人離線軌跡編程中級篇

 通過本實驗使學生了解手持工具加工面的原理，掌握手持工具加工面的操作方法。

6.1實驗內容和要求

(1) 創建輪轂打磨程序及上機

(2) 掌握手持工具加工面的操作方法

6.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

6.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：手持工具加工面的操作方法

(2) 實驗難點：手持工具加工面的操作方法

7.實驗項目7：機器人離線軌跡編程高級篇

 通過本實驗使學生了解手持零件利用外部工具加工的原理，掌握手持零件利用外部工具加工的操作方法。

7.1實驗內容和要求

(1) 創建弧形板畫線程序及上機

(2) 掌握手持零件利用外部工具加工的操作方法

7.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

7.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：手持零件利用外部工具加工的操作方法

(2) 實驗難點：手持零件利用外部工具加工的操作方法

8.實驗項目8：機器人搬運與IO 事件離線編程

 通過本實驗使學生了解機器人搬運的原理，掌握機器人搬運作業的實現方法、機器人搬運與IO 事件離線編程的操作方法。

8.1實驗內容和要求

(1) 利用機器人進行簡單抓取操作

(2) 利用機器人進行碼垛操作

(3) 利用機器人進行鼠標裝配操作

8.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

8.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：機器人搬運作業的實現方法

(2) 實驗難點：機器人搬運與IO 事件離線編程的操作方法

9.實驗項目9：帶導軌的機器人系統創建與運用

 通過本實驗使學生了解帶導軌的機器人系統的結構，掌握包含導軌的機器人系統的搭建方法，了解帶導軌的機器人系統的運用場合。

9.1實驗內容和要求

(1) 搭建包含導軌的機器人系統

(2) 利用帶導軌的機器人進行鋼結構梁柱焊接

9.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

9.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：包含導軌的機器人系統的搭建方法

(2) 實驗難點：包含導軌的機器人系統的搭建方法

10.實驗項目10：帶變位機的機器人系統創建與運用

 通過本實驗使學生了解帶變位機的機器人系統的結構，掌握帶變位機的機器人系統的搭建方法，了解帶變位機的機器人系統的運用場合。

10.1實驗內容和要求

(1) 搭建帶變位機的機器人系統

(2) I 型焊管焊接工作站變位機程序的生成

10.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

10.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：帶變位機的機器人系統搭建方法

(2) 實驗難點：帶變位機的機器人系統搭建方法

11.實驗項目11：綜合實訓

 通過本實驗使學生掌握機器人碼垛、分揀、上下料、搬運、打磨和檢測的原理和實現方法。

11.1實驗內容和要求

(1) 機器人碼垛的實現

(2) 機器人分揀的實現

(3)機器人上下料的實現

(4)機器人搬運的實現

(5)機器人打磨的實現

(6)機器人檢測的實現

11.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

11.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：機器人碼垛，分揀，上下料，搬運，打磨，檢測的實現

(2) 實驗難點：機器人碼垛，分揀，上下料，搬運，打磨，檢測的實現

12.實驗項目12：RobotArt 自定義功能

 通過本實驗使學生掌握使用RobotArt實現自定義機器人、機構、工具、零件、后置的原理和方法。

12.1實驗內容和要求

(1) 自定義工具

(2) 自定義機器人

(3) 自定義機構

(4) 自定義狀態機

(5) 自定義零件

(6) 自定義后置

(7) 構建完整工作站

12.2主要實驗方法

(1) 驗證法

(2) 設計法

12.3 實驗重點難點

(1) 實驗重點：使用RobotArt實現自定義機器人、機構、工具、零件、后置的方法

(2) 實驗難點：使用RobotArt實現自定義機器人、機構、工具、零件、后置的方法

七、課程考核及成績評定

1.重點考核內容：工作站的搭建、機器人離線軌跡編程、機器人搬運與IO 事件離線編程、帶導軌的機器人系統創建與運用、帶變位機的機器人系統創建與運用、機器人碼垛，分揀，上下料，搬運，打磨，檢測的實現、使用RobotArt實現自定義機器人、機構、工具、零件、后置的方法

2.考核方式：考查

3.考核形式：閉卷、平時考核、中期考核、期末考核、實驗考核等方式綜合評定

4.成績評定：采用百分制，按以下三項考核指標進行實驗成績綜合評定，其構成比例如下。

 平時考核成績：占課程總成績的30%，（其中考勤占50%，作業占50%，平時測驗×%）

 期中考核成績：占課程總成績的10%

 期末考核成績：占課程總成績的400%

 課內實驗成績：占課程總成績的 20%

八、選用教材與課程資源

 教  材：《RobotArt仿真軟件使用教程》，2018年。

 參考書：1.《運動控制系統》，阮毅編著，清華大學出版社，2011年第4版。

2.《運動控制系統》，爾桂花編著，清華大學出版社，2002年第1版。

3.《運動控制系統》，尚麗編著，西安電子科技大學出版社，2009年第1版。

 網絡教學資源：

1. https://art.pq1959.com/

2. https://www.icourse163.org/course/HUST-1001531001

 撰寫人：毛威，張凱，趙騫審核人：劉思邦

                                              審定人：孫現科

2020年  8月  20日