工业机器人技术基础

1、工业机器人技术基础课程简介本课程是工业机器人技术专业学生的专业必修课，学生在学完本课程后，能 获得具有生产一线技术和运行人员所必须掌握的机器人技术应用的基本知识和 基本技能。工业机器人应用岗位已经成为众多行业特别是电子制造、汽车制造、 半导体工业、机械制造、造船工业、机床加工等行业最关键最核心的工作岗位。 本课程介绍了工业机器人的机械结构、驱动系统、控制系统和感觉系统，通过典 型案例对工业机器人示教和操作的相关基础共性问题进行详细图解，内容涵盖机 器人搬运、码垛、焊接、涂装和装配五大典型应用任务。通过本课程的学习，学 生掌握工业机器人技术的基础知识，为后续的学习打下基础。课程大纲一、课程的性质

2、与任务：本课程是工业机器人技术专业基础课程，它是集力学、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。通过该课程的学习，使得 学生基本熟悉这门技术以及其发展状况，为今后从事工业机器人技术安装、应用、 设计等工作打下基础。通过课程学习，学生了解机器人的发展状况，发展前景及工业机器人将对未 来工业创造的巨大潜在价值。理解工业机器人的基本原理、基础知识，掌握机器 人机械机构、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论，同时懂得对机器人 进行实际操作。机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，

3、而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合，通过这门课的学习， 使学生对机器人有一个全面、深入的认识，并掌握相应的一些实用工业机器人控 制及规划和编程方法。二、课程的目的与基本要求：了解机器人的部件、结构、特性、应用技术的现状及发展趋势，机器人的语 言系统的作用及内容;掌握机器人的各种分类方式，掌握不同类型机器人的性能， 机器人的基本术语、各类图形符号和主要技术参数，机器人的机身、臂部、腕部、 手部、行走机构等的结构特点，机器人的驱动方式、驱动机构、传动机构，机器 人控制系统及控制方式、基本单元、控制系统的基本组成；掌握搬运、码垛、焊 接、涂装和装配五大典型机器人的系统组成及功能；熟悉

4、搬运、码垛、焊接、涂 装和装配五大典型机器人作业示教的基本流程。通过课程学习，学生了解机器人的发展状况，发展前景及工业机器人将对未 来工业创造的巨大潜在价值。理解工业机器人的基本原理、基础知识，掌握机器 人机械机构、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论，同时懂得对机器人 进行实际操作。机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合， 而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合，通过这门课的学习， 使学生对机器人有一个全面、深入的认识，并掌握相应的一些实用工业机器人控 制及规划和编程方法。三、面向专业：工业机器人技术四、先修课程:高等数学、计算机应用技术、机械制图与CAD、

5、电工电子技术、 机械基础、电机与电控控制技术五、本课程与其它课程的联系：由于工业机器人技术是一门融运动、力学分析、 机械结构及控制为一体的综合性课程，它涉及机械、自动控制、计算机、传感器、 人工智能、电工电子技术等多学科的内容。所以本课程的教学必须在完成先修课 程之后进行，要求能够综合运用所学知识，来解决在机器人方面的有关问题，为 后续的工业机器人工作站维护、工业机器人工作站程序调试做准备。六、教学内容安排、要求、学时分配及作业：第1章 机器人应用技术概述（4学时）第一节机器人的基本概念（2学时）（一）教学目的、要求了解机器人的定义与特性；理解机器人的历史与发展过程；（二）教学重点、难点教学重

6、点：计算机系统的组成。教学难点：计算机的工作原理。（三）教学内容机器人的定义与特性（C）1.1机器人的定义；1.2机器人的特性。机器人的历史与发展（B）2.1机器人的历史；2.2机器人的实用化；2.3机器人的发展方向。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件和机器人工作的视频，注重基本理论和 基本概念的讲授。（五）主要考核内容机器人的发展历程。（六）作业要求课后复习机器人的定义与发展历程。第二节 机器人的组成原理与应用技术（2学时）（一）教学目的、要求了解机器人的应用领域与应用研究内容；了解同内和国际机器人应用技术的现状；掌握机器人的组成部分；掌握机器人的工作原理。（二）教学

7、重点、难点教学重点：机器人的组成和工作原理。教学难点：机器人的工作原理。（三）教学内容机器人的组成 （A）1.1机械部分；1.2传感部分；1.3控制部分。工业机器人的工作原理 （A）2.1工业机器的系统结构；2.2工业机器人的工作原理。机器人应用与外部的关系（C）3.1机器人应用涉及的领域；3.2机器人应用研究的内容。4机器人应用技术的现状（C）4.1国际机器人应用技术的现状；4.2我国机器人应用技术的现状；4.3工业机器人应用技术的现状。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件的方式进行教学，注重基本理论和基本 概念的讲授。（五）主要考核内容机器人的组成部分和机器人的工作原

8、理。（六）作业要求完成第1章的作业与思考题。第2章 机器人的基础知识（6学时）第一节 机器人的分类 （2学时）（一）教学目的、要求了解机器人的各种分类方法及各种类型的机器人；理解按智能方式分类的三代机器人；掌握按关节方式分类的五大类机器人。（二）教学重点、难点教学重点：按智能方式的三代机器人，按关节分类的五种机器人。教学难点：按关节分类的五种机器人。（三）教学内容按机器人的应用领域分类（C）1.1工业机器人；1.2操纵机器人。按机器人的驱动方式分类（B）2.1气动式机器人；2.2液动式机器人；2.3电动式机器人；2.4新型驱动方式机器人。按机器人的智能方式分类 （B）3.1 一般型机器人；3.

9、2传感机器人；3.3智能机器人。按机器人的控制方式分类 （C）4.1非伺服机器人；4.2伺服控制机器人。按机器人的坐标系统分类 （A）5.1直角坐标型机器人；5.2圆柱坐标型机器人；5.3极坐标型机器人；5.4多关节坐标机器人；5.5平面关节坐标型机器人。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件和机器人工作的视频，注重基本理论和 基本概念的讲授。（五）主要考核内容工业机器人的分类方法。（六）作业要求熟悉机器人的各种分法。第二节 机器人的基本术语、图形符号与技术参数（2学时）（一）教学目的、要求掌握机器人的基本术语；掌握机器人图形符号并会绘制机器人简图；了解机器人的图形符号表示

10、；了解机器人的参数。（二）教学重点、难点教学重点：机器人的基本术语，机器人的图形符号。教学难点：回转关节，移动关节。（三）教学内容机器人的基本术语（A）1.1关节；1.2连杆；1.3刚度。机器人的图形符号体系（B）2.1运动副的图形符号；2.2基本运动的图形符号；2.3运动机能的图形符号；2.4运动机构的图形符号。机器人的图形符号表示 （B）3.1四种坐标机器人的机构简图；3.2机器人运动原理；3.3机器人传动原理；3.4典型机器人的结构简图。4机器人的主要参数（C）4.1自由度；4.2工作空间；4.3工作速度；4.4工作载荷；4.5分辨率、精度。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利

11、用PPT课件和机器人工作的视频，注重基本理论和 基本概念的讲授。（五）主要考核内容工业机器人的识图与画法。（六）作业要求绘制四种机器人的结构简图。第三节 机器人的运动学与动力学基础 （2学时）（一）教学目的、要求了解运动学的概念；掌握机器人的正逆运动学计算；理解机器人动力学、静力学和运动学的关系。（二）教学重点、难点教学重点：运动学的基本问题，机器人的位置与变量之间的关系。教学难点：机器人的运动学问题。（三）教学内容机器人的运动学问题（A）1.1运动学概述；1.2运动学的基本问题。机器人的位置与变量之间的关系（B）机器人运动学的一般表示（C）机器人的动力学问题（C）4.1动力学的基本问题；4.

12、2动力学的问题解法。机器人的动力学（C）5.1机器人的动能；5.2机器人的位能；5.3运动学、静力学和动力学的关系。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注 重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容机器人的正逆运动学的计算。（六）作业要求完成课后习题。第3章 机器人机械结构系统（6学时）第一节机器人机身和臂部机构 （2学时）（一）教学目的、要求了解机器人机身不同结构的组成原理，以及手部、腕部等各部分的组成 与种类；能够分析各机械结构系统的特点与工作原理；掌握机械结构的典型机构。（二）教学重点、难点教学重点：数制转换及运算。教学难点：数值

13、在计算机中的表示。（三）教学内容机器人的机身机构 （A）1.1升降回转型机身结构；1.2俯仰型机身结构；1.3直移型机身结构。机器人臂部的组成 （A）2.1手臂的运动；2.2手臂的组成。 机器人臂部的配置 （C）3.1横梁式配置；3.2立柱式配置；3.3机座式配置；3.4屈伸式配置。机器人的三种臂部机构（B）4.1臂部伸缩机构；4.2臂部俯仰机构。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注 重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容机械结构系统的特点与工作原理。（六）作业要求机器人的机械结构系统有哪些组成部分，各部分是如何连接的？第二节 机

14、器人的腕部和手部机构 （2学时）（一）教学目的、要求了解机器人腕部的自由度和驱动方式；理解机器人腕部的转动方式；理解机器人手部的特点和分类；掌握机器人夹持类手部和吸附式手部。（二）教学重点、难点教学重点：机器人腕部的转动方式，机器人夹持类手部和吸附式手部。教学难点：机器人夹持类手部和吸附式手部。（三）教学内容机器人腕部的转动方式 （B）1.1腕部的运动；1.2腕部的转动。机器人腕部的自由度 （C）2.1单自由度腕部；2.2二自由度腕部；2.3三自由度腕部。机器人腕部的驱动方式 （C）3.1直接驱动；3.2远程驱动；机器人的柔顺腕部（C）4.1主动柔顺装配；4.2主动柔顺装配；机器人手部的特点与

15、分类（B）5.1机器人手部的特点；5.2机器人手部的性质；5.3机器人手部的分类。机器人的夹持类手部 （A）6.1夹钳式手部；6.2钩托式手部；6.3弹簧式手部；机器人的吸附式手部 （A）（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注 重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容机器人夹持类手部和吸附式手部。（六）作业要求复习机器人的腕部和手部机构。第三节 机器人的行走机构（2学时）（一）教学目的、要求了解机器人行走机构的特点；掌握车轮式和履带式行走机构；掌握足式行走机构。（二）教学重点、难点教学重点：车轮式和履带式行走机构。教学难点：足式行走机

16、构。（三）教学内容机器人行走机构的特点 （C）1.1机器人行走机构的特点；1.2无固定轨迹行走机器人。车轮式行走机构（A）2.1车轮的形式；2.2车轮的配置和转向机构；2.3越障轮式机构；履带式行走机构（A）3.1履带行走机构的构成；3.2履带行走机构的特点。足式行走机构（B）4.1足式行走特点；4.2足的配置；4.3足式行走机构的平衡和稳定性；4.4典型的足式行走机构。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容机器人行走机构的特点与应用。（六）作业要求足式行走机构的优缺点；足的数目有哪些种类？足的

17、配置有哪些种类？第4章 机器人的驱动系统（4学时）第一节 机器人的驱动系统 （2学时）（一）教学目的、要求了解机器人的驱动方式与驱动元件；理解伺服电机的工作原理；掌握驱动机构、传动机构原理与特点；（二）教学重点、难点教学重点：机器人的驱动机构、传动机构和伺服电机。教学难点：伺服电机的原理。（三）教学内容驱动方式 （C）1.1关节与关节驱动；1.2直接驱动方式；1.3间接驱动方式。驱动元件 （B）2.1液压驱动；2.2气压驱动；2.3电动机驱动。驱动机构（B）3.1直线驱动机构；3.2旋转驱动机构；3.3行走机构的驱动。传动机构（A）4.1行星齿轮传动机构；4.2谐波传动机构；4.3丝杆传动；4

18、.4带传动与链传动。伺服系统与伺服电动机 （C）5.1伺服电动机；5.2伺服系统。 直流伺服电动机（A）6.1直流电动机；6.2直流伺服电动机原理。 交流伺服电动机（A）7.1交流电动机；7.2交流伺服电动机的原理；7.3交流伺服电动机的种类。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容机器人传动机构、驱动原理和伺服电机的原理。（六）作业要求课后作业与思考题。第二节 液压驱动与气压驱动系统 （2学时）（一）教学目的、要求了解液压驱动系统的主要设备；理解液压驱动系统工作原理；掌握气源装置和气动控制元件；

19、（二）教学重点、难点教学重点：液压驱动系统工作原理，气动控制元件。教学难点：气动控制元件。（三）教学内容液压驱动概述 （A）1.1液压驱动系统工作原理；1.2液压驱动系统的组成。液压驱动系统主要设备（B）2.1液压缸；2.2液压阀。 气源装置（B）3.1压缩空气站的设备组成；3.2空气过滤减压器。气动控制元件（C）4.1压力控制阀；4.2流量控制阀；4.3方向控制阀。气动执行元件 （A）5.1气缸；5.2气动马达。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注 重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容液压（气压）驱动系统设备组成及其工作原理。

20、（六）作业要求液压（气压）驱动系统由哪些设备组成，并说出其工作原理；液压缺有哪些种类？各有何种作用？气压阀站组件有哪些种类？各有何种作用？第5章机器人的控制系统（4学时）第一节 机器人的控制系统与伺服控制系统（2学时）（一）教学目的、要求了解机器人控制系统的特点与方式；理解PID控制的原理；掌握伺服控制系统的结构与原理。（二）教学重点、难点教学重点：PID算法，伺服控制系统的结构与原理。教学难点：伺服控制系统的结构与原理。（三）教学内容机器人控制系统及控制方式 （C）1.1机器人控制系统的特点；1.2机器人的控制方式；1.3机器人的控制功能。 TOC o 1-5 h z 机器人控制系统的基本单

21、元（C）自动控制系统（B）3.1开环和闭环控制系统；3.2模拟和数字控制系统；PID 控制（A）4.1闭环控制系统的常见结构；4.2 PID 算法。伺服控制系统 （A）5.1伺服系统的组成；5.2伺服系统的结构。伺服系统的动态参数（C）6.1阶跨响应；6.2伺服系统的几个动态参数。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注 重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容1.伺服控制系统的原理。（六）作业要求机器人控制系统的特点及机器人有哪些控制方式；机器人控制系统的基本单元。第二节 机器人控制系统结构（2学时）（一）教学目的、要求理解交流伺服电

22、动机的调速原理和方法；了解机器控制系统的基本功能；掌握机器人控制系统的基本结构。（二）教学重点、难点教学重点：交流伺服电动机的调速原理和方法，机器人控制系统的基本结构。教学难点：机器人控制系统的基本结构。（三）教学内容交流伺服电动机的调速原理 （C）1.1电动机机械特性；1.2稳态精度；1.3调速范围。交流伺服电动机的调速方法（C）机器人控制系统的基本组成3.1交流电动机调速方法；3.2变频调速方法。机器人控制系统的基本结构（A）4.1基本PLC的运动控制；4.2基于PC和运动控制卡的运动控制；4.3纯PC控制。机器人控制系统的分层结构（A）5.1机器人控制系统工作过程；5.2机器人控制系统的

23、硬件组成；5.3机器人控制系统的软件组成。（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容1.交流伺服电动机的调速原理，机器人控制系统的基本结构。（六）作业要求复习本节课的主要内容。第6章 机器人的感觉系统（4学时）第一节 机器人的传感技术与内部传感器 （2学时）（一）教学目的、要求了解机器人的感官和感觉；了解机器人传感器的分类；掌握机器人的位置、角度和速度传感器的性质。（二）教学重点、难点教学重点：机器人的位置、角度和速度传感器的性质。教学难点：机器人的角度传感器性质。（三）教学内容机器人与传感器 （C

24、）1.1人与机器人的感官；1.2机器人的感觉。机器人传感器的分类 （C）2.1内部传感器与外部传感器；2.2接触式传感器与非接触式传感器。 TOC o 1-5 h z 机器人的位置传感器（A）3.1电位计式传感器；3.2光电式位置传感器。机器人角度传感器（A）4.1编码器的分类；4.2绝对式光电编码器；4.3增量式光电编码器。 机器人速度传感器（A）5.1测速发电机；5.2增量式光电编码器；机器人的姿态传感器（C）（四）教学方法与教学手段采用多媒体教学手段，利用PPT课件、实物展示相结合的方式进行教学，注 重基本理论和基本概念的讲授。（五）主要考核内容1.机器人的传感器性质。（六）作业要求1.

25、复习本节所讲的内容。第二节 机器人的外部传感器与视觉系统（2学时）（一）教学目的、要求了解机器人的力觉、听觉传感器；了解机器人的视觉系统；理解机器人触觉传感器的工作原理；掌握机器人视觉系统的原理。（二）教学重点、难点教学重点：机器人触觉传感器的工作原理，机器人视觉系统的原理。教学难点：机器人视觉系统的原理。（三）教学内容1.机器人的触觉传感器 （C）1.1接近觉传感器；1.2接触觉传感器；1.3压觉传感器；1.4滑觉传感器。机器人的力觉传感器 （C）2.1力觉传感器概述；2.2力觉传感器的工作原理；2.3分布型传感器；2.4腕力传感器。 机器人距离传感器（A）3.1距离传感器概述；3.2超声波距离传感器；3.3红外距离传感器；3.4激光距离传感器。 TOC o 1-5 h z 机器人听觉传感器（A）4.1语音识别技术；4.2语音识别方式。 机器人视觉系统的组成（A）5.1机器人的视觉概述；5.2