小学机器人教学应用研究开题报告

小学机器人教学应用研究开题报告
第一篇：小学机器人教学应用研究开题报告
小学机器人教学应用研究开题报告
兖州区矿山学校
教育机器人作为教学内容进入中小学，无论国内还是国外，目前都处于起步阶段。

从各地情况来看，较多的学校只是以课外活动、各种兴趣班、培训班的形式开展机器人教学。

通常的做法是由学校购买若干套机器人器材，由信息技术课程教师或综合实践课程教师进行指导，组织学生进行机器人组装、编程的实践活动，然后参加一些相关的机器人竞赛。

目前，只有极少数的地区和学校将机器人教学纳入了正规课堂教学。

2000年，北京市景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中，在国内率先开展了中小学机器人课程教学。

2001年，上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。

2005年，哈尔滨市正式将机器人引人课堂教学，在哈尔滨师范附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程，用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。

此外，香港在高中及高等教育新学制的改革中，也在高中“设计与应用科技”课程中增设了机器人制作的课程。

小学普及机器人教学，指每位学生在小学阶段，都能在某一较长的时间里接受到机器人的教育，不局限于在我校进行，还希望是在区内、市内更多的学校能开展这项活动。

一、本课题研究的背景及意义。

随着社会的不断进步、发展，智能机器人无论在工业、农业，还是在生活和学习中，都有着广泛的应用和影响，它也是一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。

而机器人技术涉又及机械构造术、信息技术、通讯技术等多门学科知识，对广大中小学生来说即充满着好奇与兴趣，又具有挑战性。

因此，把智能机器人引入中小学教育课程中，不仅有利于教师探索教育改革和培养人才，更
有利于培养青少年创新精神和实践能力，同时也有利于推动我国智能机器人事业的发展和专业人才的培养。

然而，在各中小学校里，推行机器人教学却举步维艰，首先它还没有完整的教育机制作保障，其次是机器人设备价格昂贵，设备更新快，后期维护费用高，最后是老师和学生们自我感觉程序构造复杂，教师感觉学生都难以掌握及接受，等等。

出于种种原因，学校开展机器人教育参差不齐，有的望而却步，有的虎头蛇尾，半途而废，有的为了竞赛活动，就只局限于对有特长和兴趣的个别学生进行教学，等等。

难怪有人把它说成是“精英”教育，也有人戏称为“烧钱”教育。

二、课题研究的主要内容。

本课题致力于研究一种让大家都容易接受、并行之有效的适合在小学阶段普及机器人教学方案，形成教材及评价标准，利用现有的资源，让学生们都能享受到机器人的课程教育，培养科技人才。

1、如何有效地借助虚拟机器人软件进行教学活动。

现在学校都基本上普及的电脑室，在仿真虚拟机器人的系统里利用电脑室进行教学，它投入少、更新快、可普及性强、入门低等特点，不仅可以顺应了学生学习的兴趣和动机,又丰富了学生的课外生活,锻炼学生的思维、空间想象能力和解决问题的能力，而且能够让学生掌握与机器人相关的知识,一定程度上解决当前实体机器人在教育上存在的一些问题，为进行实体机器人教学打下了良好的基础，这也是普及机器人教育的有效途径。

2、如何利用现在的资源进行实体机器人教学活动。

在有条件的学校里，把虚拟机器人与实体机器人结合进行教学，避免只把机器人教育的目光完全锁定到虚拟软件上。

在教学中注重为学生设臵和创造由外部环境和机器本身形成的千差万别的现实情况，让学生试着去排除和解决干扰，最后完成任务，从而培养学生科学探究精神和动手实践能力。

3、制定科学的机器人教学活动科学评价方案。

有教必有评，以评促教，设定科学的评价方案，可以大大地提高机器人教育教学质量，也保证教学活动的有序进行。

三、课题研究的方法、思路及组织。

研究方法以先个别后整体，先易后难为原则。

首先以小组、个别班的形式入手，探索有实效性、普及性及可行性强的教学内容和方法，编写成册，然后整班、整级进行教学实践，最后形成校本教材。

现正由刘华杰、苗春雷和张东老师对五年级和第二课堂兴趣小组的多名学生进行常规性的教学活动，效果斐然。

对于实体机器人的教学，我们正在探索之中，刘华杰、苗春雷、张东等老师，分小组分项目分对足球、灭火、FLL、DIY等机器人项目进行教学探讨，其中各学科老师负责的DIY机器人项目，动手能力强，可创造性高、成本低等特点，正适合学校普及教学活动，正逐渐地整理和形成一套有序而有效的教学方案，下学期准备尝试进行整班教学，形成普及性的教材。

与机器人教学相关的内容繁多，学无止境，我们还创设条件，组织全体师生到户外实践活动，了解更多在我们身边的应用机器人的案例。

如参观科技馆内的投篮机器人、弹钢琴机器人，参观毛织厂里的电脑自动织机，等等，扩大学生视野，激发兴趣，开启智慧，提高学生的科学素养。

四、课题研究进度。

1、2012年9月-2013年7月，完成我校六年级学段的学生虚拟机器人教学活动，对教学内容、教学方法、教学评价等进一步完善。

2、2012年9月-2013年7月，多小组的形式对实体机器人教学的探索，特别对DIY机器人项目整理并完善，然后实行普及教学。

3、2013年9月-2014年1月，尝试对班级学生进行实体机器人教学活动，并对教材进一步的整改和完善。

4、2014年1月-2014年7月，顺利完成对整个六年级进行实体机器人教学活动。

5、从2014年9月起，学校每年能正常地对六年级全体学生进行机器人的教学活动，上半学期进行虚拟机器人教学，下半学期进行实体机器人教学。

计划在2013年期间举行1-2次全镇或全市性的机器人示范交流活动。

五、课题成员分工。

课题负责人：张书虎
课题组成员及具体分工：刘华杰苗春雷张冬
课题负责人老师：参与及指导教师进行机器人教学活动，探索和研究机器人教学活动内容和教学方法，编写虚拟和实体的机器人校本教材，并组织成员对教材不断充实和完善，收集及整理优秀课例和论文，编写“小学机器人课程教学评价手册”，撰写课题研究报告。

张书虎副校长：负责组织和引导课题活动、组织交流及教学评价，各项工作活动的落实与监督，如教学课时安排、听课、评课，等等。

苗春雷、张东老师：负责机器人教学活动，对课本教材不断地进行充实和完善，协助做好“课程评价标准手册”，组织特长学生对机器人进行深入研究及实践。

刘华杰老师：负责对机器人进行构图设计及创造，活动拍照摄影等档案整理。

苗春雷、张东老师：以小组形式组织兴趣特长的学生对现有的机器人进行学习研究、结构升级、搭建、焊接、调试、维修等，比如我们现有的机器人有如DIY、足球、投篮、人型等机器人。

张冬老师：安排及组织学生对各类机器人进行认识和探究，扩大视野，激发兴趣，引导和鼓励学生对机器人进行大胆的设计和创造。

刘华杰老师：指导学生利用与机器人有关的知识进行改进和完善，特别是对日常生活和学习中不完整、不完善的工具或物品，形成自己的小发明、小创造
六、预期成果。

1、激发学生兴趣、开发学生潜能，开启学生智慧。

2、完成一套完整的适合普及小学机器人教育的教材——《机器人基础教学》虚拟篇和实体篇。

3、完成机器人教学活动评价手册。

4、整理机器人教学活动优秀案例集、课例集、论文集等等。

5、《小学机器人教学应用研究》研究报告。

6、能在全区乃至全市范围内举行普及机器人教学展示活动，起着引领和示范指导作用。

七、保障条件。

1、时间的保障
由学校统一安排机器人教学课程，在六年级学段每周设臵一节机器人教学活动时间，每周五学校第二课活动时间，成立机器人兴趣小组并进行机器人教学活动，每天下午第三节，安排机器人特长兴趣小组的学生进行机器人的学习与探索。

2、物质保障
2012年，在兖州区教体局的大力支持下，投入专项资金建立机器人制作室，配备多煤体教学平台、用于编程调试机器人的电脑、教学机器人及训练场地等设备。

以后每年学校投入约1.5万元用于设备的更新和维护，还有印制教学课本、电教设备、机器人设备更新维护、专家讲座指导，等等。

3、成立机器人实验室教育教学工作组。

张书虎副校长为课题组顾问。

苗春雷老师为组长，课题组成员参与到机器人的教学活动中，保证机器人教学活动的顺利进行。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索！现在进行普及机器人教学的研究，也算是一个新的起点，课程改革的新亮点，借此机会，恳请各位专家、领导和老师们提出宝贵的意见或建议，谢谢大家！
2013年4月6日
第二篇：工业机器人开题报告
工业机器人开题报告
一、选题的目的和意义：
工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且可以保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本。

因此，研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。

由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制
造系统的组部分。

二、国内外研究综述：
20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。

此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

我国工业机器人经过20多年的发展已经初具规模。

目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。

一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。

一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。

某些关键技术已达到或接近世界水平。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。

从市场占有率来说，更无法相提并论。

工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。

国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。

全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。

机器人技术是具有前瞻性、战略性的高技术领域。

国际电气电子
工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，机器人技术就是其中之一。

一个国家要引入高技术并将其转移为产业技术（产业化），必须具备5个要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。

广泛使用机器人是实现工业自动化，提高社会生产效率的一种十分重要的途径。

我国正在努力发展工业机器人产业，引进国外技术和设备，培养人才，打开市场。

三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法：
在本次设计中，拟应用到的文献涉及机械原理机械设计类，机械绘图类，机械工程控制类，机械工程材料和力学以及工业机器人或工业机器人手臂相关的资料，在设计过程中这些材料可以首先帮我们从整体上了解与机器人手臂相关的技术以及现在国内外的发展趋势；其次，利用这些资料，可以在设计过程中进行合理的结构分析和设计方案的初步制定；最后，机器人手臂设计过程中的所需材料的选择，设计与校核计算，运动过程的控制以及其他的注意事项，都可以在相关文献资料中得到一些指导与帮助。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。

共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。

机器人采用电动机驱动。

这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。

为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。

电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。

使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。

确定这种机器人的6 个关节都采用步进电驱动，开环控制。

各部件组成和功能描述如下：(1)底座部件：底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。

底座部件固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。

2)腰部回转部件：腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。

作
用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。

在腰部支上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。

(3)大臂部件：包括大臂和传动部件。

(4)小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机(5)手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等(6)末端执行器：为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为 0～100mm。

考虑在指尖的平面上贴传器片，进行力的控制。

四、主要参考文献与资料获得情况：
[1].孟庆鑫、王晓东.《机器人技术基础》.哈尔滨工业大学出版社，2006.[2].董华梁、彭文生.《机械设计基础》.高等教育出版社，2007.[3].周伯英.《工业机械人设计》.机械工业出版社，1995 [4].郑堤、唐可洪.《机电一体化设计基础》.机械工业出版社，1997 [5].张铁、谢存禧.《机械人学》.华南理工大学出版社，2004 [6].曲兴华.《仪器制造技术》.机械工业出版社，2010 [7].柳晖.《互换性与技术测量基础》.华东理工大学出版社，2006 [8].沈鸿.《机械工程手册》.机械工业出版社，1983
五、毕业设计（论文）进度安排（按周说明）第5-6周收集并整理相关资料
第7-8周研究资料、编写开题报告
第9-10周完成毕业设计论文的初稿
第11-12周根据指导教师意见，修改和完善论文第13-14周进一步完善论文，定稿并装订成册第15-17周准备毕业答辩，提交论文第三篇：搬运机器人毕业设计开题报告
广东技术师范学院
毕业设计（论文）开题报告
题目4-DOF搬运机器人的结构设计
专业名称
飞行器动力工程
班级学号
学生姓名
指导教师
填表日期
2013 年月日
一、选题的依据及意义：
传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。

工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。

搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。

最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。

搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。

搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。

目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。

部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。

它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。

应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。

搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产
和社会发展起越来越重要的作用。

二、国内外研究概况及发展趋势：
（1）国内现状及发展趋势
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。

搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，如图
1、图2的搬运机器人。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

图1.搬运机器人
图2.六自由度机器人
搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点：
①搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

②机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。

③搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

④搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，⑤虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。

（2）国外现状及发展趋势
现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。

因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手，如图3。

其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。

但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。

搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料如图4，减轻工人的劳动强度。

并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。

采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。

图3.气动搬运机械手
图4.自动上下料机械手
国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。

使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。

视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。

总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

更重要的是将搬运
机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

三、研究内容及实验方案：
(1)主要研究内容。