工业机器人从基础到实战

定　　价：128 元

• 作者：刘广瑞著
• 出版时间：2024/3/1
• ISBN：9787122433732
• 出 版 社：化学工业出版社

• 中图法分类：TP242.2 
• 页码：301
• 版次：1
• 开本：26cm

内容简介

本书从机器人的概念、类型、组成与工作原理出发，讲述工业机器人的基础理论、系统及实战与应用。第1-5章是基础理论篇，主要讲机器人的概念、刚体位姿描述与坐标变换、运动学、动力学与轨迹规划问题。第6-9章是工业机器人系统箱，主要讲工业机器人的机械系统、控制系统、视觉伺服系统与编程系统四大系统。第10、11章是工业机器人实战与应用篇，主要讲工业机器人设计的概念、理念及总体设计思想、工业机器人的机械设计、控制系统设计问题和工业机器人在智能制造中的应用。

编辑推荐

本书定位为介绍工业机器人从基础到实战的科技图书，用以指导高等院相关专业师生科研和专业技术人员开发和完善项目等，进而促进工业机器人行业乃至智能制造的快速发展。 本书具有如下特点： （1）实践性：将工业机器人基本技术和理论用于实践，便于快速应用； （2）全面性：从基本理论到系统设计，再到实战应用，涵盖内容丰富全面； （3）实用性：提供了工业机器人设计方法，读者可以通过本书的研究方法和思路，探究机器人的奥妙。

序 言

机器人从概念到实物诞生，经历了不断的创新和发展，现在已经进入各行各业，从工业、农业、服务业，到军事、国防、科技、、医疗卫生，机器人发挥着越来越大的作用。随着电子信息技术的发展，机器人理论和技术都在不断进步。工业机器人作为机器人的重要分支，随着电子信息技术、机械技术、控制技术、网络技术及人工智能技术的发展而不断升级，目前已经是工业4.0中关键基础与标志性设备，正在从数字化的机械电子系统走向数字化、网络化、智能化的信息物理系统。
工业机器人以力学、数学、控制理论、电子信息网络技术为基础，有一套完整的理论，包括各种坐标系的建立与坐标变换，运动学、动力学问题，轨迹规划问题，信息处理与控制问题。工业机器人为了实现其功能，自身有完整的系统。工业机器人这个大系统由机械系统、控制系统、视觉伺服系统、编程系统四个子系统构成。随着工业技术的发展，智能制造变得越来越重要，而工业机器人是智能制造中的核心设备，正在向着数字化、网络化、智能化的智能机器人方向发展，在制造业中扮演着越来越重要的角色。
本书从机器人的概念、类型、组成与工作原理出发，主要讲述工业机器人的基础理论、系统及实战与应用。全书分三篇，分别是基础理论篇、系统篇和实战与应用篇。第1～5章是基础理论篇，主要讲机器人的概念、刚体位姿描述和齐次变换、运动学、动力学与轨迹规划问题。第6～9章是工业机器人系统篇，主要讲工业机器人的机械系统、控制系统、视觉伺服系统与编程系统四大系统。第10、11章是工业机器人的实战与应用篇，讲述工业机器人设计的概念、理念及总体设计思想、工业机器人的机械设计、控制系统设计问题和工业机器人在智能制造中的应用。
本书有下列特色内容。
① 在第2章中，用旋量法推导了空间直角坐标系坐标旋转变换通式。
② 在第4章中，用能量法推导了操作空间与关节空间的动力学之间的关系。
③ 在第10章中，阐述了智能机器人向嵌入式物联网控制系统方向发展的思想、阐述了工业机器人的总体设计理念、工业机器人机械系统和控制系统的设计过程。
④ 在第11章中，阐述了工业机器人在智能制造中的核心作用。
本书编写过程中参考了大量相关书籍，在此深表感谢！
鉴于笔者水平，内容方面尚存在不足之处，敬请批评指正。

著者

作者介绍

刘广瑞，男，博士研究生，郑州大学机械工程学院教授。河南省优秀中青年骨干教师；河南省厅学术技术带头人。主要研究方向为机器人与自动化、柔性机械臂振动控制、自动控制系统和液压元件与系统数字化，主持或参与等研究课题40项。发表论文90多篇，EI检索17篇，出版著作8部。

目 录

第1篇基础理论篇
第1章机器人概论1
1.1机器人概念1
1.1.1定义1
1.1.2外观类型1
1.1.3机器人三原则5
1.2机器人类型5
1.2.1按应用领域分类5
1.2.2按运动形式分类5
1.2.3按控制方式分类6
1.2.4按机械结构形式分类6
1.2.5按坐标系分类7
1.2.6按驱动装置分类8
1.3机器人的组成与工作原理8
1.3.1机器人硬件系统的组成8
1.3.2机器人软件系统的组成11
1.3.3机器人的工作原理16
1.4机器人的历史与发展16
1.4.1机器人的历史16
1.4.2机器人的发展18
1.5工业机器人的关键技术18
1.5.1高精度机器人减速器18
1.5.2高性能交直流伺服电动机及驱动器20
1.5.3高性能机器人控制器20
1.5.4机器人操作系统20
1.5.5各部分占整个机器人的成本比例21
1.6工业机器人产业链21
1.7国内外工业机器人制造商21
本章小结22
思考与练习题23
参考文献23

第2章刚体位姿描述和齐次变换24
2.1刚体位姿描述24
2.1.1位置的描述24
2.1.2姿态的描述24
2.1.3位姿的描述25
2.1.4手爪坐标系25
2.2坐标变换26
2.2.1坐标平移26
2.2.2坐标旋转26
2.2.3一般变换（平移 旋转）28
2.2.4三维坐标变换的几个特例29
2.3旋转变换通式和等效转轴与转角31
2.3.1旋转变换通式31
2.3.2等效转轴与转角33
2.4齐次坐标和齐次变换34
2.4.1引进齐次坐标34
2.4.2将复合变换式改写为齐次变换式34
2.4.3绕坐标轴旋转的3个特殊齐次变换矩阵35
2.4.4齐次旋转矩阵和平移矩阵35
2.4.5齐次变换矩阵的特点36
2.5工业机器人运动学建立思路36
2.6坐标变换应用举例37
2.6.1机器人与环境之间的坐标变换37
2.6.2摄像机的坐标系与坐标的变换37
本章小结39
思考与练习题39
参考文献40

第3章机器人运动学41
3.1连杆参数和连杆坐标系41
3.1.1机器人连杆和关节的概念41
3.1.2连杆参数41
3.1.3连杆坐标系42
3.2用D-H方法建立机器人运动学方程42
3.2.1D-H方法的概念与思路42
3.2.2用D-H方法建立连杆坐标系的特点42
3.2.3相邻连杆坐标系变换43
3.2.4相邻连杆坐标系之间的齐次变换矩阵的进一步解释44
3.3机器人运动学方程的形式与建立步骤45
3.3.1机器人运动学方程的形式45
3.3.2机器人运动学方程的建立步骤46
3.3.3用D-H方法建立机器人运动学方程应注意的问题46
3.4PUMA560机器人运动学方程的建立过程48
3.4.1建立PUMA560机器人各连杆坐标系和参考坐标系48
3.4.2填写连杆参数表48
3.4.3写出相邻连杆之间的齐次变换矩阵49
3.4.4写出运动学方程51
3.5机器人的运动学方程52
3.6机器人的逆运动学问题52
3.6.1逆运动学的概念52
3.6.2求逆解的过程53
3.6.3运动学逆解的多解问题54
3.6.4求工业机器人运动学逆解时需要关注的几个问题54
3.7机器人运动学方程建立实例55
3.7.1RV-M1机器人运动学方程的建立55
3.7.2博实四自由度SCARA机器人运动学方程的建立58
本章小结61
思考与练习题61
参考文献64

第4章机器人动力学65
4.1为什么要学习机器人的动力学65
4.2几个与动力学关联较大的概念65
4.3用拉格朗日方法建立机器人的动力学方程67
4.3.1拉格朗日动力学方程67
4.3.2用拉格朗日方程解决问题的一般步骤68
4.3.3用拉格朗日方程解决问题的优点68
4.3.4单自由度——小车弹簧系统68
4.3.5二自由度系统——小车弹簧摆系统69
4.3.6集中质量双连杆系统71
4.3.7二自由度机器人手臂（分布质量）72
4.4多自由度机器人的动力学方程的建立75
4.4.1多自由度机器人的动力学方程的建立思路75
4.4.2PUMA560机器人的动力学方程75
4.5关节空间和操作空间的动力学方程76
4.5.1关节空间动力学方程76
4.5.2操作空间动力学方程76
4.5.3操作力矩方程76
4.5.4雅可比矩阵76
4.5.5末端操作力与关节驱动力矩之间的关系78
本章小结80
思考与练习题80
参考文献81

第5章轨迹规划82
5.1轨迹规划概述82
5.2轨迹规划的基本原理83
5.2.1关节空间轨迹规划原理83
5.2.2直角坐标空间轨迹规划原理84
5.3关节空间轨迹规划84
5.3.1三次多项式轨迹规划84
5.3.2五次多项式轨迹规划86
5.4直角坐标空间的轨迹规划87
5.5连续轨迹记录90
本章小结90
思考与练习题90
参考文献90

第2篇工业机器人系统篇
第6章工业机器人的机械系统91
6.1工业机器人的组成91
6.1.1工业机器人的概念与总体组成91
6.1.2机械结构93
6.1.3各种驱动装置95
6.1.4各种传感器96
6.1.5各种控制器97
6.2工业机器人的工作原理98
6.2.1任务分析98
6.2.2轨迹规划99
6.2.3编程与调试99
6.2.4机器人运行99
6.3工业机器人的机械结构100
6.3.1机器人配置形式100
6.3.2总体结构与运动101
6.3.3坐标结构形式102
6.3.4基座和腰部103
6.3.5上下臂与连杆装配105
6.3.6机器人的手腕105
6.3.7手爪结构106
6.3.8关节的结构形式108
6.3.9机器人中常用的机械传动装置109
6.4机器人结构的图形符号表示111
6.4.1常用符号表示111
6.4.2机器人图形符号表示举例112
6.5工业机器人的主要技术参数112
6.6几种典型的工业机器人的机械结构115
6.6.1RV-M1机器人的机械结构115
6.6.2博实四自由度SCARA机器人机械结构117
6.6.3汇博多控模块化机器人的机械结构120
本章小结124
思考与练习题124
参考文献124

第7章工业机器人的控制系统125
7.1机器人控制系统的功能125
7.2机器人控制系统的类型126
7.2.1按控制器不同分类126
7.2.2按驱动装置不同分类128
7.3机器人控制系统的结构130
7.3.1分级分布式控制130
7.3.2独立关节控制132
7.3.3关节控制132
7.4机器人控制系统的分析方法134
7.5基于传递函数的单关节位置控制伺服系统分析134
7.5.1机器人关节控制系统的数学模型（传递函数法）134
7.5.2单关节位置控制系统分析137
7.6机器人控制系统的实例137
7.6.1RV-M1机器人的控制系统137
7.6.2博实四自由度SCARA机器人控制系统140
7.6.3汇博多控模块化机器人的控制系统143
本章小结146
思考与练习题146
参考文献147

第8章机器人视觉伺服系统148
8.1机器人视觉伺服系统的概述148
8.1.1机器人视觉伺服系统的组成148
8.1.2机器人视觉伺服系统的工作过程149
8.1.3机器人视觉伺服系统的类型152
8.1.4机器人视觉伺服系统的关键问题154
8.2机器人视觉系统154
8.2.1视觉系统的图像采集处理过程154
8.2.2视觉系统的组成155
8.2.3两种数字摄像机的工作原理161
8.3机器人视觉图像处理167
8.3.1视觉图像处理的对象167
8.3.2视觉图像处理的目的167
8.3.3视觉图像处理的基本理论167
8.3.4视觉图像处理的方法168
8.3.5视觉图像处理的基本方法和MATLAB程序169
8.4机器人视觉图像分析与识别180
8.4.1图像识别的概念与常用方法180
8.4.2特征识别181
8.4.3生物识别技术181
8.5机器人视觉伺服系统中的关键问题183
8.5.1标定问题183
8.5.2定位问题187
8.6机器人视觉图像处理与分析识别的常用软件187
8.6.1视觉图像处理与分析常用软件简介187
8.6.2机器人视觉主要应用场景193
8.7机器人视觉伺服系统实例199
8.7.1博实四自由度SCARA机器人视觉伺服系统组成199
8.7.2博实四自由度SCARA机器人视觉伺服控制系统控制程序的开发设计204
本章小结205
思考与练习题206
参考文献206

第9章机器人编程207
9.1概述207
9.1.1机器人编程的意义207
9.1.2机器人编程系统应实现的功能207
9.1.3机器人编程类型207
9.2示教编程207
9.2.1示教编程的类型207
9.2.2示教编程的过程209
9.2.3示教装置或软件应具备的基本功能209
9.3机器人语言209
9.3.1机器人语言的类型209
9.3.2机器人语言的发展过程210
9.3.3机器人语言系统的结构和基本功能215
9.4机器人离线编程215
9.4.1什么是机器人离线编程215
9.4.2离线编程与示教编程的对比216
9.4.3机器人离线编程系统的结构216
9.4.4机器人离线编程的主要内容216
9.5RV-M1机器人的编程216
9.5.1RV-M1机器人编程系统的硬件构成216
9.5.2RV-M1机器人编程系统的软件构成217
9.5.3在线示教编程的操作顺序217
9.5.4示教盒上各个按钮开关的介绍217
9.5.5在线编程软件——COSIPROG219
9.5.6离线编程与仿真软件——COSIMIR221
9.5.7三菱RV-M1机器人的指令系统223
9.5.8三菱RV-M1机器人样例程序一224
9.5.9三菱RV-M1机器人样例程序二225
9.6博实四自由度SCARA机器人的编程227
9.6.1博实四自由度SCARA机器人编程系统组成227
9.6.2RBT-4S01S——机器人控制系统软件功能227
9.6.3MAC-3002SSP4系列伺服电动机控制卡调试系统227
9.6.4机器人示教再现的过程229
本章小结229
思考与练习题229
参考文献230

第3篇工业机器人实战与应用篇
第10章工业机器人设计实战231
10.1工业机器人设计概述231
10.1.1什么是设计231
10.1.2工业机器人设计思想231
10.1.3机械电子系统的设计特点232
10.1.4嵌入式物联网控制系统设计233
10.1.5工业机器人机械系统设计理念243
10.1.6工业机器人控制系统设计理念245
10.2工业机器人机械系统设计246
10.2.1工业机器人机械结构特点246
10.2.2驱动装置246
10.2.3机械传动装置255
10.2.4空间坐标结构形式的选择256
10.2.5安装方式的选择257
10.2.6手部设计257
10.2.7手腕设计260
10.2.8臂部设计261
10.2.9机身设计263
10.2.10工业机器人的机座结构265
10.2.11平衡系统设计267
10.2.12缓冲与定位机构267
10.2.13材料的选择268
10.3工业机器人控制系统设计268
10.3.1工业机器人的运动控制过程268
10.3.2工业机器人的运动控制系统的总体架构269
10.3.3工业机器人控制系统结构方式270
10.3.4工业机器人控制系统的硬件设计272
10.3.5工业机器人控制系统的软件设计277
10.3.6智能机器人控制系统278
10.4工业机器人设计实例278
10.4.1RV-M1机器人的机械系统278
10.4.2RV-M1机器人的控制系统279
10.4.3汇博多控模块化机器人的机械结构设计282
10.4.4汇博多控模块化机器人的控制系统282
本章小结284
思考与练习题285
参考文献285

第11章工业机器人在智能制造中的应用286
11.1智能制造系统286
11.1.1制造技术的定义286
11.1.2工业革命的发展286
11.1.3智能制造287
11.2信息物理系统292
11.3机器人在智能制造中的应用297
本章小结301
思考与练习题301
参考文献301