工業機器人從基礎到實戰

本書定位為介紹工業機器人從基礎到實戰的科技圖書，用以指導高等院相關專業師生科研和專業技術人員開發和完善項目等，進而促進工業機器人行業乃至智能制造的快速發展。 本書具有如下特點： （1）實踐性：將工業機器人基本技術和理論用于實踐，便于快速應用； （2）全面性：從基本理論到系統設計，再到實戰應用，涵蓋內容豐富全面； （3）實用性：提供了工業機器人設計方法，讀者可以通過本書的研究方法和思路，探究機器人的奧妙。

機器人從概念到實物誕生，經歷了不斷的創新和發展，現在已經進入各行各業，從工業、農業、服務業，到軍事、國防、科技、教育、醫療衛生，機器人發揮著越來越大的作用。隨著電子信息技術的發展，機器人理論和技術都在不斷進步。工業機器人作為機器人的重要分支，隨著電子信息技術、機械技術、控制技術、網絡技術及人工智能技術的發展而不斷升級，目前已經是工業4.0中關鍵基礎與標志性設備，正在從數字化的機械電子系統走向數字化、網絡化、智能化的信息物理系統。
工業機器人以力學、數學、控制理論、電子信息網絡技術為基礎，有一套完整的理論，包括各種坐標系的建立與坐標變換，運動學、動力學問題，軌跡規劃問題，信息處理與控制問題。工業機器人為了實現其功能，自身有完整的系統。工業機器人這個大系統由機械系統、控制系統、視覺伺服系統、編程系統四個子系統構成。隨著工業技術的發展，智能制造變得越來越重要，而工業機器人是智能制造中的核心設備，正在向著數字化、網絡化、智能化的智能機器人方向發展，在制造業中扮演著越來越重要的角色。
本書從機器人的概念、類型、組成與工作原理出發，主要講述工業機器人的基礎理論、系統及實戰與應用。全書分三篇，分別是基礎理論篇、系統篇和實戰與應用篇。第1～5章是基礎理論篇，主要講機器人的概念、剛體位姿描述和齊次變換、運動學、動力學與軌跡規劃問題。第6～9章是工業機器人系統篇，主要講工業機器人的機械系統、控制系統、視覺伺服系統與編程系統四大系統。第10、11章是工業機器人的實戰與應用篇，講述工業機器人設計的概念、理念及總體設計思想、工業機器人的機械設計、控制系統設計問題和工業機器人在智能制造中的應用。
本書有下列特色內容。
① 在第2章中，用旋量法推導了空間直角坐標系坐標旋轉變換通式。
② 在第4章中，用能量法推導了操作空間與關節空間的動力學之間的關系。
③ 在第10章中，闡述了智能機器人向嵌入式物聯網控制系統方向發展的思想、闡述了工業機器人的總體設計理念、工業機器人機械系統和控制系統的設計過程。
④ 在第11章中，闡述了工業機器人在智能制造中的核心作用。
本書編寫過程中參考了大量相關書籍，在此深表感謝！
鑒于筆者水平，內容方面尚存在不足之處，敬請批評指正。

著者

劉廣瑞，男，博士研究生，鄭州大學機械工程學院教授。河南省優秀中青年骨干教師；河南省教育廳學術技術帶頭人。主要研究方向為機器人與自動化、柔性機械臂振動控制、自動控制系統和液壓元件與系統數字化，主持或參與等研究課題40項。發表論文90多篇，EI檢索17篇，出版著作8部。

本書從機器人的概念、類型、組成與工作原理出發，主要講述工業機器人的基礎理論、系統及實戰與應用。第1～5章是基礎理論篇，主要講機器人的概念、剛體位姿描述與坐標變換、運動學、動力學與軌跡規劃問題。第6～9章是工業機器人系統篇，主要講工業機器人的機械系統、控制系統、視覺伺服系統與編程系統四大系統。第10、11章是工業機器人實戰與應用篇，主要講工業機器人設計的概念、理念及總體設計思想、工業機器人的機械設計、控制系統設計問題和工業機器人在智能制造中的應用。每章后面都有思考與練習題，可作教學與研究之用。
本書可作為機械工程、機器人工程、智能制造工程等專業的教材，也可以作為相關專業的工程技術人員的參考書籍。

第1篇基礎理論篇
第1章機器人概論1
1.1機器人概念1
1.1.1定義1
1.1.2外觀類型1
1.1.3機器人三原則5
1.2機器人類型5
1.2.1按應用領域分類5
1.2.2按運動形式分類5
1.2.3按控制方式分類6
1.2.4按機械結構形式分類6
1.2.5按坐標系分類7
1.2.6按驅動裝置分類8
1.3機器人的組成與工作原理8
1.3.1機器人硬件系統的組成8
1.3.2機器人軟件系統的組成11
1.3.3機器人的工作原理16
1.4機器人的歷史與發展16
1.4.1機器人的歷史16
1.4.2機器人的發展18
1.5工業機器人的關鍵技術18
1.5.1高精度機器人減速器18
1.5.2高性能交直流伺服電動機及驅動器20
1.5.3高性能機器人控制器20
1.5.4機器人操作系統20
1.5.5各部分占整個機器人的成本比例21
1.6工業機器人產業鏈21
1.7國內外工業機器人制造商21
本章小結22
思考與練習題23
參考文獻23

第2章剛體位姿描述和齊次變換24
2.1剛體位姿描述24
2.1.1位置的描述24
2.1.2姿態的描述24
2.1.3位姿的描述25
2.1.4手爪坐標系25
2.2坐標變換26
2.2.1坐標平移26
2.2.2坐標旋轉26
2.2.3一般變換（平移+旋轉）28
2.2.4三維坐標變換的幾個特例29
2.3旋轉變換通式和等效轉軸與轉角31
2.3.1旋轉變換通式31
2.3.2等效轉軸與轉角33
2.4齊次坐標和齊次變換34
2.4.1引進齊次坐標34
2.4.2將復合變換式改寫為齊次變換式34
2.4.3繞坐標軸旋轉的3個特殊齊次變換矩陣35
2.4.4齊次旋轉矩陣和平移矩陣35
2.4.5齊次變換矩陣的特點36
2.5工業機器人運動學建立思路36
2.6坐標變換應用舉例37
2.6.1機器人與環境之間的坐標變換37
2.6.2攝像機的坐標系與坐標的變換37
本章小結39
思考與練習題39
參考文獻40

第3章機器人運動學41
3.1連桿參數和連桿坐標系41
3.1.1機器人連桿和關節的概念41
3.1.2連桿參數41
3.1.3連桿坐標系42
3.2用D-H方法建立機器人運動學方程42
3.2.1D-H方法的概念與思路42
3.2.2用D-H方法建立連桿坐標系的特點42
3.2.3相鄰連桿坐標系變換43
3.2.4相鄰連桿坐標系之間的齊次變換矩陣的進一步解釋44
3.3機器人運動學方程的形式與建立步驟45
3.3.1機器人運動學方程的形式45
3.3.2機器人運動學方程的建立步驟46
3.3.3用D-H方法建立機器人運動學方程應注意的問題46
3.4PUMA560機器人運動學方程的建立過程48
3.4.1建立PUMA560機器人各連桿坐標系和參考坐標系48
3.4.2填寫連桿參數表48
3.4.3寫出相鄰連桿之間的齊次變換矩陣49
3.4.4寫出運動學方程51
3.5機器人的運動學方程52
3.6機器人的逆運動學問題52
3.6.1逆運動學的概念52
3.6.2求逆解的過程53
3.6.3運動學逆解的多解問題54
3.6.4求工業機器人運動學逆解時需要關注的幾個問題54
3.7機器人運動學方程建立實例55
3.7.1RV-M1機器人運動學方程的建立55
3.7.2博實四自由度SCARA機器人運動學方程的建立58
本章小結61
思考與練習題61
參考文獻64

第4章機器人動力學65
4.1為什么要學習機器人的動力學65
4.2幾個與動力學關聯較大的概念65
4.3用拉格朗日方法建立機器人的動力學方程67
4.3.1拉格朗日動力學方程67
4.3.2用拉格朗日方程解決問題的一般步驟68
4.3.3用拉格朗日方程解決問題的優點68
4.3.4單自由度——小車彈簧系統68
4.3.5二自由度系統——小車彈簧擺系統69
4.3.6集中質量雙連桿系統71
4.3.7二自由度機器人手臂（分布質量）72
4.4多自由度機器人的動力學方程的建立75
4.4.1多自由度機器人的動力學方程的建立思路75
4.4.2PUMA560機器人的動力學方程75
4.5關節空間和操作空間的動力學方程76
4.5.1關節空間動力學方程76
4.5.2操作空間動力學方程76
4.5.3操作力矩方程76
4.5.4雅可比矩陣76
4.5.5末端操作力與關節驅動力矩之間的關系78
本章小結80
思考與練習題80
參考文獻81

第5章軌跡規劃82
5.1軌跡規劃概述82
5.2軌跡規劃的基本原理83
5.2.1關節空間軌跡規劃原理83
5.2.2直角坐標空間軌跡規劃原理84
5.3關節空間軌跡規劃84
5.3.1三次多項式軌跡規劃84
5.3.2五次多項式軌跡規劃86
5.4直角坐標空間的軌跡規劃87
5.5連續軌跡記錄90
本章小結90
思考與練習題90
參考文獻90


第2篇工業機器人系統篇
第6章工業機器人的機械系統91
6.1工業機器人的組成91
6.1.1工業機器人的概念與總體組成91
6.1.2機械結構93
6.1.3各種驅動裝置95
6.1.4各種傳感器96
6.1.5各種控制器97
6.2工業機器人的工作原理98
6.2.1任務分析98
6.2.2軌跡規劃99
6.2.3編程與調試99
6.2.4機器人運行99
6.3工業機器人的機械結構100
6.3.1機器人配置形式100
6.3.2總體結構與運動101
6.3.3坐標結構形式102
6.3.4基座和腰部103
6.3.5上下臂與連桿裝配105
6.3.6機器人的手腕105
6.3.7手爪結構106
6.3.8關節的結構形式108
6.3.9機器人中常用的機械傳動裝置109
6.4機器人結構的圖形符號表示111
6.4.1常用符號表示111
6.4.2機器人圖形符號表示舉例112
6.5工業機器人的主要技術參數112
6.6幾種典型的工業機器人的機械結構115
6.6.1RV-M1機器人的機械結構115
6.6.2博實四自由度SCARA機器人機械結構117
6.6.3匯博多控模塊化機器人的機械結構120
本章小結124
思考與練習題124
參考文獻124

第7章工業機器人的控制系統125
7.1機器人控制系統的功能125
7.2機器人控制系統的類型126
7.2.1按控制器不同分類126
7.2.2按驅動裝置不同分類128
7.3機器人控制系統的結構130
7.3.1分級分布式控制130
7.3.2獨立關節控制132
7.3.3關節控制132
7.4機器人控制系統的分析方法134
7.5基于傳遞函數的單關節位置控制伺服系統分析134
7.5.1機器人關節控制系統的數學模型（傳遞函數法）134
7.5.2單關節位置控制系統分析137
7.6機器人控制系統的實例137
7.6.1RV-M1機器人的控制系統137
7.6.2博實四自由度SCARA機器人控制系統140
7.6.3匯博多控模塊化機器人的控制系統143
本章小結146
思考與練習題146
參考文獻147

第8章機器人視覺伺服系統148
8.1機器人視覺伺服系統的概述148
8.1.1機器人視覺伺服系統的組成148
8.1.2機器人視覺伺服系統的工作過程149
8.1.3機器人視覺伺服系統的類型152
8.1.4機器人視覺伺服系統的關鍵問題154
8.2機器人視覺系統154
8.2.1視覺系統的圖像采集處理過程154
8.2.2視覺系統的組成155
8.2.3兩種數字攝像機的工作原理161
8.3機器人視覺圖像處理167
8.3.1視覺圖像處理的對象167
8.3.2視覺圖像處理的目的167
8.3.3視覺圖像處理的基本理論167
8.3.4視覺圖像處理的方法168
8.3.5視覺圖像處理的基本方法和MATLAB程序169
8.4機器人視覺圖像分析與識別180
8.4.1圖像識別的概念與常用方法180
8.4.2特征識別181
8.4.3生物識別技術181
8.5機器人視覺伺服系統中的關鍵問題183
8.5.1標定問題183
8.5.2定位問題187
8.6機器人視覺圖像處理與分析識別的常用軟件187
8.6.1視覺圖像處理與分析常用軟件簡介187
8.6.2機器人視覺主要應用場景193
8.7機器人視覺伺服系統實例199
8.7.1博實四自由度SCARA機器人視覺伺服系統組成199
8.7.2博實四自由度SCARA機器人視覺伺服控制系統控制程序的開發設計204
本章小結205
思考與練習題206
參考文獻206

第9章機器人編程207
9.1概述207
9.1.1機器人編程的意義207
9.1.2機器人編程系統應實現的功能207
9.1.3機器人編程類型207
9.2示教編程207
9.2.1示教編程的類型207
9.2.2示教編程的過程209
9.2.3示教裝置或軟件應具備的基本功能209
9.3機器人語言209
9.3.1機器人語言的類型209
9.3.2機器人語言的發展過程210
9.3.3機器人語言系統的結構和基本功能215
9.4機器人離線編程215
9.4.1什么是機器人離線編程215
9.4.2離線編程與示教編程的對比216
9.4.3機器人離線編程系統的結構216
9.4.4機器人離線編程的主要內容216
9.5RV-M1機器人的編程216
9.5.1RV-M1機器人編程系統的硬件構成216
9.5.2RV-M1機器人編程系統的軟件構成217
9.5.3在線示教編程的操作順序217
9.5.4示教盒上各個按鈕開關的介紹217
9.5.5在線編程軟件——COSIPROG219
9.5.6離線編程與仿真軟件——COSIMIR221
9.5.7三菱RV-M1機器人的指令系統223
9.5.8三菱RV-M1機器人樣例程序一224
9.5.9三菱RV-M1機器人樣例程序二225
9.6博實四自由度SCARA機器人的編程227
9.6.1博實四自由度SCARA機器人編程系統組成227
9.6.2RBT-4S01S——機器人控制系統軟件功能227
9.6.3MAC-3002SSP4系列伺服電動機控制卡調試系統227
9.6.4機器人示教再現的過程229
本章小結229
思考與練習題229
參考文獻230


第3篇工業機器人實戰與應用篇
第10章工業機器人設計實戰231
10.1工業機器人設計概述231
10.1.1什么是設計231
10.1.2工業機器人設計思想231
10.1.3機械電子系統的設計特點232
10.1.4嵌入式物聯網控制系統設計233
10.1.5工業機器人機械系統設計理念243
10.1.6工業機器人控制系統設計理念245
10.2工業機器人機械系統設計246
10.2.1工業機器人機械結構特點246
10.2.2驅動裝置246
10.2.3機械傳動裝置255
10.2.4空間坐標結構形式的選擇256
10.2.5安裝方式的選擇257
10.2.6手部設計257
10.2.7手腕設計260
10.2.8臂部設計261
10.2.9機身設計263
10.2.10工業機器人的機座結構265
10.2.11平衡系統設計267
10.2.12緩沖與定位機構267
10.2.13材料的選擇268
10.3工業機器人控制系統設計268
10.3.1工業機器人的運動控制過程268
10.3.2工業機器人的運動控制系統的總體架構269
10.3.3工業機器人控制系統結構方式270
10.3.4工業機器人控制系統的硬件設計272
10.3.5工業機器人控制系統的軟件設計277
10.3.6智能機器人控制系統278
10.4工業機器人設計實例278
10.4.1RV-M1機器人的機械系統278
10.4.2RV-M1機器人的控制系統279
10.4.3匯博多控模塊化機器人的機械結構設計282
10.4.4匯博多控模塊化機器人的控制系統282
本章小結284
思考與練習題285
參考文獻285

第11章工業機器人在智能制造中的應用286
11.1智能制造系統286
11.1.1制造技術的定義286
11.1.2工業革命的發展286
11.1.3智能制造287
11.2信息物理系統292
11.3機器人在智能制造中的應用297
本章小結301
思考與練習題301
參考文獻301