工业机器人设计及控制

本书围绕工业机器人设计及控制，从产品开发角度出发，对工业机器人理论、设计与控制等进行系统阐述与实例分析，主要对工业机器人结构优化与控制的理论、实现方法及存在的问题进行剖析。 全书以理论与应用相结合，并对工业机器人的实例进行剖析。书中采用工程图形与文字融合的表达方式对机器人及其结构进行简明扼要地表达与阐述，力求使读者深入理解《工业机器人设计及控制》理论性、实用性和综合性的特点。该著作的知识点及实例致力于为工业机器人设计与控制提供帮助。

这是一部理论与工程实际密切联系，并结合设计实例系统阐述工业机器人设计及控制的著作。针对当前机器人设计及控制等理论知识相对独立的问题，对机器人设计要求与基本参数、工业机器人系统与配置、工业机器人结构及特性分析、工业机器人优化设计以及工业机器人控制等问题进行了较为深入的探索，以解决工业机器人设计及控制中联系不紧密的缺憾。通过对机器人本体结构设计、各模块及整体建模、各模块及整体控制方法设计等的分析与探讨，实现理论与实践、软件与硬件的融合。
笔者本着“理论-设计-控制”融合的理念完成了此书，重点是在工业机器人结构、优化与控制之间建立联系，书中较全面系统地阐述了工业机器人设计及控制等的概念、理论、实现方法、存在的问题及发展趋势，并通过多个实例突出应用性。
本书从设计角度提出机器人的设计要求，如机器人运动规划、定位、受力与驱动以及导航等；对机器人基本结构、特征、性能及应用状况等基本参数进行分析。从系统论的角度阐述如何对工业机器人系统进行配置，针对机器人配置方案、操作机驱动与配置以及操作机成套装置等进行研究分析。针对机器人结构类型及机器人模型影响因素等，分析工业机器人的应用特点；通过对机器人运动学和动力学分析，明确工业机器人的相关特性及设计的方法和理论；通过实例介绍拉格朗日-欧拉法、牛顿-欧拉法等在工业机器人设计中的具体应用；通过机构优化和架构优化等，分析机器人机构与架构对工业机器人优化设计的影响因素；通过杆件静态性能、机械臂运动性能和误差等分析，明确机器人优化设计的主要问题并进行工业机器人优化设计。针对机器人关节空间控制、位置控制以及力控制等进行工业机器人控制的分析与探讨，主要对作业过程中机器人的多功能特性、多自由度结构的复杂性进行分析，以控制工业机器人配合完成作业任务。
本书是笔者在从事产品开发设计和学校教研的基础上，结合多年的研究成果编写而成的。书中理论和结论一方面来自笔者在工作及研究中的看法与观点，另一方面来自国内外的相关文献资料。为了突出对工业机器人设计及控制的阐述及对其中结构特殊性的重点描述，书中的图样去掉了一些复杂的结构、要素、交叉重叠关系和图样解释等，在表达时仅给出了简洁示意和概略性的介绍，某些具体的零部件结构未能详细叙述。
由于图样和设计实例的软件、版本不同，图样和设计实例的源头多，个别图样图幅太大且复杂等原因，可能会使列举实例的某些图存在内容、格式表达不妥之处。由于笔者水平以及组织编写时间限制等，书中难免有疏漏之处，恳请并欢迎读者及各界人士予以指正，共同商讨，以推动工业机器人设计及控制研究的发展。
全书由马正先教授审稿，还得益于诸多同事与学生的帮助，在此，我们表示衷心感谢。

著者

本书从工业机器人产品开发的角度出发,对工业机器人理论、设计与控制等进行系统阐述与实例分析,主要对工业机器人结构优化与控制的理论、实现方法及存在的问题进行剖析。主要内容包括：机器人设计要求与基本参数,工业机器人系统与配置,工业机器人结构及特性分析,工业机器人优化设计,工业机器人控制等。全书理论与应用相结合,通过典型实例具体剖析,并采用工程图与文字融合的方法简明扼要地表达与阐述机器人及其结构,突出全书的理论性、实用性与综合性的特点。
本书可作为机械类高年级本科生、工科研究生、科研工作者和工程技术人员的参考书。

第1 章概述/ 1
1.1工业机器人简介/ 1
1.1.1制造类机器人/ 1
1.1.2行走机器人/ 2
1.1.3移动型机器人/ 2
1.1.4自制机器人/ 4
1.1.5人工智能机器人/ 4
1.1.6其他/ 5
1.2工业机器人与机械智能/ 8
1.2.1机器人中的机械智能/ 8
1.2.2机械智能中的关键问题/ 11
1.3本书的主要内容与特点/ 15
1.3.1主要内容/ 15
1.3.2主要特点/ 17
参考文献/ 18

第2 章机器人设计要求与基本参数/ 22
2.1机器人设计要求/ 22
2.1.1机器人运动规划/ 22
2.1.2机器人定位/ 44
2.1.3机器人导航/ 48
2.1.4机器人受力与驱动/ 51
2.2工业机器人基本参数/ 57
2.2.1机器人负载/ 57
2.2.2最大运动范围/ 58
2.2.3自由度/ 59
2.2.4精度/ 59
2.2.5速度/ 61
2.2.6机器人重量/ 61
2.2.7制动和惯性力矩/ 61
2.2.8防护等级/ 62
2.2.9机器人材料/ 62
参考文献/ 62

第3 章工业机器人系统与配置/ 66
3.1机器人系统组成/ 66
3.1.1被控部件/ 66
3.1.2驱动及检测/ 69
3.1.3控制平台/ 70
3.1.4主要模块/ 72
3.2机器人配置方案及成套装置/ 78
3.2.1机器人配置方案/ 78
3.2.2机器人操作机驱动及配置/ 86
3.2.3机器人操作机成套装置/ 95
3.3机器人系统的结构与配置实例/ 100
3.3.1机器人系统方案设计/ 101
3.3.2关节驱动方式/ 101
3.3.3机械臂功能置换措施/ 102
3.3.4机器人关节与配置/ 102
参考文献/ 109

第4 章工业机器人结构及特性分析/ 112
4.1机器人结构类型/ 112
4.1.1直角坐标机器人结构/ 112
4.1.2圆柱坐标机器人结构/ 113
4.1.3球坐标机器人结构/ 113
4.1.4关节型机器人结构/ 114
4.1.5其他结构/ 115
4.2机器人模型影响因素/ 116
4.2.1机器人形态与模块结构/ 116
4.2.2机器人全局与局部关系/ 117
4.2.3机器人建模工具/ 118
4.3机器人特性分析/ 118
4.3.1机器人运动学/ 118
4.3.2机器人动力学/ 151
4.4实例/ 165
4.4.1拉格朗日-欧拉法在两自由度机械臂的应用/ 165
4.4.2拉格朗日法在搬运机器人的应用/ 168
4.4.3拉格朗日-欧拉法在双臂机器人的应用/ 172
4.4.4拉格朗日法在柔性机械臂的应用/ 175
4.4.5牛顿-欧拉法在两自由度机械臂的应用/ 177
参考文献/ 182

第5 章工业机器人优化设计/ 185
5.1机构与架构的优化设计/ 185
5.1.1机构优化/ 185
5.1.2架构优化/ 203
5.2机器人杆件的优化设计/ 203
5.2.1杆件静态性能/ 204
5.2.2机械臂运动性能/ 213
5.2.3杆件力学性能/ 227
5.2.4机械臂性能测试/ 233
5.3机器人本体的优化设计/ 235
5.3.1机器人本体方案/ 235
5.3.2机器人关节对性能的影响/ 244
5.3.3本体结构及优化/ 251
参考文献/ 254

第6 章工业机器人控制/ 257
6.1机器人关节空间控制/ 257
6.1.1关节控制原理/ 257
6.1.2关节控制传递函数/ 260
6.1.3关节控制方法/ 263
6.1.4关节控制系统硬件结构/ 269
6.2机器人位置控制/ 270
6.2.1笛卡儿位置控制/ 271
6.2.2控制程序框图/ 272
6.3机器人力控制/ 274
6.3.1机器人力控制方法/ 274
6.3.2力控制关键问题/ 275
6.3.3主要部件控制/ 279
6.3.4关节控制软件系统/ 291
6.4实例/ 293
6.4.1双臂机器人控制/ 293
6.4.2多关节机器人模糊控制/ 296
6.4.3多关节机器人滑模控制/ 299
参考文献/ 301

结束语/ 304