工业机器人技术与应用

作为国民经济的命脉，工业的发展能够推动社会进步与人类生活水平提高。随着材料技术、新能源技术及信息技术等的发展，自动化与智能化已经成为未来工业领域发展的主要趋势。
在工业制造领域的多种场景中，智能机器人不仅能够替代人类完成一些重复性的工作，而且操作效率更高，完成质量更稳定，工作安全性也能够得到极大保证，因此，智能机器人的应用场景正不断增多，已经逐渐成为数智化时代工业生产中不可或缺的组成部分。而且，随着新一代信息技术与机器人技术融合的加深，未来智能机器人的自主性和适应性必将得到极大提升，应用边界也会随之拓展，直至渗透到经济社会的方方面面。
目前，全球机器人产业正在蓬勃发展。根据国际机器人联合会（IFR）提供的数据，2024年，全球机器人市场总体规模有望突破650亿美元，其中工业机器人市场规模有望达到230亿美元。伴随市场规模的不断增长，技术层面的变革和应用领域的深化也驱动全球机器人产业进入新的发展阶段。而我国是工业大国，也已经成为全球机器人产业发展的中坚力量，随着“工业4.0”和“中国制造2025”的推动，工业机器人已经成为制造业智能化转型升级的核心环节。近几年，我国政府和相关部门制定和出台了一系列政策，以推动工业机器人相关产业的发展。比如，2023年1月，工业和信息化部等17部门联合印发《“机器人+”应用行动实施方案》，计划到2025年，制造业机器人密度较2020年实现翻番，并聚焦10大应用重点领域，突破100种以上机器人创新应用技术及解决方案，推广200个以上具有较高技术水平、创新应用模式和显著应用成效的机器人典型应用场景。
近些年，我国机器人产业发展迅猛，相关技术、应用产业及产业规模均接连实现突破，贯穿研发生产到工业应用的机器人产业链已逐步形成。作为“制造业皇冠顶端的明珠”，机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。目前，工业机器人技术与应用水平的进步，不仅有助于推动工业制造领域的智能化转型升级，更能为我国经济社会的发展注入强劲动力。随着智能工程技术、专家系统技术、模糊控制技术等新兴技术的进步，工业机器人的网络化、模块化、标准化、通用化、智能化程度也将不断增强，并被赋予更理想的自我完善和修复能力。
近年来，我国机器人产业呈现良好发展势头。在技术、政策、市场等多重因素的驱动下，工业机器人的应用领域也不断拓展，3C电子、汽车、化工等均已经成为工业机器人需求极为旺盛的行业。根据国际机器人联合会（IFR）提供的数据，2024年，中国工业机器人的市场规模有望超过110亿美元。
我国制造业智能化、自动化升级的需求正日益迫切，工业制造领域的“机器换人”与“人机协作”也已经成为不可逆转的趋势。近几年，我国机器人产业的技术水平持续提升，运动控制、高性能伺服驱动、高精密减速器等关键技术和部件加快突破，整机功能和性能显著增强。目前，机器人产业正迎来升级换代、跨越发展的窗口期。作为新兴技术的重要载体，机器人产业的发展不仅能够推动我国制造业的数字化发展和智能化升级，还有助于应对人口老龄化等问题，从而进一步助力我国经济社会的可持续发展。因此，我国机器人产业必须主动迎接挑战，努力解决产业基础薄弱、核心技术受制于人等关键问题，从而抓住换代跨越的战略机遇。
本书立足于工业机器人的前沿理论和实际应用，全面阐述工业机器人的基本结构、技术原理与操作实践，主要内容涵盖工业机器人机械系统、运动轨迹规划、感知系统、控制系统、编程操作、虚拟仿真、焊接机器人、AGV搬运机器人、装配机器人等模块，力求理论知识与工程实践相结合，以工程图形、列表与文字融合的写作形式对工业机器人进行全方位的剖析，试图让读者深入了解工业机器人设计与操作的具体方法，以满足机械类应用型高级人才的培养目标。
因此，作为一本凝聚了对工业机器人技术与产业的长期思考、敏锐洞察以及学术成果的著作，本书可供从事工业机器人相关工作的工程技术人员阅读学习，也可用作高等院校机械工程、自动化、机器人、智能制造等相关专业本科和高职学生的教材，工业机器人爱好者也可以阅读学习。

著者

《工业机器人技术与应用》全面且详细地介绍了工业机器人的各项关键技术，包括工业机器人的基础性知识：机械系统、运动轨迹规划、感知系统、控制系统等，在讲解感知系统时，充分解读了传感器的相关知识；也讲解了编程操作、虚拟仿真等进阶性技术；同时，本书最后三章通过讲解焊接机器人、AGV搬运机器人、装配机器人，让读者对各种不同类型的工业机器人有全面的认识和理解。
全书内容充实，图文并茂，适合对工业机器人感兴趣的初学者阅读学习，同时也可以作为高等院校机器人、智能制造相关专业的教材使用。

第1章 工业机器人概述 001
1.1 工业机器人的基础知识 002
1.1.1 工业机器人的发展背景 002
1.1.2 工业机器人的概念特征 002
1.1.3 工业机器人的系统构成 004
1.1.4 工业机器人的关键技术 006
1.1.5 工业机器人的应用领域 007
1.2 工业机器人的类型划分 009
1.2.1 根据拓扑结构分类 009
1.2.2 根据坐标系分类 012
1.2.3 根据控制方式分类 016
1.3 工业机器人的技术参数 017
1.3.1 自由度 017
1.3.2 精度 019
1.3.3 工作空间 020
1.3.4 最大速度 020
1.3.5 承载能力 021

第2章 工业机器人机械系统 022
2.1 工业机器人的机械结构 023
2.1.1 机身部件 023
2.1.2 手臂部件 027
2.1.3 手腕部件 030
2.1.4 手部部件 032
2.2 工业机器人的驱动机构 036
2.2.1 液压驱动系统 036
2.2.2 气动驱动系统 038
2.2.3 电动驱动系统 042
2.2.4 驱动系统的选用原则 044
2.3 工业机器人的传动机构 045
2.3.1 直线传动机构 045
2.3.2 旋转传动机构 047

第3章 工业机器人运动轨迹规划 050
3.1 工业机器人的路径规划 051
3.1.1 模板匹配路径规划技术 051
3.1.2 人工势场路径规划技术 052
3.1.3 地图构建路径规划技术 052
3.1.4 人工智能路径规划技术 054
3.2 工业机器人的轨迹规划 055
3.2.1 轨迹规划概述及其分类 055
3.2.2 笛卡儿空间轨迹规划 056
3.2.3 关节空间轨迹规划 058
3.2.4 最优轨迹规划算法 061
 
第4章 工业机器人感知系统 064
4.1 工业机器人感知系统概述 065
4.1.1 感知系统的构成与原理 065
4.1.2 机器人传感器的分类 066
4.1.3 感知系统的性能指标 069
4.2 工业机器人内部传感器 071
4.2.1 位置传感器 071
4.2.2 速度传感器 074
4.2.3 加速度传感器 075
4.2.4 扭矩传感器 076
4.3 工业机器人外部传感器 078
4.3.1 接近觉传感器 079
4.3.2 触觉传感器 081
4.3.3 力觉传感器 083
4.3.4 视觉传感器 084
4.4 多传感器信息融合技术应用 086
4.4.1 多传感器信息融合的基本原理 086
4.4.2 多传感器信息融合的系统构建 087
4.4.3 多传感器信息融合的技术路径 089
4.4.4 多传感器信息融合的关键问题 090

第5章 工业机器人控制系统 092
5.1 工业机器人控制系统概述 093
5.1.1 工业机器人控制系统的特点 093
5.1.2 工业机器人控制系统的功能 093
5.1.3 工业机器人控制系统的组成 094
5.1.4 工业机器人控制系统的分类 096
5.2 工业机器人的控制方式 099
5.2.1 点位控制 099
5.2.2 连续轨迹控制 100
5.2.3 力矩控制 100
5.2.4 智能控制 101
5.3 基于PLC控制的工业机器人系统 103
5.3.1 PLC控制技术的原理与特性 103
5.3.2 工业机器人PLC控制系统的实现 104
5.3.3 工业机器人PLC控制系统的设计 106
5.3.4 PLC控制技术在工业机器人中的应用 107

第6章 工业机器人编程操作 110
6.1 工业机器人的编程语言 111
6.1.1 机器人编程语言的发展 111
6.1.2 动作级编程语言 112
6.1.3 对象级编程语言 113
6.1.4 任务级编程语言 113
6.2 工业机器人的编程技术 114
6.2.1 示教编程技术 114
6.2.2 离线编程技术 116
6.2.3 自主编程技术 118
6.2.4 基于增强现实的编程技术 119

第7章 工业机器人虚拟仿真 120
7.1 工业机器人虚拟仿真技术的应用 121
7.1.1 虚拟仿真技术赋能智能制造 121
7.1.2 全球主流的虚拟仿真软件平台 121
7.1.3 ABB RobotStudio虚拟仿真应用 125
7.1.4 Tecnomatix虚拟仿真应用 128
7.2 基于RobotStudio的机器人码垛系统设计 130
7.2.1 机器人码垛系统总体方案设计 130
7.2.2 机器人码垛运动仿真与优化设计 133
7.2.3 机器人码垛工作站虚拟仿真设计 134
7.3 基于RoboGuide平台下仿真环境设计 135
7.3.1 RoboGuide功能模块与仿真步骤 135
7.3.2 基于RoboGuide的建模设计 137
7.3.3 基于RoboGuide的虚拟工厂环境设计 139

第8章 焊接机器人技术与应用 141
8.1 焊接机器人的基础知识 142
8.1.1 焊接机器人的发展历程 142
8.1.2 工业焊接的原理与方法 143
8.1.3 焊接机器人的类型划分 144
8.1.4 焊接机器人的发展趋势 147
8.2 焊接机器人的关键技术 148
8.2.1 焊缝识别跟踪技术 148
8.2.2 离线编程与路径规划技术 149
8.2.3 多机器人协调控制技术 151
8.2.4 专用弧焊电源技术 151
8.2.5 虚拟仿真技术 152
8.2.6 遥控焊接技术 153
8.3 焊接机器人的应用领域 154
8.3.1 汽车制造领域 154
8.3.2 工程机械领域 155
8.3.3 船舶建造领域 157
8.3.4 钢结构建筑领域 159

第9章 AGV搬运机器人技术与应用 161
9.1 AGV搬运机器人的基础知识 162
9.1.1 AGV搬运机器人的系统构成 162
9.1.2 AGV搬运机器人的关键技术 164
9.1.3 AGV搬运机器人的应用场景 166
9.1.4 基于AGV的智能物流仓储系统 167
9.2 AGV导引技术及工作原理 169
9.2.1 磁钉导引技术 169
9.2.2 磁条导航技术 170
9.2.3 激光导航技术 170
9.2.4 电磁导航技术 172
9.2.5 视觉导航技术 172
9.2.6 激光SLAM导航技术 173
9.3 基于AGV/AMR的大规模定制 175
9.3.1 AGV/AMR的典型机构形式 175
9.3.2 AGV/AMR的软件关键技术 177
9.3.3 基于AGV/AMR的大规模定制应用 179

第10章 装配机器人技术与应用 182
10.1 装配机器人的基础知识 183
10.1.1 装配机器人定义与分类 183
10.1.2 装配机器人的基本组成 184
10.1.3 装配机器人的关键技术 186
10.1.4 我国装配机器人的发展趋势 188
10.2 基于机器人的自动化装配应用 188
10.2.1 机器人自动化装配的价值 188
10.2.2 机器人自动化装配的关键技术 190
10.2.3 机器人自动化装配的应用策略 192
10.3 装配机器人在航空领域的应用 193
10.3.1 装配状态感知 193
10.3.2 装配智能控制 194
10.3.3 人机协同装配 194
10.3.4 典型应用场景 195

参考文献 197