工业机器人系统设计(2册)

本书从工程设计角度出发, 详细梳理和论述了操作与移动两大主题概念下的现代工业机器人系统总论, 工业机器人操作臂系统设计基础、工业机器人操作臂机械系统机构设计与结构设计、工业机器人操作臂系统设计的数学与力学原理、工业机器人操作臂机械本体参数识别原理与实验设计、工业机器人操作臂驱动与控制系统设计及控制方法、工业机器人用移动平台设计、工业机器人末端操作器与及其换接装置设计、工业机器人系统设计的仿真方法、面向操作与移动作业的工业机器人系统设计与应用实例、现代工业机器人系统设计总论与展望等内容。
本书适合于机器人相关研究方向的本科高年级生、硕士研究生、博士研究生以及从事机器人创新设计与研发的研究人员、高级工程技术人员阅读。

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第1章 操作与移动两大主题概念下的现代工业机器人系统总论 /1

1.1 机器人概念与工业机器人发展简史 /1

1.2 什么是工业机器人？ /4

1.3 机器人操作臂简史及其分类与应用 /9

1.3.1 工业机器人操作臂是机器人概念的最早技术实现和产业应用 /9

1.3.2 传统工业机器人操作臂和冗余、超冗余自由度机器人操作臂 /10

1.3.3 机器人操作臂的分类、用途及特点 /23

1.3.4 机器人操作臂固定安装需考虑的问题及安装使用的三种形式 /30

1.4 地面移动机器人平台的发展与现状 /33

1.4.1 有关动物、物体的“移动”概念与移动方式 /33

1.4.2 工业机器人移动平台的主要移动方式和移动机器人 /35

1.4.3 移动机器人总论 /131

1.5 末端操作器相关 /137

1.6 移动平台搭载操作臂的工业机器人发展 /139

1.6.1 腿式移动机器人与操作臂一体的机器人 /140

1.6.2 轮式移动机器人与操作臂一体的机器人 /142

1.6.3 履带式移动机器人与操作臂一体的机器人 /145

1.6.4 移动平台搭载操作臂的工业机器人应用与技术发展总结 /146

1.7 关于工业机器人技术与应用方面人才与工业基础 /148

1.7.1 从事工业机器人系统设计所需的知识结构 /148

1.7.2 从事工业机器人系统设计与研发应具备的专业素质 /148

1.7.3 工业机器人产业化与创新研发所需的工业基础 /152

1.8 工业机器人种类与应用领域概览 /156

1.9 本书内容构成设计思路、结构以及相关说明 /160

参考文献 /161




第2章 工业机器人操作臂系统设计基础 /170

2.1 工业机器人操作臂的组成与用途 /170

2.1.1 工业机器人操作臂的用途与作业形式 /170

2.1.2 工业机器人操作臂系统组成 /174

2.2 工业机器人操作臂机构形式 /176

2.2.1 工业机器人操作臂机构构型与分类 /176

2.2.2 工业机器人操作臂中常用的机构构型 /179

2.2.3 仿人手臂机构构型 /180

2.2.4 冗余、超冗余自由度机器人操作臂机构构型 /184

2.3 工业机器人操作臂的设计要求与特点 /189

2.3.1 工业机器人操作臂的基本参数和特性 /189

2.3.2 工业机器人操作臂产品基本规格参数及性能指标实例 /193

2.3.3 工业机器人操作臂的设计过程及内容 /195

2.3.4 工业机器人操作臂机械系统设计中需要考虑和解决的问题 /197

2.4 工业机器人操作臂的机械传动系统设计基础 /199

2.4.1 工业机器人操作臂常用的机械传动形式 /199

2.4.2 齿轮传动在机器人关节机械传动系统中的应用及问题解决方法 /201

2.4.3 精密滚珠丝杠传动在机器人中的应用及问题解决方法 /203

2.4.4 用于工业机器人操作臂的关节支撑形式与薄壁滚动轴承 /208

2.4.5 机器人用谐波齿轮传动及其创新设计 /212

2.4.6 工业机器人用RV 摆线针轮传动及其减速器结构与应用 /237

2.4.7 同步齿形带传动 /246

2.4.8 精密机械传动装置（减速器）在机器人中的应用实例 /266

2.5 伺服驱动系统设计基础 /270

2.5.1 电动驱动 /270

2.5.2 液压伺服驱动系统基本原理与选型设计 /288

2.5.3 气动伺服驱动系统基本原理与选型设计 /297

2.6 控制系统设计基础 /308

2.6.1 控制系统基本原理与组成 /308

2.6.2 控制系统的硬件系统 /318

2.6.3 控制系统的软件系统 /342

2.7 传感技术基础与常用传感器 /350

2.7.1 工业机器人传感系统概述 /350

2.7.2 位置/速度传感器及其应用基础 /365

2.7.3 力/力矩传感器及其应用基础 /369

2.7.4 视觉传感器及其应用基础 /379

2.7.5 激光传感器及其应用基础 /385

2.7.6 姿态传感器及其应用基础 /397

2.8 本章小结 /406

参考文献 /406




第3章 工业机器人操作臂机械系统机构设计与结构设计 /408

3.1 典型工业机器人操作臂机构构型及关节驱动形式 /408

3.1.1 工业机器人操作臂关节驱动形式 /408

3.1.2 工业机器人操作臂的腕关节驱动形式 /422

3.2 工业机器人操作臂的机械结构设计 /425

3.2.1 MOTOMAN K 系列机器人操作臂机械结构设计 /425

3.2.2 PUMA 系列机器人操作臂机械结构设计 /430

3.2.3 SCARA 类型机器人操作臂机械结构设计 /434

3.3 多自由度无奇异全方位关节机构创新设计与新型机器人操作臂设计 /441

3.3.1 单万向铰链机构原理 /441

3.3.2 双万向铰链机构等速传动原理 /443

3.3.3 机构拓扑变换演化 /444

3.3.4 万向铰链机构的拓扑变换演化及其组合机构 /450

3.3.5 新型4 自由度无奇异并/串联式全方位关节机构的机械设计及研制的原型样机与实验 /460

3.3.6 全方位关节机构设计与研究的总结 /487

3.4 工业机器人操作臂的机构设计与机械结构设计中需要考虑和注意的问题 /488

3.4.1 工业机器人操作臂机构构型设计问题 /488

3.4.2 工业机器人操作臂机械结构设计问题 /490

3.5 工业机器人操作臂的机构参数优化设计 /492

3.5.1 工业机器人操作臂的机构参数优化设计问题 /492

3.5.2 机构参数与工作空间 /495

3.5.3 机器人机构操作性能准则与灵活性测度 /496

3.5.4 6自由度以内工业机器人操作臂的机构参数优化设计 /503

3.5.5 冗余自由度机器人操作臂机构参数的优化设计 /504

3.6 本章小结 /506

参考文献 /507




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第4章 工业机器人操作臂系统设计的数学与力学原理 /508

4.1 工业机器人操作臂及其运动的数学与力学的抽象描述 /508

4.1.1 工业机器人操作臂与作业对象构成的首尾相接的“闭链”系统 /509

4.1.2 工业机器人操作臂作业“闭链” 系统的数学与力学描述问题 /511

4.2 工业机器人操作臂机构运动学 /511

4.2.1 机构运动学 /511

4.2.2 机构正运动学和逆运动学 /513

4.3 工业机器人操作臂机构运动学问题描述的数学基础 /514

4.3.1 作为工业机器人操作臂构形比较基准的初始构形 /514

4.3.2 末端操作器姿态的表示 /514

4.3.3 坐标系的表示与坐标变换 /516

4.3.4 正运动学 /521

4.3.5 逆运动学 /528

4.3.6 RPP 无偏置型3 自由度机器人操作臂臂部机构运动学分析的解析几何法 /530

4.3.7 RPP 有偏置型3 自由度机器人操作臂臂部机构（即PUMA 臂部机构） 运动学分析的解析几何法 /534

4.3.8 机器人操作臂的雅克比矩阵 /540

4.4 工业机器人操作臂机构动力学问题描述的力学基础 /549

4.4.1 工业机器人操作臂运动参数与机械本体物理参数 /549

4.4.2 什么是动力学？ /549

4.4.3 推导工业机器人操作臂微分运动方程的拉格朗日法 /550

4.4.4 推导工业机器人操作臂微分运动方程的牛顿-欧拉法 /555

4.5 工业机器人操作臂机构误差分析与精度设计的数学基础 /556

4.5.1 机构误差分析的数学基础 /556

4.5.2 机器人机构精度设计及测量 /564

4.6 工业机器人操作臂控制系统设计的现代数学基础 /565

4.6.1 现代控制理论基础 /565

4.6.2 模糊理论与软计算 /574

4.6.3 神经网络基础与强化学习 /590

4.7 本章小结 /602

参考文献 /602




第5章 工业机器人操作臂机械本体参数识别原理与实验设计 /604

5.1 平面内运动的2-DOF 机器人操作臂的运动方程及其应用问题 /604

5.1.1 由拉格朗日法得到的2-DOF 机器人操作臂运动方程 /604

5.1.2 机器人操作臂运动方程的用途 /605

5.2 基底参数 /606

5.3 参数识别的基本原理 /607

5.3.1 逐次识别法 /607

5.3.2 同时识别法 /610

5.3.3 逐次识别法与同时识别法的优缺点讨论 /612

5.4 参数识别实验前需考虑的实际问题 /613

5.5 本章小结 /613




第6章 工业机器人操作臂伺服驱动与控制系统设计及控制方法 /615

6.1 工业机器人操作臂驱动与控制硬件系统构建 /615

6.1.1 机器人系统体系结构设计需要考虑的问题 /615

6.1.2 集中控制 /616

6.1.3 分布式控制 /620

6.2 位置/轨迹追踪控制 /626

6.2.1 机器人操作臂位置轨迹追踪控制总论 /626

6.2.2 PD 反馈控制（即轨迹追踪的静态控制） /627

6.2.3 动态控制 /628

6.2.4 前馈动态控制 /630

6.2.5 前馈+ PD 反馈动态控制 /631

6.2.6 计算力矩控制法 /633

6.2.7 加速度分解控制 /633

6.3 鲁棒控制 /634

6.4 自适应控制 /636

6.5 力控制 /637

6.5.1 机器人操作臂与环境构成的系统模型 /637

6.5.2 基于位置控制的力/位控制器 /640

6.5.3 基于力控制的力/位控制器 /642

6.6 最优控制 /644

6.7 主从控制 /645

6.7.1 对称型主从控制系统与控制器 /645

6.7.2 力反射型主从控制系统与控制器 /646

6.7.3 力归还型主从控制系统与控制器 /647

6.7.4 对称型/力反射型/力归还型三种双向主从控制系统的统一表示 /647

6.8 非基于模型的智能控制方法 /649

6.9 本章小结 /652




第7章 工业机器人用移动平台设计 /653

7.1 工业机器人操作臂移动平台的形式与要求 /653

7.2 移动平台小车的机构与结构设计 /654

7.2.1 轮式移动机构与结构 /654

7.2.2 履带式移动机构与结构 /681

7.2.3 腿式移动机构与结构 /688

7.2.4 带有操作臂的轮式移动机器人系统设计实例 /695

7.2.5 搭载操作臂的履带式移动机器人系统设计实例 /715

7.2.6 轮腿式移动机器人系统设计实例 /730

7.2.7 轮式-腿式-履带式复合移动方式的轮-腿-履式移动机器人（wheelslegs-tracks hybrid locomotion robot） 系统设计实例 /738

7.3 搭载机器人操作臂的移动平台稳定性设计理论 /745

7.3.1 运动物体或系统的移动稳定性定义 /745

7.3.2 物体或系统运动稳定性的力学基础与稳定移动的控制原理 /747

7.3.3 腿足式移动机器人的移动稳定性设计 /752

7.3.4 轮式移动机构移动稳定性设计 /763

7.3.5 搭载机器人操作臂的移动平台的稳定性设计 /768

7.3.6 关于移动机器人的稳定性问题的延深讨论 /770

7.4 多移动方式机器人系统设计 /771

7.4.1 具有多移动方式的类人及类人猿型机器人系统设计、仿真与实验 /771

7.4.2 非连续介质的摆荡渡越移动机构与大阻尼欠驱动控制系统设计和移动实验 /780

7.4.3 多移动方式移动机器人设计与研究的总结 /793

7.5 本章小结 /796

参考文献 /797




第8章 工业机器人末端操作器及其换接装置设计 /804

8.1 工业机器人操作臂末端操作器的种类与作业要求 /804

8.1.1 焊接作业 /804

8.1.2 喷漆作业 /806

8.1.3 搬运作业 /806

8.1.4 装配作业 /807

8.2 工业机器人用快速换接器（快换装置） /809

8.2.1 机器人快换装置的功能和技术指标 /810

8.2.2 机器人快换装置的定位原理 /812

8.2.3 机器人快换装置的夹紧原理 /815

8.2.4 现有的机器人快换装置 /817

8.3 工业机器人操作臂末端操作器设计 /822

8.3.1 单自由度开合手爪机构原理 /823

8.3.2 多指手爪 /827

8.3.3 柔顺操作与装配作业的末端操作器 /828

8.4 仿人多指灵巧手的设计 /838

8.4.1 仿人多指灵巧手的研究现状及抓持能力 /838

8.4.2 面向灵长类机器人的1∶1比例多指灵巧手设计 /842

8.5 本章小结 /848

参考文献 /848




第9章 工业机器人系统设计的仿真设计与方法 /850

9.1 工业机器人操作臂虚拟样机设计与仿真的目的与意义 /850

9.1.1 虚拟样机设计与运动仿真 /850

9.1.2 机器人虚拟样机运动仿真的目的与实际意义 /851

9.2 虚拟样机设计与仿真分析工具软件概论 /852

9.2.1 现代机械系统设计及其仿真系统设计概论 /852

9.2.2 软件中虚拟“物理” 环境与虚拟样机机构模型的建立 /860

9.3 虚拟样机设计与仿真——用于机器人虚拟样机技术的设计与分析型工具软件及模型导入方法 /866

9.3.1 虚拟样机设计 /866

9.3.2 虚拟传感器设计 /877

9.3.3 虚拟样机系统运动控制仿真——应用现代CAD 系统工具软件进行机构运动控制的仿真模型建立 /878

9.4 虚拟样机仿真实例——工业机器人操作臂虚拟样机运动样本数据生成与运动仿真 /880

9.4.1 机器人操作臂的机构运动仿真与分析步骤 /880

9.4.2 编写用于机器人操作臂机构仿真所需导入数据的机构运动学计算程序 /881

9.4.3 运动学计算程序计算结果数据文件存储 /883

9.5 虚拟样机仿真实例——用ADAMS 软件进行机器人操作臂虚拟样机设计与运动仿真的实例 /883

9.5.1 机械系统的建模 /884

9.5.2 机械系统的运动学、动力学仿真 /889

9.5.3 关于机械系统的运动学、动力学仿真结果的分析和结论 /896

9.6 本章小结 /897

参考文献 /898




第10章 面向操作与移动作业的工业机器人系统设计与应用实例 /899

10.1 AGV 台车 /899

10.1.1 AGV 的种类 /899

10.1.2 AGV 的典型导引方式 /900

10.1.3 AGV 的移动方式与装卸载方式 /901

10.1.4 AGV 自动搬运系统的组成 /902

10.1.5 AGV 的应用 /903

10.2 KUKA youBot /904

10.3 操作人员导引的操作臂柔顺控制原理与控制系统设计 /904

10.3.1 由作业人员导引操纵的机器人操作臂Cobot 7A-15 /904

10.3.2 操作人员导引机器人进行零件打磨力/位混合柔顺控制的系统设计与问题剖析 /906

10.4 工业机器人操作臂圆-长方孔形零件装配系统设计及其力/位混合控制 /913

10.4.1 关于应用于生产过程中的实际机器人装配系统设计问题的总体认识 /913

10.4.2 圆柱形轴孔装配理论与销孔类零件装配系统设计 /915

10.4.3 方形轴孔类零件的装配理论研究 /922

10.4.4 复杂轴孔类零件装配问题 /923

10.4.5 圆柱形-长方形复合型轴孔装配理论与销孔类零件装配系统设计 /925

10.5 工业机器人操作臂模块化组合式设计方法与实例 /945

10.5.1 关于模块化组合式设计 /945

10.5.2 机器人操作臂的模块化组合式设计的意义与研究现状 /947

10.5.3 机器人操作臂的模块化组合式设计的主要内容 /950

10.5.4 机器人操作臂模块的结构设计及数据库的建立 /950

10.5.5 机器人操作臂模块的模块化组合方法 /956

10.5.6 基于模块库和最小单元库的机械臂动力学建模方法 /959

10.5.7 组合式优化设计方法 /962

10.5.8 六自由度机械臂的组合式优化设计计算与仿真 /965

10.5.9 三自由度机械臂的组合式优化设计与写字实验 /969

10.6 多台工业机器人操作臂系统在汽车冲压件生产线上的应用设计与实例 /973

10.6.1 汽车薄板冲压成形件的冲压工艺 /973

10.6.2 汽车冲压件生产线多工序坯/件运送多机器人操作臂系统方案设计实例 /974

10.7 本章小结 /977

参考文献 /978




第11章 现代工业机器人系统设计总论与展望 /980

11.1 现代工业机器人特点与分析 /980

11.2 面向操作与移动作业的智能化工业机器人设计问题与方法 /983

11.2.1 工业机器人操作性能的在线作业综合评价与管理控制机制问题 /983

11.2.2 力-力矩传感器设计与使用时面临的实际问题 /984

11.2.3 工业机器人的“通用化”“智能化” 与机器人应用系统集成方案设计工具软件研发的价值 /989

11.2.4 灵巧操作手的实用化设计观点与方法论 /991

11.2.5 约束作业空间下力/位混合控制作业的“位置” 精度与“力” 精度的矛盾对立统一问题 /992

11.3 机器人操作臂新概念与智能机械 /992

11.3.1 由模块化单元构筑可变机械系统的新概念新思想 /992

11.3.2 “智能机械” 系统的自装配、自重构、自修复概念 /994

11.3.3 自重构可变机械的单元 /997

11.3.4 集成化的自重构模块M-TRAN 及自重构机器人可变形态 /999

11.3.5 关于自装配、自重构、自修复可变机械系统问题及本节小结 /1003

11.4 自装配、自重构和自修复概念将引发未来工业机器人产业技术展望 /1004

11.5 本章小结 /1005

参考文献 /1006




附录 /1007




索引 /1022

吴伟国，哈尔滨工业大学，教授/博士生导师、机械设计系科研主任，1.教学及管理工作：1991.04-1993.10：哈工大机械设计教研室助教；1993.11-1997.12：哈工大机械系讲师；1998.01-2003.07：哈工大机电工程学院机械设计系副教授，2002年起为硕士生导师；2003.08-现在：哈工大机电工程学院机械设计系教授，2005年4月起为博士生导师；2008.01-2009.06:哈工大机械设计系副主任，主管学科建设工作；2009.01-现在：哈工大机械设计系副主任，主管研究生教学工作。获哈工大校级研究生教学成果二等奖一项(第获奖者)。
主讲本科生《机械设计》《机械系统机构设计与结构设计》、硕士生《仿生机器人及其智能运动控制》、《机器人控制实际应用》、博士生《仿生原理与仿生机械》等课程13门。
2.科研工作：1989年至今先后从事机械设计智能CAD、机械设计专家系统、工业机器人技术、机器人机构学、仿生仿人机器人及其智能运动控制、机械传动等方面研究工作。主持完成国家自然科学基金项目“具有多种移动方式类人猿机器人研究”、“十一五”国家“863”计划目标导向类项目“有表情智能的仿人全身机器人系统集成化设计与基础技术验证”、国家重点实验室自主课题、教育部博士后归国留学科研启动基金项目、哈工大跨学科交叉基金项目各一项；作为主要参加者及子课题负责人完成国家“863”计划项目“组合式多节齿轮柔性臂机构研究”、重点项目“轻型机器人样机设计与研发”、开放实验室课题6项。作为“十二五”国家“863”重点项目“xxxxx机器人共性关键技术与示范应用”子课题负责人在研项目一项；主持在研黑龙江省学位与研究生教育改革项目一项；主持完成哈工大研究生培养模式改革教学研究项目两项。曾获部级科技进步一等奖、二等奖(第二获奖者)各一项；国家“863”计划“智能机器人机构网点开放实验室”成果奖、一等奖各一项(第获奖者)。
3.《哈尔滨工业大学学报》编委，多本学术期刊审稿人，等。《哈尔滨工业大学学报》首届、第2、第3届审稿专家。
详细情况参见个人主页：http://homepage.hit.edu.cn/pages/wuweiguo/