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本書從工程設計角度出發,詳細梳理和論述了操作與移動兩大主題概念下的現代工業機器人系統總論,工業機器人操作臂系統設計基礎、工業機器人操作臂機械系統機構設計與結構設計、工業機器人操作臂系統設計的數學與力學原理、工業機器人操作臂機械本體參數識別原理與實驗設計、工業機器人操作臂驅動與控制系統設計及控制方法、工業機器人用移動平臺設計、工業機器人末端操作器與及其換接裝置設計、工業機器人系統設計的模擬方法、面向操作與移動作業的工業機器人系統設計與應用實例、現代工業機器人系統設計總論與展望等內容。
本書適合於機器人相關研究方向的本科高年級生、碩士研究生、博士研究生以及從事機器人創新設計與研發的研究人員、高級工程技術人員閱讀。
上冊
第1章作與移動兩大主題概念下的現代工業機器人系統總論/1
1.1機器人概念與工業機器人發展簡史/1
1.2什麼是工業機器人？/4
1.3機器人作臂簡史及其分類與應用/9
1.3.1工業機器人作臂是機器人概念的早技術實現和產業應用/9
1.3.2傳統工業機器人作臂和冗餘、超冗余自由度機器人作臂/10
1.3.3機器人作臂的分類、用途及特點/23
1.3.4機器人作臂固定安裝需考慮的問題及安裝使用的三種形式/30
1.4地面移動機器人平臺的發展與現狀/33
1.4.1有關動物、物體的“移動”概念與移動方式/33
1.4.2工業機器人移動平臺的主要移動方式和移動機器人/35
1.4.3移動機器人總論/131
1.5末端作器相關/137
1.6移動平臺搭載作臂的工業機器人發展/139
1.6.1腿式移動機器人與作臂一體的機器人/140
1.6.2輪式移動機器人與作臂一體的機器人/142
1.6.3履帶式移動機器人與作臂一體的機器人/145
1.6.4移動平臺搭載作臂的工業機器人應用與技術發展總結/146
1.7關於工業機器人技術與應用方面人才與工業基礎/148
1.7.1從事工業機器人系統設計所需的知識結構/148
1.7.2從事工業機器人系統設計與研發應具備的專業素質/148
1.7.3工業機器人產業化與創新研發所需的工業基礎/152
1.8工業機器人種類與應用領域概覽/156
1.9本書內容構成設計思路、結構以及相關說明/160
參考文獻/161
第2章工業機器人作臂系統設計基礎/170
2.1工業機器人作臂的組成與用途/170
2.1.1工業機器人作臂的用途與作業形式/170
2.1.2工業機器人作臂系統組成/174
2.2工業機器人作臂機構形式/176
2.2.1工業機器人作臂機構構型與分類/176
2.2.2工業機器人作臂中常用的機構構型/179
2.2.3仿人手臂機構構型/180
2.2.4冗餘、超冗余自由度機器人作臂機構構型/184
2.3工業機器人作臂的設計要求與特點/189
2.3.1工業機器人作臂的基本參數和特性/189
2.3.2工業機器人作臂產品基本規格參數及性能指標實例/193
2.3.3工業機器人作臂的設計過程及內容/195
2.3.4工業機器人作臂機械系統設計中需要考慮和解決的問題/197
2.4工業機器人作臂的機械傳動系統設計基礎/199
2.4.1工業機器人作臂常用的機械傳動形式/199
2.4.2齒輪傳動在機器人關節機械傳動系統中的應用及問題解決方法/201
2.4.3精密滾珠絲杠傳動在機器人中的應用及問題解決方法/203
2.4.4用於工業機器人作臂的關節支撐形式與薄壁滾動軸承/208
2.4.5機器人用諧波齒輪傳動及其創新設計/212
2.4.6工業機器人用RV擺線針輪傳動及其減速器結構與應用/237
2.4.7同步齒形帶傳動/246
2.4.8精密機械傳動裝置（減速器）在機器人中的應用實例/266
2.5伺服驅動系統設計基礎/270
2.5.1電動驅動/270
2.5.2液壓伺服驅動系統基本原理與選型設計/288
2.5.3氣動伺服驅動系統基本原理與選型設計/297
2.6控制系統設計基礎/308
2.6.1控制系統基本原理與組成/308
2.6.2控制系統的硬體系統/318
2.6.3控制系統的軟體系統/342
2.7傳感技術基礎與常用感測器/350
2.7.1工業機器人傳感系統概述/350
2.7.2位置/速度感測器及其應用基礎/365
2.7.3力/力矩感測器及其應用基礎/369
2.7.4視覺感測器及其應用基礎/379
2.7.5鐳射感測器及其應用基礎/385
2.7.6姿態感測器及其應用基礎/397
2.8本章小結/406
參考文獻/406
第3章工業機器人作臂機械系統機構設計與結構設計/408
3.1典型工業機器人作臂機構構型及關節驅動形式/408
3.1.1工業機器人作臂關節驅動形式/408
3.1.2工業機器人作臂的腕關節驅動形式/422
3.2工業機器人作臂的機械結構設計/425
3.2.1MOTOMANK系列機器人作臂機械結構設計/425
3.2.2PUMA系列機器人作臂機械結構設計/430
3.2.3SCARA類型機器人作臂機械結構設計/434
3.3多自由度無奇異全方位關節機構創新設計與新型機器人作臂設計/441
3.3.1單萬向鉸鏈機構原理/441
3.3.2雙萬向鉸鏈機構等速傳動原理/443
3.3.3機構拓撲變換演化/444
3.3.4萬向鉸鏈機構的拓撲變換演化及其組合機構/450
3.3.5新型4自由度無奇異並/串聯式全方位關節機構的機械設計及研製的原型樣機與實驗/460
3.3.6全方位關節機構設計與研究的總結/487
3.4工業機器人作臂的機構設計與機械結構設計中需要考慮和注意的問題/488
3.4.1工業機器人作臂機構構型設計問題/488
3.4.2工業機器人作臂機械結構設計問題/490
3.5工業機器人作臂的機構參數優化設計/492
3.5.1工業機器人作臂的機構參數優化設計問題/492
3.5.2機構參數與工作空間/495
3.5.3機器人機構作性能準則與靈活性測度/496
3.5.46自由度以內工業機器人作臂的機構參數優化設計/503
3.5.5冗余自由度機器人作臂機構參數的優化設計/504
3.6本章小結/506
參考文獻/507
下冊
第4章工業機器人作臂系統設計的數學與力學原理/508
4.1工業機器人作臂及其運動的數學與力學的抽象描述/508
4.1.1工業機器人作臂與作業物件構成的首尾相接的“閉鏈”系統/509
4.1.2工業機器人作臂作業“閉鏈”系統的數學與力學描述問題/511
4.2工業機器人作臂機構運動學/511
4.2.1機構運動學/511
4.2.2機構正運動學和逆運動學/513
4.3工業機器人作臂機構運動學問題描述的數學基礎/514
4.3.1作為工業機器人作臂構形比較基準的初始構形/514
4.3.2末端作器姿態的表示/514
4.3.3坐標系的表示與座標變換/516
4.3.4正運動學/521
4.3.5逆運動學/528
4.3.6RPP無偏置型3自由度機器人作臂臂部機構運動學分析的解析幾何法/530
4.3.7RPP有偏置型3自由度機器人作臂臂部機構（即PUMA臂部機構）運動學分析的解析幾何法/534
4.3.8機器人作臂的雅克比矩陣/540
4.4工業機器人作臂機構動力學問題描述的力學基礎/549
4.4.1工業機器人作臂運動參數與機械本體物理參數/549
4.4.2什麼是動力學？/549
4.4.3推導工業機器人作臂微分運動方程的拉格朗日法/550
4.4.4推導工業機器人作臂微分運動方程的牛頓-歐拉法/555
4.5工業機器人作臂機構誤差分析與精度設計的數學基礎/556
4.5.1機構誤差分析的數學基礎/556
4.5.2機器人機構精度設計及測量/564
4.6工業機器人作臂控制系統設計的現代數學基礎/565
4.6.1現代控制理論基礎/565
4.6.2模糊理論與軟計算/574
4.6.3神經網路基礎與強化學習/590
4.7本章小結/602
參考文獻/602
第5章工業機器人作臂機械本體參數識別原理與實驗設計/604
5.1平面內運動的2-DOF機器人作臂的運動方程及其應用問題/604
5.1.1由拉格朗日法得到的2-DOF機器人作臂運動方程/604
5.1.2機器人作臂運動方程的用途/605
5.2基底參數/606
5.3參數識別的基本原理/607
5.3.1逐次識別法/607
5.3.2同時識別法/610
5.3.3逐次識別法與同時識別法的優缺點討論/612
5.4參數識別實驗前需考慮的實際問題/613
5.5本章小結/613
第6章工業機器人作臂伺服驅動與控制系統設計及控制方法/615
6.1工業機器人作臂驅動與控制硬體系統構建/615
6.1.1機器人系統體系結構設計需要考慮的問題/615
6.1.2集中控制/616
6.1.3分散式控制/620
6.2位置/軌跡追蹤控制/626
6.2.1機器人作臂位置軌跡追蹤控制總論/626
6.2.2PD回饋控制（即軌跡追蹤的靜態控制）/627
6.2.3動態控制/628
6.2.4前饋動態控制/630
6.2.5前饋PD回饋動態控制/631
6.2.6計算力矩控制法/633
6.2.7加速度分解控制/633
6.3魯棒控制/634
6.4自我調整控制/636
6.5力控制/637
6.5.1機器人作臂與環境構成的系統模型/637
6.5.2基於位置控制的力/位控制器/640
6.5.3基於力控制的力/位控制器/642
6.6優控制/644
6.7主從控制/645
6.7.1對稱型主從控制系統與控制器/645
6.7.2力反射型主從控制系統與控制器/646
6.7.3力歸還型主從控制系統與控制器/647
6.7.4對稱型/力反射型/力歸還型三種雙向主從控制系統的統一表示/647
6.8非基於模型的智慧控制方法/649
6.9本章小結/652
第7章工業機器人用移動平臺設計/653
7.1工業機器人作臂移動平臺的形式與要求/653
7.2移動平臺小車的機構與結構設計/654
7.2.1輪式移動機構與結構/654
7.2.2履帶式移動機構與結構/681
7.2.3腿式移動機構與結構/688
7.2.4帶有作臂的輪式移動機器人系統設計實例/695
7.2.5搭載作臂的履帶式移動機器人系統設計實例/715
7.2.6輪腿式移動機器人系統設計實例/730
7.2.7輪式-腿式-履帶式複合移動方式的輪-腿-履式移動機器人（wheelslegs-trackshybridlootionrobot）系統設計實例/738
7.3搭載機器人作臂的移動平臺穩定性設計理論/745
7.3.1運動物體或系統的移動穩定性定義/745
7.3.2物體或系統運動穩定性的力學基礎與穩定移動的控制原理/747
7.3.3腿足式移動機器人的移動穩定性設計/752
7.3.4輪式移動機構移動穩定性設計/763
7.3.5搭載機器人作臂的移動平臺的穩定性設計/768
7.3.6關於移動機器人的穩定性問題的延深討論/770
7.4多移動方式機器人系統設計/771
7.4.1具有多移動方式的類人及類人猿型機器人系統設計、模擬與實驗/771
7.4.2非連續介質的擺蕩渡越移動機構與大阻尼驅動控制系統設計和移動實驗/780
7.4.3多移動方式移動機器人設計與研究的總結/793
7.5本章小結/796
參考文獻/797
第8章工業機器人末端作器及其換接裝置設計/804
8.1工業機器人作臂末端作器的種類與作業要求/804
8.1.1焊接作業/804
8.1.2噴漆作業/806
8.1.3搬運作業/806
8.1.4裝配作業/807
8.2工業機器人用快速換接器（快換裝置）/809
8.2.1機器人快換裝置的功能和技術指標/810
8.2.2機器人快換裝置的定位原理/812
8.2.3機器人快換裝置的夾緊原理/815
8.2.4現有的機器人快換裝置/817
8.3工業機器人作臂末端作器設計/822
8.3.1單自由度開合手爪機構原理/823
8.3.2多指手爪/827
8.3.3柔順作與裝配作業的末端作器/828
8.4仿人多指靈巧手的設計/838
8.4.1仿人多指靈巧手的研究現狀及抓持能力/838
8.4.2面向靈長類機器人的11比例多指靈巧手設計/842
8.5本章小結/848
參考文獻/848
第9章工業機器人系統設計的模擬設計與方法/850
9.1工業機器人作臂虛擬樣機設計與模擬的目的與意義/850
9.1.1虛擬樣機設計與運動模擬/850
9.1.2機器人虛擬樣機運動模擬的目的與實際意義/851
9.2虛擬樣機設計與模擬分析工具軟體概論/852
9.2.1現代機械系統設計及其模擬系統設計概論/852
9.2.2軟體中虛擬“物理”環境與虛擬樣機機構模型的建立/860
9.3虛擬樣機設計與模擬——用於機器人虛擬樣機技術的設計與分析型工具軟體及模型導入方法/866
9.3.1虛擬樣機設計/866
9.3.2虛擬感測器設計/877
9.3.3虛擬樣機系統運動控制模擬——應用現代CAD系統工具軟體進行機構運動控制的模擬模型建立/878
9.4虛擬樣機模擬實例——工業機器人作臂虛擬樣機運動樣本資料生成與運動模擬/880
9.4.1機器人作臂的機構運動模擬與分析步驟/880
9.4.2編寫用於機器人作臂機構模擬所需導入資料的機構運動學計算程式/881
9.4.3運動學計算程式計算結果資料檔案存儲/883
9.5虛擬樣機模擬實例——用ADAMS軟體進行機器人作臂虛擬樣機設計與運動模擬的實例/883
9.5.1機械系統的建模/884
9.5.2機械系統的運動學、動力學模擬/889
9.5.3關於機械系統的運動學、動力學模擬結果的分析和結論/896
9.6本章小結/897
參考文獻/898
第10章面向作與移動作業的工業機器人系統設計與應用實例/899
10.1AGV台車/899
10.1.1AGV的種類/899
10.1.2AGV的典型導引方式/900
10.1.3AGV的移動方式與裝卸載方式/901
10.1.4AGV自動搬運系統的組成/902
10.1.5AGV的應用/903
10.2KUKAyouBot/904
10.3作人員導引的作臂柔順控制原理與控制系統設計/904
10.3.1由作業人員導引縱的機器人作臂Cobot7A-15/904
10.3.2作人員導引機器人進行零件打磨力/位元混合柔順控制的系統設計與問題剖析/906
10.4工業機器人作臂圓-長方孔形零件裝配系統設計及其力/位元混合控制/913
10.4.1關於應用於生產過程中的實際機器人裝配系統設計問題的總體認識/913
10.4.2圓柱形軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統設計/915
10.4.3方形軸孔類零件的裝配理論研究/922
10.4.4複雜軸孔類零件裝配問題/923
10.4.5圓柱形-長方形複合型軸孔裝配理論與銷孔類零件裝配系統設計/925
10.5工業機器人作臂模組化組合式設計方法與實例/945
10.5.1關於模組化組合式設計/945
10.5.2機器人作臂的模組化組合式設計的意義與研究現狀/947
10.5.3機器人作臂的模組化組合式設計的主要內容/950
10.5.4機器人作臂模組的結構設計及資料庫的建立/950
10.5.5機器人作臂模組的模組化組合方法/956
10.5.6基於模組庫和小單元庫的機械臂動力學建模方法/959
10.5.7組合式優化設計方法/962
10.5.8六自由度機械臂的組合式優化設計計算與模擬/965
10.5.9三自由度機械臂的組合式優化設計與寫字實驗/969
10.6多台工業機器人作臂系統在汽車衝壓件生產線上的應用設計與實例/973
10.6.1汽車薄板衝壓成形件的衝壓工藝/973
10.6.2汽車衝壓件生產線多工序坯/件運送多機器人作臂系統方案設計實例/974
10.7本章小結/977
參考文獻/978
第11章現代工業機器人系統設計總論與展望/980
11.1現代工業機器人特點與分析/980
11.2面向作與移動作業的智慧化工業機器人設計問題與方法/983
11.2.1工業機器人作性能的線上作業綜合評價與管理控制機制問題/983
11.2.2力-力矩感測器設計與使用時面臨的實際問題/984
11.2.3工業機器人的“通用化”“智慧化”與機器人應用系統集成方案設計工具軟體研發的價值/989
11.2.4靈巧作手的實用化設計觀點與方/991
11.2.5約束作業空間下力/位混合控制作業的“位置”精度與“力”精度的矛盾對立統一問題/992
11.3機器人作臂新概念與智慧機械/992
11.3.1由模組化單元構築可變機械系統的新概念新思想/992
11.3.2“智慧機械”系統的自裝配、自重構、自修復概念/994
11.3.3自重構可變機械的單元/997
11.3.4集成化的自重構模組M-TRAN及自重構機器人可變形態/999
11.3.5關於自裝配、自重構、自修復可變機械系統問題及本節小結/1003
11.4自裝配、自重構和自修復概念將引發未來工業機器人產業技術展望/1004
11.5本章小結/1005
參考文獻/1006
附錄/1007
索引/1022
