工業機器人從基礎到實戰

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依運動形式分類5
1.2.3依控制方式分類6
1.2.4以機械結構形式分類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機器人硬體系統的組成8
1.3.2機器人軟體系統的組成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高精度機器人減速機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機器人作業系統20
1.5.5各部分佔整個機器人的成本比例21
1.6工業機器人產業鏈21
1.7國內外工業機器人製造商21
本章小結22
思考與練習題23
參考文獻23

第2章剛體位姿描述與齊次變換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手爪座標系25
2.2座標變換26
2.2.1坐標平移26
2.2.2座標旋轉26
2.2.3一般變換（平移 旋轉）28
2.2.4三維座標變換的幾個特例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齊次座標和齊次變換34
2.4.1引進齊次座標34
2.4.2將複合變換式改寫為齊次變換式34
2.4.3繞座標軸旋轉的3個特殊齊次變換矩陣35
2.4.4齊次旋轉矩陣與平移矩陣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維36
2.6座標變換應用舉例37
2.6.1機器人與環境之間的座標變換37
2.6.2攝影機的座標系與座標的變換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連桿參數和連桿座標系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連桿座標系42
3.2用D-H方法建立機器人運動學方程式42
3.2.1D-H方法的概念與思路42
3.2.2用D-H方法建立連桿座標系的特性42
3.2.3相鄰連桿座標系變換43
3.2.4相鄰連桿座標系之間的齊次變換矩陣的進一步解釋44
3.3機器人運動學方程式的形式與建立步驟45
3.3.1機器人運動學方程式的形式45
3.3.2機器人運動學方程式的建立步驟46
3.3.3用D-H方法建立機器人運動學方程式應注意的問題46
3.4PUMA560機器人運動學方程式的建立過程48
3.4.1建立PUMA560機器人各連桿座標系與參考座標系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寫出運動學方程式51
3.5機器人的運動學方程式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機器人運動學方程式建立實例55
3.7.1RV-M1機器人運動學方程式的建立55
3.7.2博實四自由度SCARA機器人運動學方程式的建立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為什麼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式67
4.3.1拉格朗日動力學方程式67
4.3.2用拉格朗日方程式解題的一般步驟68
4.3.3用拉格朗日方程式解題的優點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手臂（分佈質量）72
4.4多自由度機器人的動力學方程式的建立75
4.4.1多自由度機器人的動力學方程式建立的思路75
4.4.2PUMA560機器人的動力學方程式75
4.5關節空間和操作空間的動力學方程式76
4.5.1關節空間動力學方程式76
4.5.2操作空間動力學方程式76
4.5.3操作力矩方程式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係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直角座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直角座標空間的軌跡規劃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各種感測器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上下臂與連桿組裝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匯博多控模組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依控制器不同分類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分級分散式控制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基於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匯博多控制模組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流程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視覺系統的影像擷取處理過程154
8.2.2視覺系統的組成155
8.2.3兩種數位攝影機的工作原理161
8.3機器人視覺影像處理167
8.3.1視覺影像處理的對象167
8.3.2視覺影像處理的目的167
8.3.3視覺影像處理的基本理論167
8.3.4視覺影像處理的方法168
8.3.5視覺影像處理的基本方法和MATLAB程式169
8.4機器人視覺影像分析與辨識180
8.4.1影像辨識的概念與常用方法180
8.4.2特徵識別181
8.4.3生物辨識技術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機器人視覺影像處理與分析辨識的常用軟體187
8.6.1視覺影像處理與分析常用軟體簡介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製程式的開發設計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機器人程式設計的意義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示教程式設計207
9.2.1示教程式設計的類型207
9.2.2示教程式設計的過程209
9.2.3示教裝置或軟體應具備的基本功能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與基本功能215
9.4機器人離線編程215
9.4.1什麼是機器人離線編程215
9.4.2離線程式設計與示教程式設計的比較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機器人的程式設計216
9.5.1RV-M1機器人編程系統的硬體構成216
9.5.2RV-M1機器人編程系統的軟體構成217
9.5.3線上示教程式設計的操作順序217
9.5.4示教盒上各個按鈕開關的介紹217
9.5.5線上程式設計軟體－COSIPROG219
9.5.6離線編程與模擬軟體－COSIMIR221
9.5.7三菱RV-M1機器人的指令係統223
9.5.8三菱RV-M1機器人範例程式一224
9.5.9三菱RV-M1機器人範例程式二225
9.6博實四自由度SCARA機器人的程式設計227
9.6.1博實四自由度SCARA機器人程式系統組成227
9.6.2RBT-4S01S－機器人控制系統軟體功能227
9.6.3MAC-3002SSP4系列伺服電動機控制卡片調試系統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
10.1.1什麼是設計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性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概念243
10.1.6工業機器人控制系統設計概念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性246
10.2.2驅動裝置246
10.2.3機械傳動裝置255
10.2.4空間座標結構形式的選擇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緩衝與定位機構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整體架構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體設計272
10.3.5工業機器人控制系統的軟體設計277
10.3.6智慧機器人控制系統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匯博多控模組化機器人的機械結構設計282
10.4.4匯博多控制模組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章工業機器人在智慧製造的應用286
11.1智慧製造系統286
11.1.1製造技術的定義286
11.1.2工業革命的發展286
11.1.3智能製造287
11.2資訊物理系統292
11.3機器人在智慧製造的應用297
本章小結301
思考與練習題301
參考文獻301