工業(yè)機(jī)器人

前言

本書(shū)自第一版發(fā)行以來(lái)，經(jīng)三次印刷，被全國(guó)幾十所院校有關(guān)專(zhuān)業(yè)采用。在使用中，許多授課老師和讀者向我們提出了寶貴意見(jiàn)和建議，使我們受益匪淺，在此，向熱心支持和幫助我們的相關(guān)兄弟院校的教師以及讀者表示衷心的感謝。利用機(jī)器人技術(shù)提升我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平，從制造業(yè)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，提高人民生活質(zhì)量已成為全社會(huì)的共識(shí)。工業(yè)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用迎來(lái)了快速增長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)期，因此對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人才的需求也急劇增加。根據(jù)大家所提寶貴意見(jiàn)和近幾年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，同時(shí)結(jié)合社會(huì)的實(shí)際需求，我們對(duì)第一版進(jìn)行了修訂。此次修訂延續(xù)原有教材的定位，仍立足于機(jī)器人理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的最佳結(jié)合，不把重點(diǎn)放在理論分析上，而放在多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用方面，強(qiáng)化機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以滿(mǎn)足機(jī)械類(lèi)應(yīng)用型高級(jí)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。本書(shū)在內(nèi)容的編寫(xiě)上,仍以MOTOMAN SV3機(jī)器人為典型教學(xué)案例，結(jié)合每章的內(nèi)容，對(duì)該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、控制技術(shù)、傳感器、軌跡規(guī)劃與編程操作及其應(yīng)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)講解，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生從機(jī)器人實(shí)體和實(shí)際工程上對(duì)其進(jìn)行消化理解，以提高教學(xué)效果。本書(shū)共分為8章，各章配有習(xí)題。第1章介紹機(jī)器人及其技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來(lái)，以及基本概念、定義、組成和分類(lèi)等內(nèi)容。第2章主要講解工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括機(jī)器人總體設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)、腕部設(shè)計(jì)、手部設(shè)計(jì)、行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。第3章主要對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行講解，屬于機(jī)器人基礎(chǔ)理論的重要組成部分。首先從空間任意一點(diǎn)的相對(duì)動(dòng)坐標(biāo)和固定坐標(biāo)位置之間的關(guān)系推導(dǎo)入手，引入齊次坐標(biāo)變換矩陣的概念，介紹剛體的位姿描述方法，由此導(dǎo)出機(jī)器人手腕中心點(diǎn)的位移方程；然后引入機(jī)器人機(jī)構(gòu)的一般坐標(biāo)定義描述方法和DH 坐標(biāo)變換；最后用實(shí)例講解機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立方法。第4章主要介紹工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析方法。首先引入速度雅可比矩陣與速度分析的內(nèi)容，介紹力雅可比矩陣與靜力計(jì)算；然后對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，并講解機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的建模和仿真方法。第5章主要介紹工業(yè)機(jī)器人控制的一般理論與技術(shù)方法。首先引入機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制思路，詳細(xì)論述機(jī)器人單關(guān)節(jié)位置控制的理論與方法；然后講解機(jī)器人常用的力/力矩控制方法等內(nèi)容。第6章主要講解工業(yè)機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)。首先闡述機(jī)器人的一般信息檢測(cè)與分析方法、機(jī)器人的常用傳感技術(shù)與特殊感知技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)等，并通過(guò)實(shí)例對(duì)理論和技術(shù)方法的應(yīng)用進(jìn)行深入說(shuō)明。第7章討論工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、機(jī)器人語(yǔ)言和機(jī)器人離線(xiàn)編程系統(tǒng)三方面的內(nèi)容。第8章分析國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，就機(jī)器人在制造業(yè)和非制造業(yè)兩方面中的應(yīng)用，用典型實(shí)例深入地進(jìn)行闡述，最后對(duì)一款大學(xué)生課外科技制作作品——六足行走機(jī)器人進(jìn)行介紹。此次再版邀請(qǐng)兄弟院校幾位從事機(jī)器人教學(xué)工作的老師參加了修訂工作，除對(duì)部分章節(jié)做了文字上的修訂外，主要在原版基礎(chǔ)上重點(diǎn)增加了工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，使得教材更加貼近工程實(shí)際，以方便更多讀者選用。本次再版編寫(xiě)的具體分工為：第1章緒論（河南科技大學(xué)韓建海）；第2章工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（長(zhǎng)江大學(xué)錢(qián)玉寶、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)李慧琴）；第3章工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)（蘭州理工大學(xué)楊萍、安徽工業(yè)大學(xué)葉曄）；第4章工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析（湖北工業(yè)大學(xué)張錚、安徽工程大學(xué)蘇學(xué)滿(mǎn)）；第5章工業(yè)機(jī)器人控制（河南科技大學(xué)韓建海、河南科技大學(xué)王會(huì)良）；第6章工業(yè)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)（河南科技大學(xué)郭冰菁、安陽(yáng)工學(xué)院韓向可）；第7章工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃與編程（河南科技大學(xué)趙書(shū)尚、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)李慧琴）；第8章工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用（上海師范大學(xué)王麗慧、河南科技大學(xué)王會(huì)良）。全書(shū)由韓建海擔(dān)任主編并負(fù)責(zé)全書(shū)統(tǒng)稿工作。湖北工業(yè)大學(xué)吳斌芳在大綱制訂、內(nèi)容安排、協(xié)助統(tǒng)稿等方面做了大量工作。本書(shū)在修訂過(guò)程中，參閱了同行專(zhuān)家、學(xué)者及一些院校的教材、資料和文獻(xiàn)，在此謹(jǐn)致謝意。修訂后的本書(shū)較第一版有明顯的改進(jìn)與提高，但由于編者水平有限，書(shū)中仍難免存在不足和錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)為普通高等院?！笆晃濉币?guī)劃教材、普通高等院校機(jī)械類(lèi)精品教材。全書(shū)共8章，內(nèi)容包括工業(yè)機(jī)器人的基本概念和基礎(chǔ)理論、工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、控制技術(shù)、與機(jī)器人相關(guān)的傳感技術(shù)、軌跡規(guī)劃、機(jī)器人語(yǔ)言，以及機(jī)器人在制造業(yè)和非制造業(yè)中的應(yīng)用。每章均附有習(xí)題。
　　本書(shū)的編寫(xiě)立足于機(jī)器人理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的恰當(dāng)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)際應(yīng)用，以典型案例教學(xué)為主線(xiàn)，并將其貫穿于整個(gè)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過(guò)程?！豆I(yè)機(jī)器人》內(nèi)容全面、豐富，重點(diǎn)突出，層次清楚，既注意基礎(chǔ)理論，又強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合應(yīng)用，注重反映當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新成就和新動(dòng)向，力求體現(xiàn)先進(jìn)性、實(shí)用性。
　　《工業(yè)機(jī)器人》可作為地方普通工科院校的機(jī)械工程及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程等機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教材，也適合作為廣大自學(xué)者的自學(xué)用書(shū)及工程技術(shù)人員的培訓(xùn)用書(shū)，對(duì)從事機(jī)器人技術(shù)研究工作的科技人員也有一定的參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

韓建海，男，1961年2月出生，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師。1990年7月碩士畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院；2002年4月博士畢業(yè)于日本岡山大學(xué)工學(xué)部。1995年11月至1996年10月日本岡山理科大學(xué)工學(xué)部高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者；1998年8月至1999年3月日本岡山大學(xué)工學(xué)部高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。2006-2010年教育部高等學(xué)校機(jī)械學(xué)科機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)員會(huì)委員；2004年河南省教育廳學(xué)術(shù)帶頭人。2002年4月受聘于河南科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院從事數(shù)控技術(shù)及機(jī)器人控制技術(shù)的教學(xué)、科研工作。多年來(lái)一直工作在教學(xué)和科研第一線(xiàn)，教書(shū)育人，為人師表。2003-2006連續(xù)三年被評(píng)為河南科技大學(xué)教學(xué)質(zhì)量一等獎(jiǎng)，指導(dǎo)大學(xué)生制作的機(jī)器人在全國(guó)大賽中多次獲獎(jiǎng)，河南省精品課程“數(shù)控技術(shù)”的課程負(fù)責(zé)人。已培養(yǎng)碩士研究生12人，出版教材2部。完成省部級(jí)科研課題數(shù)5項(xiàng)，獲省級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)。擁有實(shí)用新型專(zhuān)利成果3項(xiàng)。近幾年在日本流體動(dòng)力與控制、機(jī)械工程學(xué)報(bào)、中國(guó)機(jī)械工程等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文47篇。

書(shū)籍目錄

x第1章 緒論
1．1 機(jī)器人概述
1．2 機(jī)器人的分類(lèi)
1．3 工業(yè)機(jī)器人的組成與技術(shù)參數(shù)
1．4 本書(shū)主要內(nèi)容與教學(xué)要求
習(xí)題
第2章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2．2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
2．3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)
2．4 腕部設(shè)計(jì)
2．5 手部設(shè)計(jì)
2．6 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
習(xí)題
第3章 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)
3．1 概述
3．2 物體在空間中的位姿描述
3．3 齊次坐標(biāo)變換
3．4 變換方程的建立
3．5 RPY角與歐拉角
3．6 機(jī)器人連桿D—H參數(shù)及其坐標(biāo)變換
3．7 建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程實(shí)例
3．8 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)
習(xí)題
第4章 工業(yè)機(jī)器人靜力計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析
4．1 速度雅可比矩陣與速度分析
4．2 力雅可比矩陣與靜力計(jì)算
4．3 工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析
4．4 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模和仿真
習(xí)題
第5章 工業(yè)機(jī)器人控制
5．1 機(jī)器人控制系統(tǒng)與控制方式
5．2 單關(guān)節(jié)機(jī)器人模型和控制
5．3 基于關(guān)節(jié)坐標(biāo)的控制
5．4 基于作業(yè)空間的伺服控制
5．5 機(jī)器人末端操作器的力/力矩控制
習(xí)題
第6章 工業(yè)機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)
6．1 工業(yè)機(jī)器人傳感器概述
6．2 位置和位移傳感器
6．3 速度傳感器
6．4 接近覺(jué)傳感器
6．5 觸覺(jué)傳感器
6．6 工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)
6．7 其他外部傳感器
習(xí)題
第7章 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃與編程
7．1 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃
7．2 關(guān)節(jié)空間法
7．3 直角坐標(biāo)空間法
7．4 軌跡的實(shí)時(shí)生成
7．5 工業(yè)機(jī)器人編程
7．6 工業(yè)機(jī)器人編程語(yǔ)言
7．7 工業(yè)機(jī)器人離線(xiàn)編程
習(xí)題
第8章 機(jī)器人的應(yīng)用
8．1 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用準(zhǔn)則和步驟
8．2 機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用
8．3 機(jī)器人在非制造業(yè)中的應(yīng)用
8．4 六足機(jī)器人課外科技制作
習(xí)題
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   1.2.1 機(jī)器人的分類(lèi) 1.按機(jī)器人發(fā)展的程度分類(lèi) 按從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展程度，機(jī)器人可分為以下幾類(lèi)。 （1）第一代機(jī)器人第一代機(jī)器人是指只能以示教一再現(xiàn)方式工作的工業(yè)機(jī)器人。 （2）第二代機(jī)器人第二代機(jī)器人帶有一些可感知環(huán)境的裝置，可通過(guò)反饋控制使其在一定程度上適應(yīng)變化的環(huán)境。 （3）第三代機(jī)器人第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯推理、判斷及決策，可在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)，具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并自主地解決問(wèn)題的能力。這類(lèi)機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力。 （4）第四代機(jī)器人第四代機(jī)器人為情感型機(jī)器人，它具有與人類(lèi)相似的情感。具有情感是機(jī)器人發(fā)展的最高層次，也是機(jī)器人科學(xué)家的夢(mèng)想。 2.按控制方式分類(lèi) 按控制方式可將機(jī)器人分為操作機(jī)器人、程序機(jī)器人、示教一再現(xiàn)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)器人和智能機(jī)器人等。 （1）操作機(jī)器人操作機(jī)器人（operating robot）是指人可在一定距離處直接操縱其進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人。通常采用主、從方式實(shí)現(xiàn)對(duì)操作機(jī)器人的遙控操作。 （2）程序機(jī)器人程序機(jī)器人（sequence control robot）可按預(yù)先給定的程序、條件、位置等信息進(jìn)行作業(yè)，其在工作過(guò)程中的動(dòng)作順序是固定的。 （3）示教一再現(xiàn)機(jī)器人示教一再現(xiàn)機(jī)器人（playback robot）的工作原理是：由人操縱機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)，并記錄下這些動(dòng)作，機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)按照記錄下的信息重復(fù)執(zhí)行同樣的動(dòng)作。示教一再現(xiàn)機(jī)器人的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用的開(kāi)始。示教一再現(xiàn)方式目前仍然是工業(yè)機(jī)器人控制的主流方式。 （4）數(shù)控機(jī)器人數(shù)控機(jī)器人（numerical control robot）動(dòng)作的信息由編制的計(jì)算機(jī)程序提供，機(jī)器人依據(jù)動(dòng)作信息進(jìn)行作業(yè)。 （5）智能機(jī)器人智能機(jī)器人（intelligent robot）具有感知和理解外部環(huán)境信息的能力，即使其工作環(huán)境發(fā)生變化，也能夠成功地完成作業(yè)任務(wù)。 在實(shí)際應(yīng)用中所用的機(jī)器人多是這些類(lèi)型機(jī)器人的組合。

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《普通高等院校"十一五"規(guī)劃教材?普通高等院校機(jī)械類(lèi)精品教材:工業(yè)機(jī)器人(第2版)》內(nèi)容全面、豐富，重點(diǎn)突出，層次清楚，既注重基礎(chǔ)理論，又強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合應(yīng)用，注重反映當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新成就和新動(dòng)向，力求體現(xiàn)先進(jìn)性、實(shí)用性。此書(shū)編寫(xiě)的指導(dǎo)思想是：以學(xué)生的能力驅(qū)動(dòng)為目的，將典型案例教學(xué)這一主線(xiàn)貫穿于整個(gè)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐過(guò)程中。本書(shū)以工業(yè)界、高校院所廣泛使用的Motoman SV3機(jī)器人為典型教學(xué)案例，對(duì)該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，以及編程控制和應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)講解，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生通過(guò)機(jī)器人實(shí)體和實(shí)際工程對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行消化理解，以提高教學(xué)效果。因此，本書(shū)是一本實(shí)用的學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的教材。

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